含裂紋缺陷工程結(jié)構(gòu)極限承載力研究方法綜述★

韋 祎 肖凱元 童彥凱

(廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

含裂紋缺陷工程結(jié)構(gòu)極限承載力研究方法綜述★

韋 祎 肖凱元 童彥凱

(廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

指出裂紋作為工程結(jié)構(gòu)中最為常見的一種缺陷形式，其存在必然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的極限承載能力下降，甚至引起結(jié)構(gòu)斷裂，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，歸納總結(jié)了工程結(jié)構(gòu)極限承載力的研究方法，闡述了各方法的特點(diǎn)以及優(yōu)缺點(diǎn)，旨在為研究人員分析工程結(jié)構(gòu)極限承載力時(shí)選擇合適的研究方法提供思路。

裂紋缺陷，工程結(jié)構(gòu)，極限承載力

0 引言

工程結(jié)構(gòu)中裂紋是不可避免的一種缺陷形式，如混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在早期養(yǎng)護(hù)過程中因溫度變化、機(jī)器加工金屬構(gòu)件時(shí)因刀痕或淬火、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在高溫焊接時(shí)以及構(gòu)件在裝配過程的損傷等情況均易出現(xiàn)裂紋缺陷。當(dāng)前的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和方法還未定量考慮裂紋缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的影響，并且結(jié)構(gòu)的承載過程將引起裂紋進(jìn)一步的擴(kuò)展，其實(shí)際承載能力將比無缺陷設(shè)計(jì)時(shí)低得多，大大降低了工程結(jié)構(gòu)的安全性。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)快速發(fā)展，大量的高層與超高層建筑，大跨度橋梁以及大型水壩等重大工程結(jié)構(gòu)相繼開工建設(shè)和投入使用；與此同時(shí)，自然災(zāi)害頻發(fā)，地震、颶風(fēng)、洪水等發(fā)生時(shí)將產(chǎn)生巨大的荷載效應(yīng)，特別是在裂紋缺陷等薄弱部位，將使結(jié)構(gòu)變得極為脆弱，結(jié)構(gòu)一旦破壞將帶來嚴(yán)重的損失，因此，對(duì)含缺陷結(jié)構(gòu)進(jìn)行極限承載力研究具有重要的工程意義。本文旨在歸納總結(jié)國內(nèi)外關(guān)于含裂紋缺陷工程結(jié)構(gòu)極限承載力的研究方法。

1 國內(nèi)外相關(guān)研究方法

查閱國內(nèi)外文獻(xiàn)可知，含裂紋缺陷工程結(jié)構(gòu)極限承載力的研究方法大體可歸納為兩大類：實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值法。

1.1 實(shí)驗(yàn)法

實(shí)驗(yàn)法是測(cè)定結(jié)構(gòu)極限荷載最直接、最可靠的方法，通過對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，觀察記錄結(jié)構(gòu)破壞時(shí)的荷載及變形等現(xiàn)象，根據(jù)荷載─應(yīng)變曲線確定結(jié)構(gòu)極限荷載[1]。實(shí)驗(yàn)法通常只能針對(duì)較為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形式和簡(jiǎn)單加載情況，對(duì)于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)法耗資巨大，耗時(shí)長久，不適合普遍推廣。

1.2 數(shù)值法

1)彈塑性增量法。

彈塑性增量法是一種通過逐步加載直到結(jié)構(gòu)失效的計(jì)算方法，該方法能夠清楚的反映結(jié)構(gòu)塑性破壞過程，是一種較為經(jīng)典的塑性極限分析方法。其特點(diǎn)是計(jì)算工作量大，且需考慮加載歷史。然而對(duì)于實(shí)際工程結(jié)構(gòu)，往往很難確定荷載隨時(shí)間的變化歷史。在采用增量加載時(shí)，需對(duì)每一個(gè)荷載增量步平衡方程進(jìn)行迭代，從而使得計(jì)算工作量非常大；同時(shí)在增量加載過程中為了滿足計(jì)算結(jié)果精度要求，常需設(shè)置較小的荷載步，因此計(jì)算效率較低。彈塑性增量法目前已成功應(yīng)用于裂紋板[2]以及焊接結(jié)構(gòu)[3]中。

2)數(shù)學(xué)規(guī)劃法。

數(shù)學(xué)規(guī)劃法是將數(shù)學(xué)規(guī)劃理論與有限元相結(jié)合而得出的一種方法，將應(yīng)力場(chǎng)空間離散后利用數(shù)學(xué)規(guī)劃法求解滿足平衡條件的容許應(yīng)力場(chǎng)[4,5]。該方法可以優(yōu)化工程結(jié)構(gòu)極限分析中的問題，因而一直貫穿于工程結(jié)構(gòu)極限分析方法的發(fā)展過程中。線性和非線性規(guī)劃法早期被用于求解桿系和梁系結(jié)構(gòu)的極限荷載中，隨后有限差分法和有限元法被引入數(shù)學(xué)規(guī)劃法中以離散相對(duì)復(fù)雜的實(shí)體結(jié)構(gòu)，獲得結(jié)點(diǎn)上滿足約束條件的極限荷載數(shù)值解，此后又發(fā)展出數(shù)學(xué)規(guī)劃法與有限元法、無網(wǎng)格法、邊界元法等相結(jié)合的多種極限分析方法。遺憾的是隨著結(jié)構(gòu)離散單元和結(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，數(shù)學(xué)規(guī)劃法由于非線性約束條件等造成計(jì)算量大的問題，較難在工程應(yīng)用中推廣。

3)彈性模量調(diào)整法。

彈性模量調(diào)整法是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的塑性極限分析方法，該方法通過線彈性有限元求解結(jié)構(gòu)在初始荷載下的應(yīng)力，利用調(diào)整策略不斷地降低高應(yīng)力單元的彈性模量實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力重分布，據(jù)此模擬結(jié)構(gòu)的塑性變形過程，通過迭代獲得逼近極限狀態(tài)的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)，進(jìn)而求得極限荷載值。根據(jù)彈性模量的調(diào)整策略不同，目前已發(fā)展出了多種方法，在缺陷結(jié)構(gòu)的極限分析中，修正的彈性補(bǔ)償法[6]與彈性模量縮減法[7]較為常用。修正的彈性補(bǔ)償法，通常根據(jù)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力、最小應(yīng)力和修正系數(shù)確定基準(zhǔn)應(yīng)力，以基準(zhǔn)應(yīng)力為標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)高應(yīng)力單元進(jìn)行調(diào)整，但對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，仍需改進(jìn)其調(diào)整策略。彈性模量縮減法是楊綠峰課題組提出來的一種新方法，并且成功應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的上下限極限分析，該方法根據(jù)單元承載比和基準(zhǔn)承載比確定彈性模量是否調(diào)整，并且彈性模量的調(diào)整過程中保證了單元的應(yīng)變能守恒，其結(jié)果的計(jì)算精度不依賴于初始荷載的選取，具有較高的精度和效率。

4)逐步崩潰法。

逐步崩潰法由Simth[8]在1977年提出，最開始應(yīng)用于船體結(jié)構(gòu)的分析當(dāng)中，該方法假定結(jié)構(gòu)繞中性軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過逐步增加中性軸的曲率，利用非線性有限元求得單元平均應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，在應(yīng)力重分布后重新確定結(jié)構(gòu)瞬時(shí)中性軸的位置使結(jié)構(gòu)單元應(yīng)力達(dá)到平衡，依此逐步迭代求得結(jié)構(gòu)荷載─位移曲線的極值。逐步崩潰法的精度主要取決于單元平均應(yīng)力─應(yīng)變的關(guān)系，Gordo[9]根據(jù)加筋板的受壓破壞模式，提出了強(qiáng)度折減因子與平均應(yīng)變關(guān)系式，以考慮初始變形和殘余應(yīng)力對(duì)極限強(qiáng)度的影響。

2 存在的問題及建議

根據(jù)以上歸納總結(jié)，在帶裂紋缺陷結(jié)構(gòu)的極限分析中仍然存在亟待解決的問題和可拓展的研究方向，包括：

1)不同荷載形式和加載方式，對(duì)帶裂紋工程結(jié)構(gòu)的極限承載力分析有較大差別和影響。今后應(yīng)結(jié)合各影響因素，加強(qiáng)多元化結(jié)構(gòu)極限承載力和破壞模式影響因素的研究。

2)將帶裂紋缺陷結(jié)構(gòu)的極限承載力研究與耐久性研究相結(jié)合。通過結(jié)構(gòu)損傷與成因的分析以及這些損傷對(duì)材料物理、力學(xué)特性的影響分析確定構(gòu)件的服役壽命，為工程結(jié)構(gòu)的安全使用提供保障。

3)大型的含裂紋缺陷結(jié)構(gòu)的安全性通常采用安全系數(shù)來保證，但安全系數(shù)多以經(jīng)驗(yàn)方式給出，無法從力學(xué)層面上合理評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的承載能力，后續(xù)工作可考慮將極限分析推進(jìn)到大型結(jié)構(gòu)的整體分析中。

3 結(jié)語

優(yōu)良的工程結(jié)構(gòu)需要滿足安全性，適用性和耐久性這三項(xiàng)基本要求，而安全性是三者之中的重中之重。因結(jié)構(gòu)裂紋缺陷引發(fā)的安全事故屢見不鮮，忽略裂紋微缺陷可能帶來災(zāi)難性的損失。所以，分析帶裂紋結(jié)構(gòu)極限承載力以確保結(jié)構(gòu)的安全至關(guān)重要，本文針對(duì)工程結(jié)構(gòu)極限承載力的研究方法進(jìn)行了總結(jié)，闡述了各研究方法的主要特點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)以及研究中存在的一些問題和建議。為含裂紋缺陷工程結(jié)構(gòu)的極限承載力研究提供了理論基礎(chǔ)，為結(jié)構(gòu)安全評(píng)估提供了科學(xué)依據(jù)。

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Summaryforultimatebearingcapacityresearchmethodsofengineering-structurecontainingflaws★

WEIYiXIAOKai-yuanTONGYan-kai

(SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,GuangxiUniversity,Nanning530004,China)

Point out crack as one of the most common defects in engineering structure, its existence inevitably leads to the decrease of the ultimate bearing capacity of structures or components, as well as the structural fracture which will lead to huge economic losses. The purpose of this paper is to sum up the research methods of the ultimate bearing capacity in engineering structure, expounds the features, advantages and disadvantages of various methods, providing appropriate research methods and ideas for researchers to analyse the ultimate bearing capacity of engineering structure.

crack defect, engineering structure, ultimate bearing capacity

1009-6825(2014)14-0026-02

2014-03-09★：廣西大學(xué)大學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能和科技創(chuàng)新能力訓(xùn)練基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：SYJN20120531)

韋 祎(1990- )，男，在讀本科生； 肖凱元(1989- )，男，在讀本科生； 童彥凱(1989- )，男，在讀本科生

TU312

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