断裂力学理论在桥梁结构承载能力评估中的应用

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1、22桥梁检测与加固2008年第1期断裂力学理论在桥梁结构承载能力评估中的应用赵少杰，肖仕伟(1．中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司，湖北武汉430034；2．中国华西工程设计建设有限公司，四川成都610031)摘要：采用断裂力学理论对钢桥节点承载力和高强度螺栓强度进行分析，结果表明该理论力学概念明晰，可操作性强，得出的结论合理可靠。关键词：断裂力学；承载能力；应力强度因子1引言Ⅲ型裂纹断裂力学是5O年代发展起来的固体力学新分图13种裂纹类型支。它从宏观连续介质力学角度出发，研究含缺陷界应力强度因子或称断裂韧性，记作K。大量含或裂纹的物体在

2、外界条件作用下裂纹的扩展开裂等裂纹断裂件的分析和实验表明，对于每一种特定工规律，是研究带有初始缺陷材料强度的有力工具，结艺状态下的材料，y一常数。该常数可通过试合现代无损探伤技术，能够克服传统强度理论的局验测定。这样根据应力强度因子K和断裂韧度K限。由于线弹性断裂力学理论发展最为成熟，因此就可建立起不发生低应力脆性断裂的K判据：它在工程应用中也最为广泛，特别是在钢或混凝土KI≤KIc(2)桥梁结构承载能力评估和疲劳寿命预测方面得到广K判据方法可以简单归纳出：①已知材料断裂泛应用。现今，随着概率统计方法的盛行，基于可靠韧度Kc值，通过无损探伤测得

3、构件中实际裂纹的性理论的概率断裂力学理论也得到快速发展和分布位置、儿何形状和尺寸。根据实际边界条件，按应用。K判据计算确定构件容许承载应力，从而为设计提供依据；②已知材料断裂韧度K值和构件最大工作应力，按K判据确定结构允许的最大裂纹尺寸2断裂力学基本原理以，为制定裂纹探伤标准和材料质量检验标准提供应力强度因子是断裂力学中最基本的概念。断依据；③已知构件最大工作应力、初始裂纹尺寸及裂力学中的假设材料存在初始裂纹。根据裂纹受力几何形状，由K判据确定材料应有的断裂韧度Kc情况与裂纹面的位移方式，将裂纹分为3种基本类值，为选用材料和制订机械加工及热处理

4、工艺等提型E，即：I型或张开型(拉裂型)；lI型或滑移型(面供依据。内剪切型)；I]I型或撕裂型(面外剪切型)。见图1。K判据适用于高强度、超高强度材料的脆性断应力强度因子定义为：裂，中、低强度材料的低应力脆性破坏也是适用的。KI—Ya(1)在弹塑性情况下，线弹性K判据已经不再适用，必式中，y为裂纹形状修正因子，它与受力情况、裂纹须用弹塑性断裂力学的方法处理。类型以及位置等有关。对于特定构件，随着应力的增加或裂纹长度盘的增加，当K增加到某一临界3工程应用实例值时，裂纹尖端区域足够大的体积内都达到了材料的强度极限而导致裂纹的迅速扩展，这时的K叫临

5、3．1钢桥焊接节点承载力的断裂力学方法评定收稿日期：2O08—11—10作者简介：赵少杰(1982-)，男，助理工程师，2005年毕业于西南交通大学土木工程专业，丁学学士，2007年毕业于西南交通大学桥隧专业，工学硕士。总第1期断裂力学理论在桥梁结构承载能力评估中的应用23正在建设的贵州坝陵河大桥为单跨简支钢桁加表110．9S级M22高强度螺栓参数劲梁悬索桥，采用整体节点技术。由于整体节点由板材焊接而成的，故它的强度问题与焊接质量密切相关。假设板材中有裂纹，且为工程上常见的平板表面半椭圆裂纹，短长半径之比a／2c为o．1O，裂3．2．1高强度螺

6、栓的静载强度纹面位置垂直最大拉应力方向，由文献[3]，平板表连接用的螺纹通常是三角螺纹，螺栓受力时，在面半椭圆裂纹的应力强度计算因子为：螺纹根部将产生较大的集中应力，且螺纹根部在加KM1M2(3)工过程中容易出现初始裂纹。理想的三角螺纹由于螺纹升角很小，可用切VI圆柱近似引，见图2。式中，M】为前自由界面修正系数；为后自由界面修正系数。对于一般有限宽板，当构件尺寸远远大于裂纹的初始尺寸时，MM2可近似取1．12；Q是考虑了屈服区域内应力松弛效果后的裂纹形状因子，对平面应变情况，Q一一0．212(旦)；而对于其平面应力情况，Q===，为完整的第二

7、类椭圆积分。偏于安全考虑，取Q=0．88，对于低合金钢，文图2螺栓断裂模型根据文献[5]，该断裂模型的拉伸应力强度因子献[4]给出K为44MPa·m专。通过节点模型试如下：验，在1．2倍设计荷载下节点最大拉应力约293MPa，取M】一1．12，一225MPa，则由(3)式，可KI一(粤)．·(4)得临界裂纹尺寸：440×088．式中，形状因子-厂(≥)===11+0．5(鲁)+0．375X以c一一314X1．122X293~mm．可见，在1．2倍设计荷载作用下，结构容许的裂(鲁)一0．363(b)。+0．731(鲁)]1～(鲁)；6为纹尺寸需要

8、小于5mm。对于实际节点超声探伤合芯部尺寸；d为螺纹外径；为实际截面应力；口为裂格，未发现裂纹，考虑到超声波探伤精度白在2．51Tim纹长度，盘一1／