斷裂力學在橋梁工程中的應用

【摘 要】 隨著交通量的增大、荷載的增加，大多數(shù)舊橋都面臨著帶裂縫工作的問題，傳統(tǒng)的強度理論無法分析帶裂紋構件的強度，對于裂紋的發(fā)展機理和斷裂破壞形式的研究愈加重要，斷裂力學在橋梁帶裂縫工作的分析應用變得十分關鍵。本文通過論文綜述的方式，敘述了橋梁工程中的斷裂力學，從橋梁中混凝土和鋼兩個方面，對裂紋的發(fā)展機理進行分析，以便對斷裂力學有更加深刻的理解。

【關鍵詞】 斷裂力學 橋梁工程 混凝土 鋼

1前言

隨著我國橋梁技術的不斷發(fā)展，橋梁建設速度加快，橋梁數(shù)量以每年2～3萬座的速度不斷增加。國內早期修建的橋梁，由于環(huán)境、時間以及交通荷載等因素的影響，不斷出現(xiàn)各種橋梁病害，混凝土裂縫、鋼結構裂縫以及腐蝕等，對橋梁的承載能力和正常使用都帶來了嚴重的威脅。在我國，鋼筋混凝土橋梁的數(shù)量最多，該類橋梁主要病害是混凝土開裂引起的內部鋼筋腐蝕。目前鋼結構橋梁的數(shù)量也在不斷增加，鋼梁的主要病害是疲勞破壞和應力集中處的裂紋，微小的裂縫在長期的荷載作用下，會不斷增長擴大最終成為橋梁破壞的關鍵因素。因此，在對橋梁中的病害進行檢測、分析時，要充分理解裂紋產(chǎn)生和發(fā)展的原理，才能從理論上解決問題病害，最終能夠提出合理的加固辦法，確保橋梁的正常使用。

2發(fā)展概況

在20世紀20年代，A.A.Griffith提出了斷裂力學中的能量思想，并研究了玻璃等脆性材料中的裂紋擴展問題。但是，并沒考慮裂紋尖端附近的應力和應變，由于研究的是非金屬材料，也沒有考慮塑性變形。后來，E.Orowan進行了修正并計入了塑性變形的影響。Griffith和Orowan的理論是斷裂力學中能量理論的基礎。隨后，G.R.Irwin提出了應力強度因子的概念，使脆性斷裂理論取得重大突破。因此，線彈性斷裂力學開始建立起來，在近20年廣泛應用于各個領域。但是對于塑性良好的材料，在裂紋擴展前要進入塑性區(qū)，線彈性斷裂力學不能分析此類問題，取而代之的便是彈塑性斷裂力學.J.R.Rice提出的J積分法和A.A.Wells提出的COD法是最主要的彈塑性斷裂力學分析方法。我國的斷裂力學起步較晚，但是最近十幾年的發(fā)展，取得了較好的成績，為斷裂力學發(fā)展作出了貢獻。

3混凝土中的斷裂力學

混凝土是由石料、水泥和水混合攪拌而成的復合材料。由于其材料尺寸、強度的不統(tǒng)一以及生產(chǎn)過程中的不確定性，混凝土具有復雜性和離散性。在生產(chǎn)和養(yǎng)護的過程中，就已經(jīng)出現(xiàn)了很多內部微裂縫，這些微裂縫主要來自石料表面殘存氣泡形成的微裂縫、水泥石收縮受到骨料約束形成的微裂縫以及水分蒸發(fā)時形成的毛細孔道。在斷裂力學中，主要有三種斷裂類型，即為Ⅰ型裂紋、Ⅱ型裂紋和Ⅲ型裂紋，也是由于其加載方式不同引起的。Ⅰ型裂紋為張開型裂紋，裂紋受到垂直于其自身的拉力。Ⅱ型裂紋為滑移型裂紋，裂紋受到沿裂紋方向但相反的力。Ⅲ型裂紋為撕裂型裂紋，裂紋受到垂直于自身但方向相反的力。

在斷裂力學中，當裂紋受載時，越接近裂縫尖端的地方，應力分量越大，當無限接近時，應力都會趨向于無窮大。若應力趨于無窮大，那么構件都會被破壞。但是實際情況中卻可以帶裂縫工作，這顯然于實際不符。因此，應力強度因子的概念被提出來了，它是裂紋端部應力場強度的度量，隨著荷載的增加，強度因子也增加，當荷載到達某一臨界值時，裂紋就會擴展進而發(fā)生破壞。若把混凝土材料看成脆性材料，那么就可以運用線彈性斷裂力學來研究。對于受壓混凝土構件，當荷載較小時，內部微裂縫處于穩(wěn)定期，遠沒有到達臨界應力強度因子;隨著荷載的增大，裂縫發(fā)展，但在可控范圍內，當卸載時裂縫就停止發(fā)展，處于發(fā)展穩(wěn)定期;當荷載增大到一定程度，裂縫尖端應力急劇增大到達臨界值，裂縫快速發(fā)展并貫穿，導致混凝土構件喪失承載力而破壞。

4鋼中的斷裂力學

鋼橋得到廣泛運用，隨著車輛荷載增加，鋼橋的疲勞問題日益嚴重。疲勞破壞是在荷載的反復或交變荷載作用下產(chǎn)生的破壞。破壞過程就是裂紋發(fā)展的過程，裂紋的發(fā)展分為三個階段：①裂紋的形成，材料微裂紋或焊接缺陷開始沿著與荷載方向成45°的方向發(fā)展，通常形成于表面;②裂紋開始擴展，方向開始垂直于荷載方向;③裂紋到達一定程度后快速擴展直到斷裂。現(xiàn)階段，國內外對焊接鋼橋的疲勞評估一般采用兩種方法：①基于S-N曲線和Miner線性累積損傷法則的傳統(tǒng)疲勞分析方法，該方法是基于經(jīng)驗的方法，需要知道很多舊橋無法得到的荷載譜;②基于斷裂力學的分析方法，裂紋的形成階段和最后的斷裂階段非常短，相比帶裂紋工作時間可以忽略不計，只需測出當時的裂紋情況就可預測構件疲勞壽命，相比前種方法，此方法更加方便簡單，易操作。

在循環(huán)加載前，裂紋處于閉合狀態(tài)，當荷載增加時，裂紋開始張開，裂紋尖端沿最大剪應力方向開始滑移，繼續(xù)增大時，裂紋進一步發(fā)展，塑性變形增大使裂紋尖端發(fā)生鈍化。反方向加載時，拉應力減小，裂紋開始閉合，尖端開始反方向滑移。但變?yōu)閴簯r，裂紋閉合尖端銳化，又回到原來的狀態(tài)。因此，每次循環(huán)加載都會使裂紋進一步擴展。

5結論

橋梁工程領域中，橋梁結構等大多是以鋼筋混凝土和鋼為建筑材料，運用斷裂力學理論研究混凝土和鋼的裂紋發(fā)展機理，可以更加充分理解裂紋的發(fā)展情況，更加符合實際，有利于對橋梁等建筑結構進行裂紋分析和加固，對于橋梁檢測和加固都有重要意義。

【參考文獻】

[1] 姜蘇. 基于斷裂力學的正交異性鋼橋面板與縱肋焊接細節(jié)疲勞壽命評估[D].西南交通大學，2014.

[2] 蔣梅玲，金賢玉，田野，金南國.基于斷裂力學和損傷理論的混凝土開裂模型[J].浙江大學學報（工學版），2011，45（05）：948-953.

[3] 易志堅，趙朝華，楊慶國，彭凱，黃宗明.Ⅲ型裂紋彈塑性場在裂紋線附近匹配方程的一般形式[J].應用數(shù)學和力學，2009，30（05）：515-524.

作者簡介：吳昊（1994--），男，碩士研究生在讀，單位：重慶交通大學，研究方向：鋼混組合橋梁。