断裂力学及其在桥梁裂纹检测中的应用

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1、断裂力学及其在桥梁裂纹检测中的应用摘要：桥梁检测评价对桥梁的安全使用具有不同寻常的重要性及意义。断裂力学是一种可以有效预测桥梁疲劳剩余寿命的方法之一，并克服了经典疲劳分析方法的不足。本文从断裂力学角度出发，首先介绍了断裂力学的基本理论方法，分析了裂纹形成的机理和受力原因，进一步提出桥梁结构件断裂力学分析模型。应用三角形退化单元建立简化的中心裂纹断裂有限元模型（CCT），对检测出的桥梁裂纹从初始裂纹阶段到临界裂纹阶段的模拟，得出桥梁结构件的剩余使用寿命。为评估桥梁寿命与安全使用做参考。关键词：断裂力学，桥梁裂纹，检测，剩余使用寿命Fracturemech

2、anicsanditsapplicationinbridgecrackdetectionAbstract：Bridgeinspectionevaluationhasunusualimportanceandsignificanceforthesafeuseofthebridge.Fracturemechanicsisaneffectiveresidualfatiguelifepredictionofthebridgeapproachandovercometheshortcomingsofclassicalfatigueanalysismethods.Th

3、ispaperintroducesthebasictheoryoffracturemechanicsanalyzesthemechanismandcausesofstresscrackformationfromtheviewpointoffracturemechanics,furtherproposedbridgestructurefracturemechanicsanalysismodel.Triangledegradedunitisusedtoestablishasimplifiedfiniteelementmodelofacentralcrack

4、fracture(CCT)todetectcracksfromtheinitialstagetosimulatecriticalcrackstage,drawtheremaininglifeofthebridgestructuresinordertoassessthelifeandsafetyofthebridgeasareference.Keywords:fracturemechanics,bridgecrake,detection,RUL1.前言工程断裂是危险性和破坏性较大的事故[1]。飞机机身和船体开裂，天然气和其他压力管道的裂纹扩展，铁轨疲劳断

5、裂，压力容器发生破裂等事故屡有发生。根据美国和欧共体的权威专业机构统计：世界上由于机件、构件及电子元件的断裂、疲劳、腐蚀、磨损破坏造成的经济损失高达各国国民生产总值的6%~8%。因此，开展断裂力学的研究意义重大，将会防范上述的破坏行为，降低由断裂和破坏造成的经济损失，显著减少事故的发生。桥梁建设是国家重要的基础设施建设之一，桥梁工程是关系社会和经济协调发展的生命工程[2]。桥梁建设的快速发展，需要巨大的资金投入，在经济社会中的地位显赫，使得人们对桥梁的安全性、耐久性的重视越来越高。另外，现役桥梁实际通行荷载越来越大，甚至远远超出其设计载荷。同时随着时间

6、的推移，公路桥梁在长期的自然环境（大气腐蚀、温度、湿度变化）和使用环境（荷载作用，材料和结构的疲劳）的作用下，总会逐渐产生损伤现象。实践证明，断裂力学方法可以有效预测桥梁的疲劳剩余寿命，并可克服经典疲劳分析方法的不足。基于断裂力学预测剩余寿命及安全性的一般过程可以分为4步：首先确定临界构件（杆件或节点板），并验算这些构件的构造强壮度；进而对那些没有足够强壮度的构件计算其最大容许裂纹大小；然后计算从裂纹探测长度或初始裂纹长度至断裂的裂纹增长时间，并验算是否超出正常可接受的检测间隔；最后对那些剩余寿命小于正常检测间隔的构件进行必要的加强，以延长整个桥梁的使

7、用寿命。桥梁检测评价的重要性及意义如下：1)桥梁由于运营多年，主要部位出现缺陷，如裂纹、错位、沉降等，通过检查确定桥梁各部位损伤的程度及实际承载能力。1)原来按旧标准规定的载荷等级设计的桥梁，现在由于交通量的不断增加，车辆载重的不断加大，对桥梁通过能力和承载能力的要求愈来愈高。通过检查评价，可确定原来桥梁的等级，从而决定是否需要通过加固来提高其荷载等级。2)随着我国现代化工业建设的发展，特大型工业设备、集装箱运输逐渐频繁，超重车辆过桥的情况时有发生，通过检查评价，可确定超重车辆是否能安全通过，并为临时加固提供技术资料。3)桥梁遭受特大灾害时，如发生泥石

8、流、地震、洪水等而受到严重损坏，或在建造、使用过程中发生严重缺陷（如质量事故、过度的变形和严重