斷裂力學(xué)在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

1、<p>　　斷裂力學(xué)在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用</p><p>　　摘要：斷裂力學(xué)理論經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展已日漸成熟。實(shí)際工程結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞必然伴隨著裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展，應(yīng)用斷裂力學(xué)理論，分析鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)受載過(guò)程中裂紋擴(kuò)展情況，提出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工的改進(jìn)措施，有助于理論與實(shí)踐的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：斷裂力學(xué)；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；鋼結(jié)構(gòu)；焊接 </p><

2、p>　　中圖分類(lèi)號(hào)： O346.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： </p><p><b>　　一、前言 </b></p><p>　　斷裂力學(xué)是固體力學(xué)中近幾十年才發(fā)展起來(lái)的一個(gè)重要分支，它的最大特點(diǎn)是假設(shè)構(gòu)件或材料已帶有裂紋（即缺陷）。在此之前，工程師們按照傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)，即材料強(qiáng)度滿(mǎn)足許用應(yīng)力，但在實(shí)際使用中，有些結(jié)構(gòu)常常會(huì)意外的發(fā)生低應(yīng)力脆性斷

3、裂事故。起初，人們以為這些事故是由偶然因素造成的，并未引起重視。但隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，高強(qiáng)焊接鋼結(jié)構(gòu)廣泛使用，這類(lèi)災(zāi)難性事故有增無(wú)減，直到五十年代美國(guó)“北極星”導(dǎo)彈固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)殼在實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)生爆炸事故，才普遍地引起了人們的重視。 </p><p>　　科學(xué)工作者通過(guò)對(duì)斷裂事故的調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)構(gòu)件脆斷時(shí)材料的工作應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其屈服強(qiáng)度，因此，這些事故不能再用傳統(tǒng)的材料力學(xué)的強(qiáng)度理論來(lái)解釋?zhuān)罅康膶?shí)驗(yàn)研究說(shuō)

4、明低應(yīng)力脆性斷裂總是由裂紋擴(kuò)展所導(dǎo)致的，這就催生了研究含裂紋物體的強(qiáng)度和裂紋擴(kuò)展規(guī)律的學(xué)科—斷裂力學(xué)。 </p><p>　　二、斷裂力學(xué)的發(fā)展 </p><p>　　斷裂力學(xué)分為宏觀斷裂力學(xué)（工程斷裂力學(xué)）和微觀斷裂力學(xué)（屬金屬物理范疇）。宏觀斷裂力學(xué)通常又分為彈性斷裂力學(xué)、彈塑性斷裂力學(xué)。 </p><p><b>　　1、彈性斷裂力學(xué) </b&

5、gt;</p><p>　　彈性斷裂力學(xué)包括線(xiàn)性彈性斷裂力學(xué)和非線(xiàn)性彈性斷裂力。1921年，A.A.Griffith首先用彈性體能量平衡的觀點(diǎn)研究了玻璃、陶瓷等脆性材料，提出了脆性材料裂紋擴(kuò)展的能量準(zhǔn)則；1955年，G.R.Irwin分析裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)后，將應(yīng)力強(qiáng)度因子作為新的斷裂參量，并建立斷裂判據(jù)，形成應(yīng)力強(qiáng)度因子斷裂準(zhǔn)則。 </p><p>　　2、彈塑性斷裂力學(xué) </p&

6、gt;<p>　　彈塑性斷裂力學(xué)包括小范圍屈服斷裂力學(xué)和大范圍屈服斷裂力學(xué)及全面屈服斷裂力學(xué)。由于線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)是把材料作為理想線(xiàn)彈性體，但實(shí)際上，由于裂紋尖端應(yīng)力高度集中，在裂紋尖端附近必然存在塑性區(qū)。若塑性區(qū)很小（如遠(yuǎn)小于裂紋長(zhǎng)度），則可采用線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)方法進(jìn)行分析。但當(dāng)裂紋尖端附近發(fā)生大范圍屈服或全面屈服，即塑性區(qū)尺寸與裂紋長(zhǎng)度相比不可忽略時(shí)，線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)則不再適用。1965年，A.A.Wells提出了彈塑性條件

7、下裂紋的起裂準(zhǔn)則—COD準(zhǔn)則；1968年，Rice提出將圍繞含裂紋體裂紋尖端的一個(gè)與路徑無(wú)關(guān)的回路積分（J積分），作為表示裂紋尖端應(yīng)變集中特性的平均參量；在此之后，彈塑性斷裂力學(xué)又有些新的發(fā)展。目前，彈塑性斷裂準(zhǔn)則分為兩類(lèi)，第一類(lèi)準(zhǔn)則以裂紋開(kāi)裂為根據(jù)，如COD準(zhǔn)則、J積分準(zhǔn)則；第二類(lèi)準(zhǔn)則以裂紋失效為根據(jù)，如R阻力曲線(xiàn)法，非線(xiàn)性斷裂韌度G法。 </p><p><b>　　三、裂紋的分類(lèi) </b&g

8、t;</p><p>　　斷裂力學(xué)研究材料和工程結(jié)構(gòu)中裂紋擴(kuò)展規(guī)律，而結(jié)構(gòu)中裂紋主要有三類(lèi)：Ⅰ型，張開(kāi)型；Ⅱ型，滑移型；Ⅲ型，撕裂型。結(jié)構(gòu)中多數(shù)裂紋為復(fù)合型裂紋，研究表明，Ⅰ型裂紋最常見(jiàn)、最危險(xiǎn)、最重要。 </p><p><b>　　四、斷裂力學(xué)的應(yīng) </b></p><p>　　鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)都是現(xiàn)今工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛的結(jié)構(gòu)形式。在

9、結(jié)構(gòu)工作的過(guò)程中經(jīng)常伴隨著裂紋的出現(xiàn)和擴(kuò)展，正是斷裂力學(xué)研究的重點(diǎn)對(duì)象。 </p><p>　　1、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) </p><p>　　鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是一種由兩種力學(xué)性能完全不同的材料——鋼筋和混凝土結(jié)合在一起而共同發(fā)揮作用的建筑結(jié)構(gòu)。它在荷載作用下，由于混凝土的抗拉強(qiáng)度很低而容易開(kāi)裂，帶裂紋工作就使得結(jié)構(gòu)很多方面的性能大大降低。其中承受較大彎矩的截面首先開(kāi)裂，開(kāi)裂截面的應(yīng)力重分布，使得

10、鋼筋的應(yīng)力突增，但由于鋼筋的抗壓抗拉強(qiáng)度均較高，可以阻止裂紋的擴(kuò)展，使結(jié)構(gòu)得以保持穩(wěn)定。 </p><p>　　（1）斷裂力學(xué)受力分析 </p><p>　　根據(jù)混凝土的材料特性和梁的受力特點(diǎn)，混凝土梁中的裂紋一般屬于Ⅰ型裂紋，即張開(kāi)型裂紋。應(yīng)用斷裂力學(xué)知識(shí)，以一條裂紋為例（如圖一），當(dāng)裂紋越過(guò)鋼筋時(shí)，可將裂紋的受力狀態(tài)分解為兩種狀態(tài)A和B的疊加。A狀態(tài)僅考慮混凝土的情況，B狀態(tài)則將一對(duì)集

11、中力代替鋼筋作用，只是在裂紋發(fā)展的不同階段，這對(duì)集中力的大小和作用點(diǎn)均有所改變。將A、B狀態(tài)下的應(yīng)力強(qiáng)度因子疊加即可得到裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子，即 。 </p><p>　　圖一鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂紋受力機(jī)理 </p><p>　　結(jié)構(gòu)中存在裂紋時(shí)，裂紋是否失穩(wěn)擴(kuò)展取決于應(yīng)力強(qiáng)度因子的大小。當(dāng)裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子小于材料的斷裂韌性時(shí)，裂紋將停止擴(kuò)展而暫時(shí)穩(wěn)定；當(dāng)裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子等于或大于材料的斷裂

12、韌性時(shí)，裂紋擴(kuò)展。 </p><p>　　鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在澆筑過(guò)程中，由于材料沉降、溫度變化等因素，其內(nèi)部骨料與水泥砂漿之間必然會(huì)產(chǎn)生很多微裂紋。結(jié)構(gòu)在承受荷載過(guò)程中，隨著荷載的增加，部分裂紋會(huì)擴(kuò)展，并伴隨著新裂紋的出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)中鋼筋受力增大，但是作用點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離裂紋面，裂紋不斷擴(kuò)展。當(dāng)鋼筋的作用力達(dá)到鋼筋的屈服強(qiáng)度時(shí)，鋼筋作用趨于穩(wěn)定，但其作用力不足以使裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子小于混凝土的斷裂韌性，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，結(jié)構(gòu)開(kāi)始

13、破。 </p><p>　　鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，由于鋼筋的加強(qiáng)作用，降低了裂尖的應(yīng)力強(qiáng)度因子，對(duì)裂紋的擴(kuò)展起到了一定的抑制作用。 </p><p><b>　?。?）改進(jìn)方法 </b></p><p>　　如果要改善結(jié)構(gòu)的工作性能，應(yīng)該從延緩裂紋的出現(xiàn)、阻止已有裂紋的擴(kuò)展角度出發(fā)。而控制裂紋擴(kuò)展的關(guān)鍵在于控制裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子，如果能夠有效降低混凝

14、土中裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子，則裂紋的發(fā)展將得到有效控制?；跀嗔蚜W(xué)的基本原理，即是從改變結(jié)構(gòu)中裂紋受力狀況入手，采取必要的措施降低裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子，如在混凝土梁底面外加筋或者粘貼阻裂層。 </p><p><b>　　2、鋼結(jié)構(gòu) </b></p><p>　　歷史上，金屬結(jié)構(gòu)曾多次發(fā)生破壞事故，據(jù)統(tǒng)計(jì)，約80%的破壞事故與斷裂和疲勞有關(guān)。對(duì)于脆性破壞的結(jié)構(gòu)，幾乎觀察不

15、到構(gòu)件的塑性發(fā)展過(guò)程，往往沒(méi)有破壞的預(yù)兆，因而脆性破壞的后果經(jīng)常是災(zāi)難性的。而疲勞破損是微觀裂紋在連續(xù)重復(fù)荷載作用下不斷擴(kuò)展直至斷裂的脆性破壞，多出現(xiàn)在焊接結(jié)構(gòu)的焊縫缺陷處。 </p><p>　　（1）焊接結(jié)構(gòu)破壞原 </p><p>　　在鋼結(jié)構(gòu)中，焊接結(jié)構(gòu)破壞事故遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于鉚接結(jié)構(gòu)和螺栓連接結(jié)構(gòu)，究其原因主要有： </p><p>　　焊縫或多或少存在一些缺陷，

16、如裂紋、氣孔、夾渣、咬肉等，這些缺陷在受載時(shí)將成為斷裂源；焊接結(jié)構(gòu)焊縫處存在殘余應(yīng)力和殘余變形，形成初應(yīng)力場(chǎng)，與荷載應(yīng)力場(chǎng)的疊加可導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)開(kāi)裂的不利應(yīng)力組合；焊接結(jié)構(gòu)止裂性能差，裂紋一旦開(kāi)裂，就可能一裂到底，而鉚接結(jié)構(gòu)和螺栓連接結(jié)構(gòu)中裂紋擴(kuò)展到孔洞邊緣處會(huì)終止；焊縫連接會(huì)增大結(jié)構(gòu)的剛度，使結(jié)構(gòu)的變形，包括塑性變形的發(fā)展受到更大的限制，尤其是三條焊縫在空間相互垂直時(shí)。 </p><p>　?。?）疲勞裂紋擴(kuò)展分析

17、</p><p>　　在焊接構(gòu)件中，大量焊接節(jié)點(diǎn)的疲勞開(kāi)裂是來(lái)自焊縫缺陷。當(dāng)構(gòu)件承受重復(fù)連續(xù)荷載作用時(shí)，這些部位截面上的應(yīng)力分布不均勻，會(huì)引起應(yīng)力集中現(xiàn)象，在峰值處甚至?xí)a(chǎn)生微觀裂紋。 </p><p>　　斷裂力學(xué)認(rèn)為應(yīng)力強(qiáng)度因子幅 是控制疲勞裂紋擴(kuò)展速率 的主要參量，其關(guān)系在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上是一條反S形曲（如圖2）。 </p><p>　　圖二疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線(xiàn)

18、</p><p>　?、駞^(qū)：時(shí)，疲勞裂紋擴(kuò)展率為零，裂紋為安全裂紋，其中為界限應(yīng)力強(qiáng)度因子； </p><p>　?、騾^(qū)：裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展，是決定疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的主要區(qū)域； </p><p>　?、髤^(qū)：當(dāng) 很大，接近時(shí)，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂，裂紋擴(kuò)展壽命很短。 </p><p>　　已知初始裂紋尺寸時(shí)，可根據(jù)斷裂力學(xué)知識(shí)，預(yù)測(cè)構(gòu)件剩余疲勞壽命，確保

19、在試用期內(nèi)裂紋不致擴(kuò)展到引起破壞的程度，從而使構(gòu)件在使用期內(nèi)能夠安全使用。 </p><p><b>　　（3）防裂斷措施 </b></p><p>　　就鋼結(jié)構(gòu)而言，冷熱加工易使鋼材硬化變脆，焊接尤其易產(chǎn)生裂紋、類(lèi)裂紋缺陷以及焊接殘余應(yīng)力，因此應(yīng)該合理選材設(shè)計(jì)，在焊接結(jié)構(gòu)施工時(shí)，要求操作人員熟練掌握焊接技術(shù)并嚴(yán)格遵守施工工藝，盡量減少氣孔等缺陷，保證焊接質(zhì)量。 &l

20、t;/p><p><b>　　五、結(jié)束語(yǔ) </b></p><p>　　斷裂力學(xué)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，雖然線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)已發(fā)展的比較成熟，但彈塑性斷裂力學(xué)和斷裂動(dòng)力學(xué)等理論仍存在很多問(wèn)題，需要進(jìn)一步研究解決。隨著大量新材料的出現(xiàn)，科研工作者不僅要加強(qiáng)研究，完善理論，還應(yīng)該將理論融入到工程實(shí)際中，分析結(jié)構(gòu)的受力行為，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工，提出更經(jīng)濟(jì)、更安全的措施，實(shí)現(xiàn)理論來(lái)源于實(shí)

21、踐，實(shí)踐檢驗(yàn)提升理論的良性循環(huán)。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1]辛德臣.淺談斷裂力學(xué)的創(chuàng)立和發(fā)展[J].大慶師范學(xué)報(bào).2005,（4）:50-52. </p><p>　　[2]康穎安.斷裂力學(xué)的發(fā)展和研究現(xiàn)狀[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào).2006,（1）:39-42. </p><