箱梁疲劳裂缝分析研究.pdf

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1、箱梁疲劳裂缝分析研究张向红中铁十二局集团第四工程有限公司圃摘要：疲劳是指桥构件在承受持续反复载重作用下，所造成的累积损坏。传统结构设计理论都假设材料是完美的，无缺陷的，并没有考虑到任何材料内部可能存在之细微缺陷或裂缝存在。然而，构件中含有裂缝存在时，会低应力作用，即发生断裂，且由于此时结构构件所承受之应力甚低，因此常为工程师所忽略。此种因材料的裂缝而导致结构杆件之断裂可分为三个阶段：产生裂缝，裂缝成长与最终之断裂，由裂缝产生至杆件断裂的全部过程可视为结构杆件之寿命。其中裂缝形成及裂缝成长阶段所占疲劳寿命的99％，而断裂发生破坏时是非常快速的，只占疲劳寿命的1％。关键词：箱梁疲劳裂缝

2、分析研究前言考虑结构之疲劳寿命包含由初始裂缝长度进行裂缝成长分析，直到临界裂缝长度为止。结构杆件中所存在之焊道瑕疵、施工误差等均属于初始裂缝，此些施工过程所形成之瑕疵大幅缩短结构之疲劳寿命。当经由反复载重作用之下，瑕疵逐渐成长，降低杆件承受载重的能力，加速杆件之断裂。关于疲劳与裂缝之发展及材料所受之应力关系，可依据破坏力学理论加以考虑，因此本章藉由回顾破坏力学之理论背景，了解影响桥疲劳破坏之原因。1破坏力学理论1．1破坏力学的作用破坏力学主要在于评估初始裂缝或由疲劳产生裂缝的结构抵抗破坏之能力，破坏力学的理念主要有三种考量：具有瑕疵的结构之承载能力，亦即剩余强度；结构还剩多少寿命，

3、亦即还可以承受多少次的负载才可使裂缝达到临界长度；考虑裂缝是否有可能停止生长。因此以破坏力学分析疲劳裂缝具有相当重要性。破坏力学是将应力高低、裂缝大小及材料性质等因素合并以应力强度因子K考量式l，提供一定量分析理论，依此理论推算构件残余强度，以防止无预警的破坏。K=f(o。a)(1)其中，K：应力强度因子，o：应力高低，a：裂缝大小1．2Griffith理论Griffith是第一位针对材料，提出包含尖锐不连续体结构之破坏分析，其基本理论是假设理想脆性材料发生破坏，当裂缝长度增长时，在裂缝尖端所提供的弹性能等于或大于裂缝长度成长时所需的能量。以一单位厚度的无限大之板，含一穿越厚度之裂

4、缝长度2a，在无限远受均匀拉应力为列。此系统潜在能量U可表示为U=Uo—Ua+Ur(2)其中Uo=无裂缝平板弹性能ua=因产生裂缝导致平版降低的能量，配=舸谨俘(3)Ur=因形成裂缝所增加的弹性表面能，Rc=材料的表面能Ur=2(2arc)(4)贝ⅡU=【名一万矿口2／E+4a，℃(5)上式对裂缝长度a取一次微分后等于0，其结果为。矗=(2reE／力；(6)上式表示理想脆性材料是否断裂受应力、裂缝长度及材料性质所控制。因粥、E是材料性质，所以上式右边是常数，这指出当。拓到达某临界值则裂缝会成长。此临界值是由试验所得到的破坏韧性决定。上式可两边平方，重新排列得到下式丌a2a／E=2y

5、e(7)上式左边即为能量释放率G，代表裂缝微小增长时每单位裂缝面积的弹性能量。上式右边代表对裂缝延伸的材料阻抗R。对于一穿过厚度，长度2a的裂缝，o石代表墨强度因子，在平面应变的情况下，能量释放率G与K，有下述关系存在石o2a／E=G=(墨2／E)(卜矿)(8)裂缝延伸的能力平衡方法可定义为理想尖锐裂缝发生不稳定的情况。但此种方法不是用于稳定裂缝延伸的分析。然而，应力强度因子则可适用于稳定裂缝延伸的分析。因此，线弹性破坏力学的发展非常有助于改善我们对临界裂缝长度以下的裂缝延伸与裂缝不稳定的了解。2裂缝破坏模式裂缝主要有三种基本类型，依其受力情况与断裂特性分别为：’模式I张开型：为使

6、裂缝两面沿着自身平面的法线方向，呈相对张开；模式II滑移型：由剪力造成两裂缝面沿裂缝面内，并且垂直于裂缝前缘滑开：模式m撕裂型：由剪力造成两裂缝面沿裂缝面内，并且平行于裂缝前缘的切线方向撕裂。其中模式I因为结构主要之破坏模式，因此最受重视。3应力强度因子线弹性破坏力学基本上是分析应力在裂缝尖端附近应力场的大小与分布，应用于结构杆件，裂缝的大小、形状及方向，或连续类裂缝及材料性质。线弹性破坏力学仅限于弹性状态，即使是略做修正也仅适用于裂缝尖端存在极有限的塑性变形情况。破坏力学的重要原则是使结构杆件尖锐裂缝附近应力场可以单一参数表示，应力强度因子K。应力强度因子K是与裂缝大小、外力载重

7、有关联，定义为：K=o·拓·f(g)(9)f(g)为与裂缝及几何有关，有三种不同的几何外形分别是含中央裂缝、含边界裂缝与含孔裂缝。4破坏韧性当岛值降低达到一最小值即为平面应变破坏韧性Kic，表示材料抵抗既存裂缝造成破坏的能力，即在线弹性力学行为下，Ki=f(o，a)三Kic(10)依破坏力学推导出之应力强度因子墨小于材料之临界破坏韧性如值，即可确保结构安全。由Kic=o√O磁)耋Kic(11)Kic：材料的破坏韧性。5总结对结构而言，若其所受为动态之疲劳载重，其钢材应