理論與應用斷裂力學

【摘要】：隨著科學技術的發(fā)展和應用新型先進材料，橋梁結構的重量已經越來越少了。另一方面，高拉伸拉絲鋼絲的強度使得鋼絲的結構大跨度橋梁可能。 在交通流量不斷增加的情況下，疲勞斷裂隨著時間的推移，橋梁結構的問題變得越來越重要，特別是對于斜拉索中的橋梁電纜和吊橋。迫切需要發(fā)展橋梁檢查和維護方法科學的電纜。

【關鍵詞】：橋梁纜索斷裂 大跨度橋梁 疲勞破壞

1、案例分析

在問題的物理背景上，引入了能夠描述從微觀到宏觀的材料破壞過程的約束應力區(qū)，從而建立了宏觀/微觀雙尺度邊緣裂縫模型。 宏觀/微觀雙尺度應變能密度因子的表達式得到的，作為疲勞裂紋擴展的控制量。系統(tǒng)地開發(fā)了用于疲勞裂紋擴展的多尺度配方。 這是對這項工作中疲勞問題基本理論的主要貢獻。 在所提出的方法中存在三個基本參數l *，r *和d *。 他們可以考慮幾何和材料屬性中的微觀和宏觀因素。注意，l *，r*和d*分別代表微觀剪切模量與宏觀剪切模量之比，約束應力與施加應力的比率以及裂紋尖端之前的微孔尺寸與材料微觀結構的特征長度之比。

為了說明所提出的多尺度方法，選擇杭州江東大橋進行數值計算。這座橋位于中國浙江省省會杭州。它是錢塘江上的一座自錨式懸索橋。電纜由109根平行鋼絲制成直徑7毫米。在有和沒有交通負荷的服務期內，通過有限元法計算索力。引入兩個參數a和b以解決電纜以兩種不同方式的額外緊固和松動效應。確定疲勞裂紋擴展速率系數C0從疲勞實驗結果來看。從數值結果可以得出結論，初始微觀缺陷的大小是鋼絲疲勞壽命的主導因素。通常，電纜的緊固效果會降低疲勞壽命，而松動效應會阻礙疲勞裂紋的生長。但是，結果可以在某些特定條件下反轉。而且，不同三個基本參數l *，r *和d *的演化模式實際上對鋼絲的疲勞裂紋擴展行為有不同的影響。最后，在這項工作中開發(fā)的方法可以適用于所有裂紋引起的多晶材料的失效問題，不僅是疲勞，還有蠕變斷裂和在靜態(tài)和動態(tài)負載下開裂等。

2、理論及試驗分析

懸索橋和斜拉橋在現代大跨度橋梁中占主導地位，因為它們可以相對較長的主跨。懸索橋中的纜索受到載荷（包括靜載荷和交通載荷）的影響，并將其轉移到塔架和錨桿中。橋梁電纜由高強度鋼絲制成。在最近幾年電纜線的強度顯著增加。最小強度范圍在1470MPa和1570MPa之間波動超過50年。

懸架或斜拉橋的極限壽命主要取決于電纜的老化不同長度的電纜承受不同的應力和應變，它們的最終壽命不僅會有所不同，而且由于環(huán)境的變化它們會有不同的變化。已經進行了一些基于實驗的研究。對Monte Carlo模擬進行了研究，以顯示短預應力鋼絞線試樣和鋼絞線電纜的疲勞壽命之間的關系。通過使用從預應力鋼絞線試樣的疲勞試驗結果確定的統(tǒng)計數據來計算電纜壽命。基于一些疲勞試驗開發(fā)了一種模型，用于預測軸向預載螺旋的自由彎曲疲勞壽命。

絞線夾在最后。討論了位于強風區(qū)的鋼梁的抖振引起的疲勞損傷問題。最近在中國已經完成了一些橋梁電纜疲勞試驗，疲勞極限和疲勞壽命預測的問題很高研究了強度冷拔共析鋼絲。探討了應力腐蝕和氫脆引起的橋梁電纜線的退化問題。討論了橋梁電纜線裂縫電位的評估方法。研究了鎖定線圈電纜中的導線斷裂。

然而，疲勞問題仍然是挑戰(zhàn)，盡管這是一個老問題。總之，疲勞過程通常以任意方式分為兩個階段。第一階段稱為疲勞裂紋萌生，而第二階段稱為疲勞裂紋擴展。不同的方法分別應用于兩個不同的時期。對于疲勞裂紋萌生期，經常使用Miner的疲勞累積損傷理論，包括各種改進版本。 Miner的理論是一種經驗方法，它在很大程度上取決于疲勞實驗。對于疲勞裂紋擴展周期，巴黎方程通常采用，其基于疲勞試驗給出疲勞裂紋擴展速率da / dN與裂紋強度因子范圍DK之間的關系。

面結晶聚合物約束單滑模型的背景。將準連續(xù)介質（QC）方法與連續(xù)介質缺陷模型相結合，建立了固體缺陷的耦合原子/連續(xù)模型。微裂紋對疲勞裂紋擴展力學的影響在等溫淬火的球墨鑄鐵中，考慮了微觀結構。混合模式（模式I + II），Ti-6Al-4V合金的高周疲勞閾值在幾十微米到超過幾十微米的裂縫尺寸范圍內的影響。研究了幾毫米。顯示脆性材料的微裂紋導致應力強度因子（SIF）和能量釋放速率的降低。采用三維有限元模擬方法研究了7075-T651鋁合金微觀結構小疲勞裂紋的生長情況。一個基于單調塑性區(qū)和裂紋的環(huán)狀塑性區(qū)在微觀結構障礙物（如晶界和相界）中的連續(xù)阻塞，提出了小疲勞裂紋擴展的微觀力學描述。

但是，省略了一些重要的影響，這些影響對未來的調查仍然有用。例如，受損區(qū)域中的約束應力分布應該是不均勻的而不是均勻的。進一步的研究應該考慮這種影響。此外，材料老化和應力腐蝕也會降低壽命電纜和疲勞。如何影響材料老化，應力腐蝕和疲勞及其相互作用的影響將是一個挑戰(zhàn)問題。包括電纜力在內的所有材料參數都是時間相關的。第一次嘗試是通過將所有材料參數視為時間t的函數來完成的。困難在于如何確定這些功能。必須在微觀和宏觀尺度上仔細進行一些實驗觀察。這是將來應該解決的另一個問題。另外，已經討論了將碳纖維電纜應用于大跨度橋梁的可能性等。碳纖維電纜耐腐蝕，重量輕，強度高于鋼絲。疲勞特性與鋼絲繩有很大不同。

【參考文獻】：

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【3】 R. Mohammed， Free-bending fatigue life estimation of cables at points of fixity，Journal of Engineering Mechanics 118 （9） （1992） 1747–1764.

作者簡介：石桂帥（1994.09.08-），男，漢 ，山東省臨清市金郝莊鎮(zhèn)，在讀研究生，重慶交通大學，研究方向：橋梁加固與檢測