斷裂力學(xué)在橋梁工程中的應(yīng)用

習(xí)鳳

【摘要】 敘述了斷裂力學(xué)形成過程和發(fā)展，簡要介紹了計算斷裂力學(xué)理論，并通過與橋梁工程實踐相結(jié)合，介紹斷裂力學(xué)在橋梁工程中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】 斷裂力學(xué)；橋梁工程；應(yīng)用；裂紋

斷裂力學(xué)是近幾十年發(fā)展起來的新的力學(xué)分支，它主要是利用連續(xù)體力學(xué)的原理，從這個角度出發(fā)，研究含缺陷或裂紋的物體在外界條件（荷載、溫度、介質(zhì)腐蝕、中子輻射等）作用下宏觀裂紋的發(fā)展、失穩(wěn)、開裂、傳播和止裂規(guī)律，斷裂力學(xué)應(yīng)用力學(xué)成就研究含缺陷材料和結(jié)構(gòu)的破壞問題，由于它與材料或結(jié)構(gòu)的安全問題直接相關(guān)，它雖然起步晚，但實驗與理論均發(fā)展迅速，并在工程上得以廣泛應(yīng)用。

1 斷裂力學(xué)的形成和發(fā)展

斷裂力學(xué)是一門現(xiàn)在仍在不斷發(fā)展和完善的科學(xué)，因此，它是具有前沿性和挑戰(zhàn)性的研究成果。20世紀(jì)20年代起到50年代末期，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家逐漸形成斷裂力學(xué)這樣一門新興的強度科學(xué)。大量斷裂事故分析表明，斷裂起源于構(gòu)件有缺陷。傳統(tǒng)的設(shè)計思想存在一個嚴(yán)重問題，就是把材料作為無缺陷的均勻連續(xù)體。在傳統(tǒng)的強度理論中，均假定材料是連續(xù)固體，為保證構(gòu)件安全的工作，要控制構(gòu)件應(yīng)力不超過該材料的對應(yīng)的限定值，即σ≤[σ]。其中為構(gòu)件的應(yīng)力；[σ]為構(gòu)件的限定應(yīng)力，該限定值是根據(jù)材料試驗后考慮一點的安全度確定下來的。而實際上構(gòu)件總存在不同形式的缺陷，因此實際材料的強度要大大低于理論模型的強度。斷裂力學(xué)就是研究有裂縫的構(gòu)件在各種環(huán)境條件下（荷載、溫度變化、化學(xué)腐蝕）裂縫的平衡、擴(kuò)展和失穩(wěn)的規(guī)律，并且研究構(gòu)件強度條件的一門學(xué)科。顯然它要研究裂紋尖端區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)變狀態(tài)和位移狀態(tài)，研究裂縫本身抵抗裂縫擴(kuò)展的能力，還要研究測定這種抵抗能力的方法和標(biāo)準(zhǔn)。通過對構(gòu)件的分析，運氣斷裂力學(xué)的觀點、判據(jù)能把構(gòu)件內(nèi)部裂紋的大小和構(gòu)件工作應(yīng)力，以及材料抵抗斷裂的能力定量聯(lián)系起來，從而可對含裂紋構(gòu)件的安全性和壽命給出定量或半定量的估計，這就為工程構(gòu)件的安全設(shè)計、制定合理的驗收標(biāo)準(zhǔn)和原材原則提供了新的理論基礎(chǔ)。

2 淺談斷裂力學(xué)理論

簡單說來，斷裂力學(xué)就是研究裂紋的力學(xué)。它研究裂紋擴(kuò)展的規(guī)律，研究材料的強度與韌性的關(guān)系，研究帶有裂紋的物體在外力作用下應(yīng)力應(yīng)變的規(guī)律及其判據(jù)，其主要分為線彈性斷裂力學(xué)和彈塑性斷裂力學(xué)。

線彈性斷裂力學(xué)的研究對象是帶有裂紋的線彈性體，其斷裂類型主要有三種，各種復(fù)雜的斷裂形式都可以分解為這三種。這三種斷裂類型分別為Ⅰ型裂紋、Ⅱ型裂紋和Ⅲ型裂紋（如圖1所示）。其中Ⅰ型斷紋屬于張開型斷裂，Ⅱ型裂紋屬于滑移型裂紋，Ⅲ型裂紋屬于撕裂型斷裂，前兩種都屬于平面問題，第三種屬于反平面問題，其中以第一種裂紋形式為最常見、最基本也最危險，通常對其研究得也最多。

目前，對于裂紋的研究，主要是以Trwin的應(yīng)力強度因子理論。應(yīng)力強度因子K1是度量裂紋端部應(yīng)力場強弱程度的一個參量。裂紋尖端是一個奇點，它隨著荷載σ增加而增加，當(dāng)荷載增大到某一臨界值時，構(gòu)件就發(fā)生破壞，此時，應(yīng)力強度因子K1也達(dá)到了某一臨界值Kcro，這樣，對于帶裂紋的構(gòu)件來說，其強度準(zhǔn)則就應(yīng)該是K1

對于那些裂紋端部已有很大塑性區(qū)的大范圍屈服斷裂問題和全面屈服斷裂問題，線彈性斷裂理論已不再適用，而必須采用彈塑性斷裂理論來進(jìn)行分析。當(dāng)前，用于彈塑性斷裂的方法主要有COD和J積分法。當(dāng)裂紋受到垂直于裂紋線方向的拉伸時，原先貼和在一起的上、下兩個裂紋面就將分離，從而使裂紋張開，裂紋面在裂紋頂端的張開位移量就是所謂的COD，可以用來間接地度量裂紋端部的應(yīng)力、應(yīng)變場強度。J積分法是采用一種與積分路徑無關(guān)的積分來分析缺陷周圍的應(yīng)力和應(yīng)變場，它可以作為裂紋端部應(yīng)力、應(yīng)變場強度的度量。當(dāng)此J積分值達(dá)到某一臨界值時，裂紋就開始擴(kuò)展。此臨界值就是材料的斷裂韌性。

3 斷裂力學(xué)在橋梁工程中的應(yīng)用淺述

斷裂力學(xué)的應(yīng)用從60年代起就顯示了它巨大的作用，從而推動了斷裂力學(xué)本身理論和實驗技術(shù)的發(fā)展。近年來，斷裂力學(xué)的應(yīng)用得到很大的重視，它的應(yīng)用范圍極其廣泛。

在橋梁工程中，混凝土作為一種常見的非均勻的結(jié)構(gòu)材料，其中含有微裂紋，甚至有宏觀的缺陷如裂紋、夾碴、孔穴等?；炷恋膹姸取⒆冃魏推茐男阅芏寂c裂紋的擴(kuò)展有關(guān)。基于斷裂力學(xué)理論，混凝土的破壞是由于對象體系中潛在的各種缺陷引起的，其破壞過程實際上就是微裂縫萌生、擴(kuò)展、貫通，直到產(chǎn)生宏觀裂縫，導(dǎo)致混凝土失穩(wěn)破壞的過程。因此，運用斷裂力學(xué)理論可以建立帶有裂紋的有限元模型，進(jìn)而對其進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的極限承載力。

目前分析橋梁結(jié)構(gòu)極限承載力的方法很多，但基本上都是利用有限元方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對于鋼筋，在混凝土發(fā)生斷裂破壞時，鋼筋還處于線彈性階段。對于混凝土材料來說，由于混凝土本身性能的復(fù)雜性，基本上是通過試驗數(shù)據(jù)回歸擬合而得。斷裂力學(xué)為我們提供了一個很好的衡量混凝土抗裂性的指標(biāo)——斷裂韌性。它揭示了材料的裂紋和強度的內(nèi)在規(guī)律，反映了材料的一項新的力學(xué)性能。一項新指標(biāo)的確立，必然會帶來一批具有更優(yōu)越性能的新型材料。我們可以根據(jù)此指標(biāo)指導(dǎo)材料的配方、工藝、生產(chǎn)，設(shè)計具有要求性能的新材料、新品種。國外對纖維混凝土等新品種混凝土的研究，就是用斷裂韌性為指標(biāo)的。

斷裂力學(xué)理論研究和裂紋測試技術(shù)的發(fā)展，引入混凝土領(lǐng)域中，必將對混凝土的破壞理論的研究、發(fā)展起促進(jìn)作用，應(yīng)用斷裂力學(xué)的理論結(jié)合有限元模型可以判斷橋梁極限承載力，避免橋梁事故的發(fā)生。

4 結(jié)束語

斷裂力學(xué)理論是在現(xiàn)實生活中重多的災(zāi)難斷裂事故中形成，并在不斷發(fā)展和完善起來的。斷裂力學(xué)涉及面很廣，有金屬物理學(xué)、冶金學(xué)、材料科學(xué)、計算數(shù)學(xué)等多學(xué)科內(nèi)容，現(xiàn)在乃至將來一段時間內(nèi)仍將處于發(fā)展研究階段。斷裂力學(xué)在橋梁工程中的應(yīng)用一方面促進(jìn)和豐富了橋梁理論的發(fā)展，另一方面，斷裂力學(xué)在橋梁工程中的應(yīng)用，反過來也會對斷裂力學(xué)的內(nèi)容，給予極大的提升和發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳慶豐.黨華.斷裂力學(xué)的形成發(fā)展與應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古石油化工，2011（22）：68-69

[2]康穎安.斷裂力學(xué)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報，2006

[3]辛德臣.淺談斷裂力學(xué)的創(chuàng)立和發(fā)展[J].大慶師院學(xué)院學(xué)報.2005