断裂力学在钢桥疲劳与断裂中应用

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1、断裂力学在钢桥疲劳与断裂中应用　　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

2、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8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

3、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

4、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8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

5、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

6、纹长度），则可采用线弹性断裂力学方法进行分析。8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

7、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

8、最初被认为是“快速断裂的开始”。然而，就钢桥而言，温度和8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