断裂力学在工程结构中应用

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1、断裂力学在工程结构中应用　　摘要：断裂力学理论经过几十年的发展已日渐成熟。实际工程结构发生破坏必然伴随着裂纹的产生与扩展，应用断裂力学理论，分析钢筋混凝土结构和钢结构受载过程中裂纹扩展情况，提出结构设计施工的改进措施，有助于理论与实践的协调统一。关键词：断裂力学；钢筋混凝土结构；钢结构；焊接中图分类号：O346.1文献标识码：A文章编号：一、前言断裂力学是固体力学中近几十年才发展起来的一个重要分支，它的最大特点是假设构件或材料已带有裂纹（即缺陷）。在此之前，工程师们按照传统的强度理论进行构件设计，即材料强度满足许用应力，但在实际使用中，有些结构常常会意外的发生低应

2、力脆性断裂事故。起初，人们以为这些事故是由偶然因素造成的，并未引起重视。但随着社会的进步和科技的发展，高强焊接钢结构广泛使用，这类灾难性事故有增无减，直到五十年代美国“北极星”导弹固体燃料发动机壳在实验时发生爆炸事故，才普遍地引起了人们的重视。8科学工作者通过对断裂事故的调查分析，发现构件脆断时材料的工作应力远远低于其屈服强度，因此，这些事故不能再用传统的材料力学的强度理论来解释，而大量的实验研究说明低应力脆性断裂总是由裂纹扩展所导致的，这就催生了研究含裂纹物体的强度和裂纹扩展规律的学科—断裂力学。二、断裂力学的发展断裂力学分为宏观断裂力学（工程断裂力学）和微观断

3、裂力学（属金属物理范畴）。宏观断裂力学通常又分为弹性断裂力学、弹塑性断裂力学。1、弹性断裂力学弹性断裂力学包括线性弹性断裂力学和非线性弹性断裂力。1921年，A.A.Griffith首先用弹性体能量平衡的观点研究了玻璃、陶瓷等脆性材料，提出了脆性材料裂纹扩展的能量准则；1955年，G.R.Irwin分析裂纹尖端应力应变场后，将应力强度因子作为新的断裂参量，并建立断裂判据，形成应力强度因子断裂准则。2、弹塑性断裂力学8弹塑性断裂力学包括小范围屈服断裂力学和大范围屈服断裂力学及全面屈服断裂力学。由于线弹性断裂力学是把材料作为理想线弹性体，但实际上，由于裂纹尖端应力高度

4、集中，在裂纹尖端附近必然存在塑性区。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。但当裂纹尖端附近发生大范围屈服或全面屈服，即塑性区尺寸与裂纹长度相比不可忽略时，线弹性断裂力学则不再适用。1965年，A.A.Wells提出了弹塑性条件下裂纹的起裂准则—COD准则；1968年，Rice提出将围绕含裂纹体裂纹尖端的一个与路径无关的回路积分（J积分），作为表示裂纹尖端应变集中特性的平均参量；在此之后，弹塑性断裂力学又有些新的发展。目前，弹塑性断裂准则分为两类，第一类准则以裂纹开裂为根据，如COD准则、J积分准则；第二类准则以裂纹失效为根据，如R阻

5、力曲线法，非线性断裂韧度G法。三、裂纹的分类断裂力学研究材料和工程结构中裂纹扩展规律，而结构中裂纹主要有三类：Ⅰ型，张开型；Ⅱ型，滑移型；Ⅲ型，撕裂型。结构中多数裂纹为复合型裂纹，研究表明，Ⅰ型裂纹最常见、最危险、最重要。四、断裂力学的应钢筋混凝土结构和钢结构都是现今工程结构中应用广泛的结构形式。在结构工作的过程中经常伴随着裂纹的出现和扩展，正是断裂力学研究的重点对象。1、钢筋混凝土结构8钢筋混凝土结构是一种由两种力学性能完全不同的材料——钢筋和混凝土结合在一起而共同发挥作用的建筑结构。它在荷载作用下，由于混凝土的抗拉强度很低而容易开裂，带裂纹工作就使得结构很多方

6、面的性能大大降低。其中承受较大弯矩的截面首先开裂，开裂截面的应力重分布，使得钢筋的应力突增，但由于钢筋的抗压抗拉强度均较高，可以阻止裂纹的扩展，使结构得以保持稳定。（1）断裂力学受力分析根据混凝土的材料特性和梁的受力特点，混凝土梁中的裂纹一般属于Ⅰ型裂纹，即张开型裂纹。应用断裂力学知识，以一条裂纹为例（如图一），当裂纹越过钢筋时，可将裂纹的受力状态分解为两种状态A和B的叠加。A状态仅考虑混凝土的情况，B状态则将一对集中力代替钢筋作用，只是在裂纹发展的不同阶段，这对集中力的大小和作用点均有所改变。将A、B状态下的应力强度因子叠加即可得到裂纹的应力强度因子，即。图一钢

7、筋混凝土结构裂纹受力机理结构中存在裂纹时，裂纹是否失稳扩展取决于应力强度因子的大小。当裂纹的应力强度因子小于材料的断裂韧性时，裂纹将停止扩展而暂时稳定；当裂纹的应力强度因子等于或大于材料的断裂韧性时，裂纹扩展。钢筋混凝土结构在浇筑过程中，由于材料沉降、温度变化等因素，其内部骨料与水泥砂浆之间必然会产生很多微裂纹。结构在承受荷载过程中，随着荷载的增加，部分裂纹会扩8展，并伴随着新裂纹的出现，结构中钢筋受力增大，但是作用点逐渐远离裂纹面，裂纹不断扩展。当钢筋的作用力达到钢筋的屈服强度时，钢筋作用趋于稳定，但其作用力不足以使裂纹的应力强度因子小于混凝土的断裂韧性，裂纹失

8、稳扩展，结