1、<p>　　斷裂力學在工程結構中的應用</p><p>　　摘要：斷裂力學理論經過幾十年的發(fā)展已日漸成熟。實際工程結構發(fā)生破壞必然伴隨著裂紋的產生與擴展，應用斷裂力學理論，分析鋼筋混凝土結構和鋼結構受載過程中裂紋擴展情況，提出結構設計施工的改進措施，有助于理論與實踐的協(xié)調統(tǒng)一。 </p><p>　　關鍵詞：斷裂力學；鋼筋混凝土結構；鋼結構；焊接 </p><

2、p>　　中圖分類號： O346.1 文獻標識碼：A 文章編號： </p><p><b>　　一、前言 </b></p><p>　　斷裂力學是固體力學中近幾十年才發(fā)展起來的一個重要分支，它的最大特點是假設構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)的強度理論進行構件設計，即材料強度滿足許用應力，但在實際使用中，有些結構常常會意外的發(fā)生低應力脆性斷

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。但隨著社會的進步和科技的發(fā)展，高強焊接鋼結構廣泛使用，這類災難性事故有增無減，直到五十年代美國“北極星”導彈固體燃料發(fā)動機殼在實驗時發(fā)生爆炸事故，才普遍地引起了人們的重視。 </p><p>　　科學工作者通過對斷裂事故的調查分析，發(fā)現(xiàn)構件脆斷時材料的工作應力遠遠低于其屈服強度，因此，這些事故不能再用傳統(tǒng)的材料力學的強度理論來解釋，而大量的實驗研究說

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

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

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

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

8、t;</p><p>　　斷裂力學研究材料和工程結構中裂紋擴展規(guī)律，而結構中裂紋主要有三類：Ⅰ型，張開型；Ⅱ型，滑移型；Ⅲ型，撕裂型。結構中多數(shù)裂紋為復合型裂紋，研究表明，Ⅰ型裂紋最常見、最危險、最重要。 </p><p><b>　　四、斷裂力學的應 </b></p><p>　　鋼筋混凝土結構和鋼結構都是現(xiàn)今工程結構中應用廣泛的結構形式。在

9、結構工作的過程中經常伴隨著裂紋的出現(xiàn)和擴展，正是斷裂力學研究的重點對象。 </p><p>　　1、鋼筋混凝土結構 </p><p>　　鋼筋混凝土結構是一種由兩種力學性能完全不同的材料——鋼筋和混凝土結合在一起而共同發(fā)揮作用的建筑結構。它在荷載作用下，由于混凝土的抗拉強度很低而容易開裂，帶裂紋工作就使得結構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裂，開裂截面的應力重分布，使得

10、鋼筋的應力突增，但由于鋼筋的抗壓抗拉強度均較高，可以阻止裂紋的擴展，使結構得以保持穩(wěn)定。 </p><p>　　（1）斷裂力學受力分析 </p><p>　　根據(jù)混凝土的材料特性和梁的受力特點，混凝土梁中的裂紋一般屬于Ⅰ型裂紋，即張開型裂紋。應用斷裂力學知識，以一條裂紋為例（如圖一），當裂紋越過鋼筋時，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，這對集中力的大小和作用點均有所改變。將A、B狀態(tài)下的應力強度因子疊加即可得到裂紋的應力強度因子，即 。 </p><p>　　圖一鋼筋混凝土結構裂紋受力機理 </p><p>　　結構中存在裂紋時，裂紋是否失穩(wěn)擴展取決于應力強度因子的大小。當裂紋的應力強度因子小于材料的斷裂韌性時，裂紋將停止擴展而暫時穩(wěn)定；當裂紋的應力強度因子等于或大于材料的斷裂

12、韌性時，裂紋擴展。 </p><p>　　鋼筋混凝土結構在澆筑過程中，由于材料沉降、溫度變化等因素，其內部骨料與水泥砂漿之間必然會產生很多微裂紋。結構在承受荷載過程中，隨著荷載的增加，部分裂紋會擴展，并伴隨著新裂紋的出現(xiàn)，結構中鋼筋受力增大，但是作用點逐漸遠離裂紋面，裂紋不斷擴展。當鋼筋的作用力達到鋼筋的屈服強度時，鋼筋作用趨于穩(wěn)定，但其作用力不足以使裂紋的應力強度因子小于混凝土的斷裂韌性，裂紋失穩(wěn)擴展，結構開始

13、破。 </p><p>　　鋼筋混凝土結構中，由于鋼筋的加強作用，降低了裂尖的應力強度因子，對裂紋的擴展起到了一定的抑制作用。 </p><p><b>　?。?）改進方法 </b></p><p>　　如果要改善結構的工作性能，應該從延緩裂紋的出現(xiàn)、阻止已有裂紋的擴展角度出發(fā)。而控制裂紋擴展的關鍵在于控制裂尖應力強度因子，如果能夠有效降低混凝

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

15、到構件的塑性發(fā)展過程，往往沒有破壞的預兆，因而脆性破壞的后果經常是災難性的。而疲勞破損是微觀裂紋在連續(xù)重復荷載作用下不斷擴展直至斷裂的脆性破壞，多出現(xiàn)在焊接結構的焊縫缺陷處。 </p><p>　?。?）焊接結構破壞原 </p><p>　　在鋼結構中，焊接結構破壞事故遠遠多于鉚接結構和螺栓連接結構，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，這些缺陷在受載時將成為斷裂源；焊接結構焊縫處存在殘余應力和殘余變形，形成初應力場，與荷載應力場的疊加可導致驅動開裂的不利應力組合；焊接結構止裂性能差，裂紋一旦開裂，就可能一裂到底，而鉚接結構和螺栓連接結構中裂紋擴展到孔洞邊緣處會終止；焊縫連接會增大結構的剛度，使結構的變形，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。 </p><p>　?。?）疲勞裂紋擴展分析

17、</p><p>　　在焊接構件中，大量焊接節(jié)點的疲勞開裂是來自焊縫缺陷。當構件承受重復連續(xù)荷載作用時，這些部位截面上的應力分布不均勻，會引起應力集中現(xiàn)象，在峰值處甚至會產生微觀裂紋。 </p><p>　　斷裂力學認為應力強度因子幅 是控制疲勞裂紋擴展速率 的主要參量，其關系在雙對數(shù)坐標上是一條反S形曲（如圖2）。 </p><p>　　圖二疲勞裂紋擴展速率曲線

18、</p><p>　　Ⅰ區(qū)：時，疲勞裂紋擴展率為零，裂紋為安全裂紋，其中為界限應力強度因子； </p><p>　　Ⅱ區(qū)：裂紋穩(wěn)定擴展，是決定疲勞裂紋擴展壽命的主要區(qū)域； </p><p>　?、髤^(qū)：當 很大，接近時，裂紋失穩(wěn)擴展斷裂，裂紋擴展壽命很短。 </p><p>　　已知初始裂紋尺寸時，可根據(jù)斷裂力學知識，預測構件剩余疲勞壽命，確保

19、在試用期內裂紋不致擴展到引起破壞的程度，從而使構件在使用期內能夠安全使用。 </p><p><b>　?。?）防裂斷措施 </b></p><p>　　就鋼結構而言，冷熱加工易使鋼材硬化變脆，焊接尤其易產生裂紋、類裂紋缺陷以及焊接殘余應力，因此應該合理選材設計，在焊接結構施工時，要求操作人員熟練掌握焊接技術并嚴格遵守施工工藝，盡量減少氣孔等缺陷，保證焊接質量。 &l

20、t;/p><p><b>　　五、結束語 </b></p><p>　　斷裂力學經過幾十年的發(fā)展，雖然線彈性斷裂力學已發(fā)展的比較成熟，但彈塑性斷裂力學和斷裂動力學等理論仍存在很多問題，需要進一步研究解決。隨著大量新材料的出現(xiàn)，科研工作者不僅要加強研究，完善理論，還應該將理論融入到工程實際中，分析結構的受力行為，指導結構的設計施工，提出更經濟、更安全的措施，實現(xiàn)理論來源于實

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