断裂力学在桥梁工程中的应用

【摘 要】 随着交通量的增大、荷载的增加，大多数旧桥都面临着带裂缝工作的问题，传统的强度理论无法分析带裂纹构件的强度，对于裂纹的发展机理和断裂破坏形式的研究愈加重要，断裂力学在桥梁带裂缝工作的分析应用变得十分关键。本文通过论文综述的方式，叙述了桥梁工程中的断裂力学，从桥梁中混凝土和钢两个方面，对裂纹的发展机理进行分析，以便对断裂力学有更加深刻的理解。

【关键词】 断裂力学 桥梁工程 混凝土 钢

1前言

随着我国桥梁技术的不断发展，桥梁建设速度加快，桥梁数量以每年2～3万座的速度不断增加。国内早期修建的桥梁，由于环境、时间以及交通荷载等因素的影响，不断出现各种桥梁病害，混凝土裂缝、钢结构裂缝以及腐蚀等，对桥梁的承载能力和正常使用都带来了严重的威胁。在我国，钢筋混凝土桥梁的数量最多，该类桥梁主要病害是混凝土开裂引起的内部钢筋腐蚀。目前钢结构桥梁的数量也在不断增加，钢梁的主要病害是疲劳破坏和应力集中处的裂纹，微小的裂缝在长期的荷载作用下，会不断增长扩大最终成为桥梁破坏的关键因素。因此，在对桥梁中的病害进行检测、分析时，要充分理解裂纹产生和发展的原理，才能从理论上解决问题病害，最终能够提出合理的加固办法，确保桥梁的正常使用。

2发展概况

在20世纪20年代，A.A.Griffith提出了断裂力学中的能量思想，并研究了玻璃等脆性材料中的裂纹扩展问题。但是，并没考虑裂纹尖端附近的应力和应变，由于研究的是非金属材料，也没有考虑塑性变形。后来，E.Orowan进行了修正并计入了塑性变形的影响。Griffith和Orowan的理论是断裂力学中能量理论的基础。随后，G.R.Irwin提出了应力强度因子的概念，使脆性断裂理论取得重大突破。因此，线弹性断裂力学开始建立起来，在近20年广泛应用于各个领域。但是对于塑性良好的材料，在裂纹扩展前要进入塑性区，线弹性断裂力学不能分析此类问题，取而代之的便是弹塑性断裂力学.J.R.Rice提出的J积分法和A.A.Wells提出的COD法是最主要的弹塑性断裂力学分析方法。我国的断裂力学起步较晚，但是最近十几年的发展，取得了较好的成绩，为断裂力学发展作出了贡献。

3混凝土中的断裂力学

混凝土是由石料、水泥和水混合搅拌而成的复合材料。由于其材料尺寸、强度的不统一以及生产过程中的不确定性，混凝土具有复杂性和离散性。在生产和养护的过程中，就已经出现了很多内部微裂缝，这些微裂缝主要来自石料表面残存气泡形成的微裂缝、水泥石收缩受到骨料约束形成的微裂缝以及水分蒸发时形成的毛细孔道。在断裂力学中，主要有三种断裂类型，即为Ⅰ型裂纹、Ⅱ型裂纹和Ⅲ型裂纹，也是由于其加载方式不同引起的。Ⅰ型裂纹为张开型裂纹，裂纹受到垂直于其自身的拉力。Ⅱ型裂纹为滑移型裂纹，裂纹受到沿裂纹方向但相反的力。Ⅲ型裂纹为撕裂型裂纹，裂纹受到垂直于自身但方向相反的力。

在断裂力学中，当裂纹受载时，越接近裂缝尖端的地方，应力分量越大，当无限接近时，应力都会趋向于无穷大。若应力趋于无穷大，那么构件都会被破坏。但是实际情况中却可以带裂缝工作，这显然于实际不符。因此，应力强度因子的概念被提出来了，它是裂纹端部应力场强度的度量，随着荷载的增加，强度因子也增加，当荷载到达某一临界值时，裂纹就会扩展进而发生破坏。若把混凝土材料看成脆性材料，那么就可以运用线弹性断裂力学来研究。对于受压混凝土构件，当荷载较小时，内部微裂缝处于稳定期，远没有到达临界应力强度因子;随着荷载的增大，裂缝发展，但在可控范围内，当卸载时裂缝就停止发展，处于发展稳定期;当荷载增大到一定程度，裂缝尖端应力急剧增大到达临界值，裂缝快速发展并贯穿，导致混凝土构件丧失承载力而破坏。

4钢中的断裂力学

钢桥得到广泛运用，随着车辆荷载增加，钢桥的疲劳问题日益严重。疲劳破坏是在荷载的反复或交变荷载作用下产生的破坏。破坏过程就是裂纹发展的过程，裂纹的发展分为三个阶段：①裂纹的形成，材料微裂纹或焊接缺陷开始沿着与荷载方向成45°的方向发展，通常形成于表面;②裂纹开始扩展，方向开始垂直于荷载方向;③裂纹到达一定程度后快速扩展直到断裂。现阶段，国内外对焊接钢桥的疲劳评估一般采用两种方法：①基于S-N曲线和Miner线性累积损伤法则的传统疲劳分析方法，该方法是基于经验的方法，需要知道很多旧桥无法得到的荷载谱;②基于断裂力学的分析方法，裂纹的形成阶段和最后的断裂阶段非常短，相比带裂纹工作时间可以忽略不计，只需测出当时的裂纹情况就可预测构件疲劳寿命，相比前种方法，此方法更加方便简单，易操作。

在循環加载前，裂纹处于闭合状态，当荷载增加时，裂纹开始张开，裂纹尖端沿最大剪应力方向开始滑移，继续增大时，裂纹进一步发展，塑性变形增大使裂纹尖端发生钝化。反方向加载时，拉应力减小，裂纹开始闭合，尖端开始反方向滑移。但变为压应力时，裂纹闭合尖端锐化，又回到原来的状态。因此，每次循环加载都会使裂纹进一步扩展。

5结论

桥梁工程领域中，桥梁结构等大多是以钢筋混凝土和钢为建筑材料，运用断裂力学理论研究混凝土和钢的裂纹发展机理，可以更加充分理解裂纹的发展情况，更加符合实际，有利于对桥梁等建筑结构进行裂纹分析和加固，对于桥梁检测和加固都有重要意义。

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作者简介：吴昊（1994--），男，硕士研究生在读，单位：重庆交通大学，研究方向：钢混组合桥梁。