断裂力学在结构工程中应用的介绍

2017-04-10

四川水泥 2017年8期

关键词：断裂力学钢桥钢结构

（重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074）

断裂力学在结构工程中应用的介绍

陈祥

（重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074）

断裂力学是固体力学的一个分支，对于金属冶炼，材料科学以及航空、机械、土木工程等各工程技术部门都产生了重大影响，本文将介绍断裂力学在钢结构桥梁及混凝土结构中的基本应用。

断裂力学；钢结构；混凝土；应用

1 运用断裂力学方法分析钢桥的疲劳问题

钢桥由于疲劳而引起的严重事故最早的是西弗吉尼亚的一座大桥，这座桥在没有预兆的情况下突然发生了坍塌事故，这个事故使人们意识到桥梁发生脆性断裂的严重性[1]。这就引发一个问题，在传统的强度理论下足够的强度为什么不能阻止金属结构的破坏。通过分析传统的强度理论，我们发现，传统的强度理论一般假设材料匀质各向同性且无初始缺陷，实际上受各种原因的影响钢材实际特性与这些理想假定存在着差异，钢材在冶炼加工等各个方面不可避免的存在缺陷或者微裂纹会，在反复作用的低应力下扩展直至断裂破坏，根据相关钢桥破坏调查，80%-90%的钢结构破坏与疲劳断裂有关。一般认为钢材的疲劳破坏必须有拉应力、应力反复和塑性应变三者的共同相互作用，这与纯粹局部拉应力高峰所造成的脆断破坏是有区别的[1]。

运用断裂力学的方法评定裂纹体或类裂纹缺陷体，理论总的来说简单而且十分明了，主要的问题在于如何应用在实际中合理烦人分析具体问题，根据基本的断裂力学方法，我们对于一个钢构件或钢结构，首先需要知道初始裂纹大小、裂纹形状和裂纹区的缺口应力，例如膜应力和弯曲应力以及非线性应力峰，此外，最重要的是还需要通过一系列的方法来计算出该型裂纹的应力强度因子，从而判别该带裂纹体的疲劳问题。

现阶段实行的钢结构桥梁规范以名义应力法，这些经验值是通过疲劳试验统计结果。那么如何应用断裂力学的基本分析方法在钢桥疲劳分析中，根据存在的初始存在裂纹来确定结构或者构件直到断裂是所需要的条件，进而推断出结构的剩余的有效疲劳寿命，并且根据裂纹尖端应力场分布判定给定初始条件下裂纹是否扩展，如何止裂，这对于钢构件或者钢结构，特别是焊接结构的带裂纹体的应力分析尤其是疲劳分析大有裨益。

在实际结构中，可以采用线弹性力学和弹塑性断裂力学的基本方法对裂纹体进行分析，分析疲劳裂纹增长时，确定裂纹增长速率十分重要，增长速率主要表明物体能够承受循环总次数与作用应力有关，裂纹增长速率主要与循环应力强度因子，应力比，加载历史相关[2]。同时在既有桥梁的重要构件判定识别中，可以运用其截面的危险性指导我们判断在结构丧失极限承载力之前，是否有足够的时间充分显示结构遭受疲劳裂纹带来的损伤，受拉的构件带裂纹的是可能出现突然脆性断裂破坏的，进而识别结构中的危险构件[3]。但是运用断裂力学的方法需要确定其他力学参数，其中有些在活载变化较大的桥梁结构中还有难度。现代无损探伤检测技术的发展，可以较为准确的确定检查的时间间隔，综合运用断裂力学的方法，可以进一步加强桥对既有服役桥梁结构的使用安全的控制。

同时我们知道各个构件通过一定的连接方式组成受力结构，单一的评定构件的力学性能还不够全面，带裂纹构件的基于断裂力学的分析为我们分析结构的疲劳提供了有力方法，那么怎样对连接细部进行合理的分析呢，现行规范主要是将各类连接分成若干构造细节，分别考量各类型构造细节的疲劳性能，进而与构件的疲劳性能分析一起来评定结构的力学行为及抗疲劳能力。

2 增强混凝土结构的韧性

混凝土是土木建筑工程中广泛应用的材料之一，它具有原材料易得，耗材低，适用面广，耐火性能好等优点，已经发展成当代社会主要的结构材料，但是结构用混凝土材料自身也不少缺点，强度偏低，自重大，抗裂性能差等等，随着材料科学的发展，出现了高强混凝土，基本解决了混凝土强度偏低的情况，但是其延性较差，那么如何改善这个性能呢，通过实试件的试验分析，我们知道混凝土的应力-应变关系曲线总的可以分为三个阶段，第一个阶段为斜直线段，材料基本保持为弹性，第二阶段为凸曲线，斜率较第一阶段小，材料弹模降低，材料的微裂缝继续发展阶段，第三阶段大量的微裂纹贯通，材料破坏，此时曲线为下降趋势，并且强度越高，曲线下降越快，变形性能较差，亦即材料较差的延性。通过这个受力变形历程，可以看出微裂纹的扩展导致了材料快速地的开裂压碎破坏。

根据能量理论，当裂纹发生扩展时，裂纹体内将有两种能量发生变化。其一是裂纹体的位能将降低而释放出一部分弹性能；另一是由于裂纹扩展形成了新裂纹表面而增加了表面能，因而要吸收一部分能量，因此，裂纹扩展的条件是裂纹体在裂纹扩展过程中能释放足够的弹性能足以提供增加表面能的需要。此外，在裂纹扩展过程中还往往伴随着动能的变化，一般缓慢扩展的裂纹其动能变化可以忽略不计。根据这个思路，分析混凝土单轴受压下应力-应变历程可以发现，当微裂纹在发展过程中如果受到一定程度阻止的话，那么混凝土开裂、压碎经进一步延缓，进而提高混凝土的强度，基于这个设想，在普通混凝土中外加纤维，交织在混凝土中的纤维起到阻裂增强的作用，那么怎样解释这个阻裂增强机理呢，如前所述，裂纹的扩展条件是开裂释放的弹性能足以支撑新裂纹表面的表面能Γ和裂纹端部新塑性区所需要的形变功UP，当(Γ+ UP)的值越大，裂纹扩展就越不容易，纤维的加入正是较大的增加(Γ+ UP)的值，一般(Γ+ UP)的值合称裂纹扩展阻力R，促使裂纹拓展的推动力就是裂纹扩展力G，亦即纤维的加入增大了裂纹扩展阻力R，根据阻力曲线及裂纹的失稳扩展条件：G≥R[4]，混凝土中纤维的掺入改变了材料的临界扩展阻力的大小，促使裂纹扩展的能量与消耗于裂纹扩展中的形变功的平衡，是裂纹处于较长时间段的稳态扩展，延缓裂纹的失稳，增加混凝土的韧性。

在土木工程中钢混凝土组合结构越来越多的采用，其中在钢混凝土组合结构中如何降低混凝土的拉应力作用是一个难点问题，考虑将受拉区的普通混凝土掺入纤维，采用纤维混凝土来降低受拉区混凝土的拉应力，可以作为解决一个解决方案。

3 讨论

断裂力学的基本方法运用于解决结构工程的问题，在钢桥及混凝土结构中具有很大优势，合理的评价钢桥的疲劳问题一直实际工程中的难点问题，对钢结构的疲劳及微裂纹的扩展的合理分析有利于评价结构的安全度及剩余疲劳寿命。混凝土的抗拉性能较差，根据断裂力学的能量观点来分析，插入适量的纤维，增加普通混凝土材料的韧性，延缓裂缝的发展，减少裂缝的产生。