断裂力学在钢桥的疲劳和断裂中的应用

摘要：

随着经济的发展和交通量的增大，我国交通线上存在了大量老龄钢桥，这些老龄钢桥承受着日益繁重的交通荷载，其疲劳剩余寿命己受到桥梁管理部门的高度重视。为确保老龄钢桥的使用安全，避免不必要的维护与更换，分析老龄钢桥疲劳与断裂的原因与疲劳破坏机理十分必要。利用断裂力学对钢桥的疲劳与断裂进行科学的分析，进行疲劳寿命估算，在实际工程中具有重要的意义。

关键词:

钢桥,老龄化,疲劳,断裂，破坏机理，断裂力学，研究意义。

中图分类号：C913.32 文献标识码：A 文章编号：

一．钢桥疲劳脆断的形式及原因

由于日益繁重的交通荷载，钢桥构件上出现了大量因疲劳和脆断而引起的局部破坏。一般都是在快速解理断裂之前疲劳裂纹即已扩展到表面，很少例外。常常有几种不同类型的裂纹出现在钢桥结构的不同细节上。

1、出于小间隙处的面外变形引起的疲劳裂纹

大多数出现在主梁腹板部分。当该变形引起的开裂出现在桥梁上时，在修复之前会有大量裂纹形成。由该变形引起的小间隙处的循环应力振幅往往很高，因此在结构体系中同时会形成许多裂纹。但是，疲劳强度较低的细节部分成较大的内部缺陷可能只产生一条很大的裂纹。在别处出现很大的损伤之前就能检测出来并修复那些潜在的裂纹部位。

面外变位引起的疲劳裂纹出现在各种桥梁结构中，其中有悬索桥、设有横梁的双主梁桥、多片主梁桥、系杆拱桥和箱梁桥。裂纹最初形成在平行于结构设计所考虑的拉应力平面内。这些平行于拉应力的裂纹如果能在转变到垂直于预定荷载产生的拉应力方向之前就被发现并修复，则它们就不会损伤结构的性能。

发生这许多裂纹是因为把这种被口焊接部件作为次要构件或附连件考虑，以至既没有建立焊缝质量判别标淮，又没有要求对受影响的焊缝进行无损探伤检验。连续纵向加劲肋的拼接处是属于这一类型的普通情况。与此类似的情况是在竖向加劲肋和水平节点板之间用挡板来施焊的坡口焊缝。在靠近主梁腹板的横向坡口焊缝处常常出现末熔透而导致裂纹。该横向焊缝与纵向焊缝相交为裂纹扩展到主梁腹板内提供了一条通道。

2、未熔透型缺陷的疲劳裂纹

发生在板件插入主梁腹板切口处的未熔透型缺陷(和裂纹)是所遇到的最严理的一种缺陷。通常这种接头借贴角焊缝或坡口焊缝焊住。无论是哪一种情况，在长度较短的竖向焊缝上留有较大的未熔透区的翼缘板侧边都会存在较大的裂纹。类似裂纹的缺陷还会产生在补焊孔和塞焊槽口或塞焊孔的地方。

3、由于细节疲劳强度较低而引起的疲劳裂纹

产生此种疲劳裂纹的主要原因是由于在最初设计时没有预计到他们会有这样低的疲劳抗力。

二．断裂力学的研究对象及方法

断裂力学是研究含裂纹物体的强度和裂纹扩展规律的科学。固体力学的一个分支，又称裂纹力学。它萌芽于20世纪20年代，其后，国际上发生了一系列重大的低应力脆断灾难性事故，促进这方面的研究，并于50年代开始形成断裂力学。根据所研究的裂纹尖端附近材料塑性区的大小，可分为线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学。

线弹性断裂力学应用线弹性理论研究物体裂纹扩展规律和断裂准则。线弹性断裂力学可用来解决脆性材料的平面应变断裂问题，适用于大型构件（如发电机转子、较大的接头、车轴等）和脆性材料的断裂分析。实际上，裂纹尖端附近总是存在塑性区，若塑性区很小（如远小于裂纹长度），则可采用线弹性断裂力学方法进行分析。

弹塑性断裂力学应用弹性力学、塑性力学研究物体裂纹扩展规律和断裂准则，适用于裂纹体内裂纹尖端附近有较大范围塑性区的情况。通常对薄板平面应力断裂问题的研究，也要采用弹塑性断裂力学。弹塑性断裂力学在焊接结构的缺陷评定、核电工程的安全性评定、压力容器和飞行器的断裂控制以及结构物的低周疲劳和蠕变断裂的研究等方面起重要作用。

断裂动力学采用连续介质力学方法，考虑物体惯性，研究固体在高速加载或裂纹高速扩展下的断裂规律。断裂动力学的主要研究内容为：①断裂准则，包括裂纹在高速加载下的响应及起始和失稳扩展准则、高速扩展裂纹的分叉判据。②高速扩展裂纹尖端附近的应力应变场。③裂纹高速扩展的极限速度。④裂纹高速扩展的停止（止裂）原理。⑤高应变率条件下的材料特性及其对高速扩展裂纹阻力的影响。⑥裂纹高速扩展中的能量转换。⑦高速碰撞下的侵彻和穿孔问题。

三．断裂力学基于钢桥疲劳与脆断的分析

桥梁结构中主要感兴趣的是与疲劳或断裂韧性有关的裂纹扩展性态。对于钢桥，实验室的研究是把结构细节的疲劳寿命用期作为应力范围的函数，把疲劳裂纹扩展速率的测量值作为应力强度因子幅值的函数。有趣的是其结果基本上与屈服强度、温度和循环频率等参数无关。

断裂韧性的测定点最初被认为是“快速断裂的开始”。然而，就钢桥而言，温度和韧性水平使裂纹延伸开始基本上以解理方式为主，这总是很快的，以致较低的韧性可能意味着危险，从而最初关于测定点的概念“快速断裂开始”是可应用的。

这一测定的值一般称为或。(裂纹前沿的拘束度约相当于平面应变)，其断裂韧性值随着试验的温度降低和加载的速度增加而降低。

图1 活载时应力增加示意图

对于桥梁结构中的裂纹，共加载情况与断裂韧性试验中采用的有很大差别，必须予以特别注意。当货车交通量在桥上通过时，带有裂纹的结构部位承受活载，其应力增加情况有点像上图所描述的那样，活载产生的名义应力的增量BC段与恒载产生的名义应力OA段相比一般是很小的。当货车或铁路列车作用在桥梁上时，从测量结果看活载增量正好发生在属于0.1秒或稍长一点的数量级上。上图中所承的这一时间增量的加载速度相当于从0到满载OBC断，整个时间至少1秒。关于加载速度对断裂韧性降低的影响，加载途径ABC不如加载途径OBC严重。关于桥梁结构加载速度的影响，常常以大约1秒荷载增加时间测定断裂韧性的方法来提供一个略偏保守的匹配。另一方面，当活载与恒载之比很小时，相应的或值可能是通常的“静力”加载速率时，即荷载增长时间属于1分钟数量级时测量的韧性值。

许多结构的细节当初设计时没有预料到会有如此低的疲劳抗力，所以产生了疲劳裂纹扩展并最终导致脆性破坏。

较多的情况是，有些焊缝被认为不太重要，以致质量欠佳，或者因为质量控制原因不能发现裂纹和缺陷，从而制造时结构内常常存在着较大的初始缺陷和裂纹。当作用循环应力超过门槛值时就导致了疲劳裂纹扩展。在某些情况下，裂纹的不断扩展导致了整个断面的脆性断裂。

开裂的初始情况一般来说是与低疲劳强度细节或制造时在结构构件和附连件中残留较大的缺陷有关。由于连接的几何形状和复杂性，有些缺陷往往没有被认为是类裂纹状态，这出现在板穿透构件的情况中，即板梁翼缘穿过切开腹板后再用贴角焊或不熔透坡口焊缝连接。另一类常见的类裂纹状态是由补焊孔和较短的坡口焊接插板而产生的。这些形成了类裂纹非连续性并承受着较高焊接残余拉应力。

桥梁结构中曾发生过的最普遍的疲劳裂纹的类型都是次应力和(或者)变位引起的循环应力的结果。这类问题的发生是由于在纵向和横向构件之间的未预见的相互影响。一般情况下，次应力和变位引起的循环应力的影响在节点处可见到。主梁腹板上常有的小间隙或者有大于预期的约束时，间隙区域就会产生循环应力的几何放大作用，从而导致开裂。

此类开裂已经发生在多种桥梁结构中。在悬索桥的纵梁和横梁的连接处，纵梁的腹板上发生开裂。在系杆拱桥的横梁腹板上发生裂纹。格子梁桥纵向主梁的腹板中也发生过裂纹。多梁桥的裂缝发生在与横撑架和横隔板处的主梁腹板中，至少有过一起箱型板梁桥结构在其内部横撑架的主梁腹板上发生了裂纹。裂纹扩展多数是发生在焊接结构中，因其焊趾通常处于高的循环应力区。

四．断裂力学在钢桥疲劳与脆断中的发展前景

从大量钢桥构件断裂的事故分析中发现，断裂皆与结构中存在缺陷或裂纹有关。传统的设计思想把材料视为无缺陷的均匀连续体，而现今工程实际中的构件或材料都不可避免地存在着缺陷和裂纹，因而实际构件中抗力强度大大低于理想模型的强度。断裂力学则是从钢构件或材料内部存在缺陷或裂纹这一基础事实出发，恰恰弥补了传统设计思想这一严重的不足。

断裂力学是以变形体力学为基础，研究含缺陷（或裂纹）材料和结构的抗断裂性能，以及在各种工作环境下裂纹的平衡、扩展、失稳及止裂规律的一门学科。同时，它还是一个新兴学科，其基本理论、测试技术和应用计算方法等还有许多争议和不成熟之处而正处于发展之中。虽然断裂研究的许多领域仍在发展阶段，但许多国家已将较成熟的部分制定了断裂控制新标准及设计规范。

断裂力学的建立，在不可避免地存在缺陷或裂纹的构件中，可以防止工程事故的发生，减少不应有的损失，对于工程实际问题具有重大的实用价值和经济意义。

参 考 文 献

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