理论与应用断裂力学

【摘要】：随着科学技术的发展和应用新型先进材料，桥梁结构的重量已经越来越少了。另一方面，高拉伸拉丝钢丝的强度使得钢丝的结构大跨度桥梁可能。 在交通流量不断增加的情况下，疲劳断裂随着时间的推移，桥梁结构的问题变得越来越重要，特别是对于斜拉索中的桥梁电缆和吊桥。迫切需要发展桥梁检查和维护方法科学的电缆。

【关键词】：桥梁缆索断裂 大跨度桥梁 疲劳破坏

1、案例分析

在问题的物理背景上，引入了能够描述从微观到宏观的材料破坏过程的约束应力区，从而建立了宏观/微观双尺度边缘裂缝模型。 宏观/微观双尺度应变能密度因子的表达式得到的，作为疲劳裂纹扩展的控制量。系统地开发了用于疲劳裂纹扩展的多尺度配方。 这是对这项工作中疲劳问题基本理论的主要贡献。 在所提出的方法中存在三个基本参数l *，r *和d *。 他们可以考虑几何和材料属性中的微观和宏观因素。注意，l *，r*和d*分别代表微观剪切模量与宏观剪切模量之比，约束应力与施加应力的比率以及裂纹尖端之前的微孔尺寸与材料微观结构的特征长度之比。

为了说明所提出的多尺度方法，选择杭州江东大桥进行数值计算。这座桥位于中国浙江省省会杭州。它是钱塘江上的一座自锚式悬索桥。电缆由109根平行钢丝制成直径7毫米。在有和没有交通负荷的服务期内，通过有限元法计算索力。引入两个参数a和b以解决电缆以两种不同方式的额外紧固和松动效应。确定疲劳裂纹扩展速率系数C0从疲劳实验结果来看。从数值结果可以得出结论，初始微观缺陷的大小是钢丝疲劳寿命的主导因素。通常，电缆的紧固效果会降低疲劳寿命，而松动效应会阻碍疲劳裂纹的生长。但是，结果可以在某些特定条件下反转。而且，不同三个基本参数l *，r *和d *的演化模式实际上对钢丝的疲劳裂纹扩展行为有不同的影响。最后，在这项工作中开发的方法可以适用于所有裂纹引起的多晶材料的失效问题，不仅是疲劳，还有蠕变断裂和在静态和动态负载下开裂等。

2、理论及试验分析

悬索桥和斜拉桥在现代大跨度桥梁中占主导地位，因为它们可以相对较长的主跨。悬索桥中的缆索受到载荷（包括静载荷和交通载荷）的影响，并将其转移到塔架和锚杆中。桥梁电缆由高强度钢丝制成。在最近几年电缆线的强度显着增加。最小强度范围在1470MPa和1570MPa之间波动超过50年。

悬架或斜拉桥的极限寿命主要取决于电缆的老化不同长度的电缆承受不同的应力和应变，它们的最终寿命不仅会有所不同，而且由于环境的变化它们会有不同的变化。已经进行了一些基于实验的研究。对Monte Carlo模拟进行了研究，以显示短预应力钢绞线试样和钢绞线电缆的疲劳寿命之间的关系。通过使用从预应力钢绞线试样的疲劳试验结果确定的统计数据来计算电缆寿命。基于一些疲劳试验开发了一种模型，用于预测轴向预载螺旋的自由弯曲疲劳寿命。

绞线夹在最后。讨论了位于强风区的钢梁的抖振引起的疲劳损伤问题。最近在中国已经完成了一些桥梁电缆疲劳试验，疲劳极限和疲劳寿命预测的问题很高研究了强度冷拔共析钢丝。探讨了应力腐蚀和氢脆引起的桥梁电缆线的退化问题。讨论了桥梁电缆线裂缝电位的评估方法。研究了锁定线圈电缆中的导线断裂。

然而，疲劳问题仍然是挑战，尽管这是一个老问题。总之，疲劳过程通常以任意方式分为两个阶段。第一阶段称为疲劳裂纹萌生，而第二阶段称为疲劳裂纹扩展。不同的方法分别应用于两个不同的时期。对于疲劳裂纹萌生期，经常使用Miner的疲劳累积损伤理论，包括各种改进版本。 Miner的理论是一种经验方法，它在很大程度上取决于疲劳实验。对于疲劳裂纹扩展周期，巴黎方程通常采用，其基于疲劳试验给出疲劳裂纹扩展速率da / dN与裂纹强度因子范围DK之间的关系。

面结晶聚合物约束单滑模型的背景。将准连续介质（QC）方法与连續介质缺陷模型相结合，建立了固体缺陷的耦合原子/连续模型。微裂纹对疲劳裂纹扩展力学的影响在等温淬火的球墨铸铁中，考虑了微观结构。混合模式（模式I + II），Ti-6Al-4V合金的高周疲劳阈值在几十微米到超过几十微米的裂缝尺寸范围内的影响。研究了几毫米。显示脆性材料的微裂纹导致应力强度因子（SIF）和能量释放速率的降低。采用三维有限元模拟方法研究了7075-T651铝合金微观结构小疲劳裂纹的生长情况。一个基于单调塑性区和裂纹的环状塑性区在微观结构障碍物（如晶界和相界）中的连续阻塞，提出了小疲劳裂纹扩展的微观力学描述。

但是，省略了一些重要的影响，这些影响对未来的调查仍然有用。例如，受损区域中的约束应力分布应该是不均匀的而不是均匀的。进一步的研究应该考虑这种影响。此外，材料老化和应力腐蚀也会降低寿命电缆和疲劳。如何影响材料老化，应力腐蚀和疲劳及其相互作用的影响将是一个挑战问题。包括电缆力在内的所有材料参数都是时间相关的。第一次尝试是通过将所有材料参数视为时间t的函数来完成的。困难在于如何确定这些功能。必须在微观和宏观尺度上仔细进行一些实验观察。这是将来应该解决的另一个问题。另外，已经讨论了将碳纤维电缆应用于大跨度桥梁的可能性等。碳纤维电缆耐腐蚀，重量轻，强度高于钢丝。疲劳特性与钢丝绳有很大不同。

【参考文献】：

【1】 C. Cremona. A short note on cable fatigue， in： Proceedings of the Fifth International Symposium on Cable Dynamics， Santa Margherita Ligure， Italy，September 15–18， 2003， pp. 295–302.

【2】 J.M. Stalling， K.H. Frank， Stay-cable fatigue behavior， Journal of Structural Engineering 117 （3） （1991） 936–950.

【3】 R. Mohammed， Free-bending fatigue life estimation of cables at points of fixity，Journal of Engineering Mechanics 118 （9） （1992） 1747–1764.

作者简介：石桂帅（1994.09.08-），男，汉 ，山东省临清市金郝庄镇，在读研究生，重庆交通大学，研究方向：桥梁加固与检测