斷裂力學在橋梁領域的應用與發展

摘 要：橋梁是跨越江河、海峽等天塹的主要交通方式之一，其安全性、可靠性一直是該領域專家學者關注的焦點問題。低應力脆性斷裂因無征兆、破壞快而成為橋梁建設需解決的關鍵難題之一。學者們從不同的角度對橋梁構件的脆性斷裂問題進行系統研究，發現建設材料缺陷、惡劣的運營環境及復雜的荷載工況等都是構件脆性斷裂的致因。為了解橋梁構件脆斷的機理及應對方法，該文總結當前研究的進展，主要包括橋梁疲勞荷載模型、構件裂紋擴展機理及影響、橋梁疲勞性能及壽命評估等方面，以期為后續相關發展提供參考。

關鍵詞：橋梁工程;脆性斷裂;斷裂力學;壽命評估;裂紋擴展

中圖分類號：U447 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）34-0101-06

Abstract： Bridges serve as essential infrastructure for traversing rivers， straits， and other natural barriers， with their safety and reliability being paramount concerns for researchers and practitioners alike. Among the various challenges faced in bridge construction， low-stress brittle fracture poses a significant threat due to its unpredictable nature and rapid failure dynamics. This study systematically reviews the existing literature on brittle fracture in bridge components， identifying key contributing factors such as material deficiencies， adverse operational environments， and complex loading scenarios. The paper highlights recent advancements in understanding the mechanisms underlying brittle fracture， including fatigue loading models， crack propagation dynamics， and the evaluation of fatigue performance and service life. By synthesizing current research findings， this work aims to provide a comprehensive reference for future studies and developments in mitigating brittle fracture in bridge engineering.

Keywords： bridge engineering; brittle fracture; fracture mechanics; life assessment; crack propagation

隨著國家東西部統籌發展的政策落實，新建橋梁增速加快且趨于向高腐蝕性、高海拔及高寒等地區拓展，惡劣環境、氣候下橋梁的運營安全和性能研究迫在眉睫。極端環境下，材料性能與常規條件下存在較大差異，橋梁的設計及性能評估標準需要明確。同時，大部分現役橋梁運營期已過半，病害多發、性能不足等問題日漸突出。橋梁帶缺陷繼續承擔交通運輸任務將逐漸成為日常。面對這一狀況，橋梁運營的安全保障、性能保障急需應對之策。總而言之，在惡劣環境、自帶裂縫等非常規工作條件下，橋梁結構的性能、安全及可靠性等需要進一步探索。

現有橋梁在設計至運維的過程中，依據材料力學及彈塑性力學等制定了構件的強度、韌性標準[1]。這些傳統力學理論及相關標準均基于結構的理想工作狀態而提出，未考慮缺陷和損傷的影響。斷裂力學是研究含裂紋物體強度及裂紋發展規律的力學學科。這一學科的發展為非常規條件下橋梁的設計、運營及維護提供了理論基礎。近些年，從這一角度出發，橋梁領域專家及學者對橋梁構件裂縫擴展機理及影響、構件材料的斷裂準則、構件疲勞性能及壽命評估等展開了大量研究，取得了較多的研究成果。本文對斷裂力學在橋梁構件斷裂領域應用的研究成果進行總結，梳理尚待解決的關鍵問題及下階段研究的重要發展方向，為橋梁技術的發展提供參考。

1 疲勞荷載模型

橋梁按照運輸功能可分為鐵路橋梁、公路橋梁及城市橋梁等，不同類型橋梁的荷載類型、大小及頻率等均不相同。在橋梁性能和安全性評估中，實際的荷載工況對評估結果起著決定性作用。因此，精準計算荷載模型且合理施加荷載十分重要，對此展開了相關研究。

在建立橋梁實際荷載模型的工作中，現有研究以稱重實測、數學模擬等手段為主。宗周紅等[2]基于京滬高速（沂淮段）的動態稱重系統監測數據，建立了重車疲勞荷載譜和等效標準疲勞車模型，結果顯示重車疲勞荷載模型遠超規范值。周永兵等[3]采用雨流計數法計算了山區低等級公路鋼箱梁橋在實際交通荷載作用下的應力幅值及循環次數，結果表明實際交通模擬下的結構應力幅值高于規范值。劉浪等[4]利用健康監測系統的交通數據預測了某公路橋梁未來的交通荷載，基于Miner準則計算了橋梁損傷度，認為車輛荷載的非平穩增長會增加橋梁的疲勞損傷程度。郭文華等[5]建立重載列車-鋼軌-預應力混凝土T梁空間震動耦合模型，對比了Corten-Dolan和Miner準則在橋梁損傷中的應用，認為Corten-Dolan更能反應實際損傷狀態。范晨等[6]以潤揚長江公路北汊斜拉橋為工程背景，計算了該橋梁有限元模型的疲勞響應，比較了不同疲勞應力計算方法的準確性，認為采用車橋耦合模型能獲得更準確的結果，如圖1所示。

上述多數研究基于實測數據而展開，建立了高速公路橋梁、山區公路橋梁等的疲勞荷載模型，反映出實際的疲勞荷載模型大于規范值。同時，疲勞屬于結構的局部問題，在橋梁簡化整體模型上加載得出的疲勞結果與實際相差甚遠，必須考慮橋梁的構造細節。

2 裂紋擴展的機理

構件的裂紋擴展機理是研究損傷橋梁剩余承載能力及服務壽命的基礎，也是建立抗斷措施的根據。而且，橋梁所處的環境都較為惡劣，溫度、腐蝕等因素對構件裂紋擴展的影響不容忽視。針對以上兩點，下列研究進行了大量探索。

在橋梁構件的裂紋擴展機理研究中，蘇三慶等[7]將金屬磁記憶檢測法應用于橋梁鋼板件標準疲勞裂紋擴展試驗中，提出了裂紋擴展剩余壽命預測方法。Irfaee等[8]對某鋼雙箱梁橋進行了混合模式疲勞與斷裂評估，采用有限元模型對其裂紋擴展、主梁斷裂的可能性及整體冗余性進行了評估，如圖2所示。馬亞飛等[9]針對大跨橋梁的鍍鋅高強鋼絲進行了疲勞裂紋擴展實驗，擬合了相應的疲勞裂紋擴展速率模型，結果表明裂紋徑向擴展速度大于表面擴展速度。Li等[10]研究提出了基于“約束應力區”的宏微觀雙尺度裂紋模型，有效地描述材料從微裂紋到宏裂紋的發展過程，并給出裂紋增長的控制量“應變能密度因子”，如圖3所示。馮祁等[11]建立了T梁的損傷模型，研究了裂縫位置、裂縫寬度、裂縫高度對結構剛度及承載能力的影響，認為裂縫寬度和高度是影響橋梁承載力的主要因素。馮祁[12]量化分析了多種因素對先張法PC空心板梁開裂的敏感性，結果表明預應力損失、超載等因素更易引起構件底部開裂。聶建國等[13]比較了2種混凝土開裂模型的靜力學行為，認為彌散開裂模型適用于單調荷載作用下的構件分析，而塑性損傷模型適用于單調和交復荷載下的構件分析，但兩者只能準確模擬一維受力。

在溫度、腐蝕等因素對橋梁構件的裂紋擴展的影響研究中，廖小偉等[14]以16 mm厚Q345qD橋梁用鋼作為研究對象進行實驗，結果表明裂紋擴展速率隨溫度降低而變緩，裂紋擴展門檻值隨溫度降低而增大。左照坤等[15]以漢江灣橋為背景，對不同板厚Q690qE鋼母材和焊縫的斷裂韌性及防脆斷性能進行研究。結果顯示，32 mm厚母材具有良好的低溫防脆斷性能，而50 mm板厚母材的斷裂韌性隨溫度降低具有明顯下降趨勢;溫度低于-20 ℃時，兩者焊縫的斷裂韌性均有下降趨勢。彭建新等[16]基于氣候數據研究了溫室效應對RC橋梁在腐蝕作用下的銹脹性能的影響，結果表明溫室效應可惡化混凝土腐蝕損傷效應，浪濺區橋梁的腐蝕開裂概率遠高于海岸線區。王天鵬等[17]建立了鋼絲疲勞裂紋擴展預測模型，得出腐蝕不會對疲勞裂紋擴展速率產生影響，腐蝕作用下構件疲勞壽命變化由初始裂紋長度引起。楊世聰等[18]研究了纜索腐蝕-疲勞損傷與破斷機理。結果表明，腐蝕-疲勞導致構件塑性降低，脆性增強，發生脆性破斷;彎曲應力是造成長纜索發生破斷的重要因素之一。葉華文等[19]為準確評估服役期纜索腐蝕后的剩余壽命，基于Paris公式建立了受拉鋼絲裂紋擴展理論模型，進而推導了腐蝕鋼絲的疲勞S-N曲線。牛荻濤等[20]分析了銹蝕鋼筋混凝土梁的疲勞破壞形態及應力水平和鋼筋銹蝕率對梁疲勞性能的影響。結果顯示，隨疲勞循環次數增加，銹蝕梁鋼筋出現疲勞損傷、抗彎剛度退化，裂縫演變符合“三階段”發展規律;銹蝕梁的疲勞破壞形態為主筋脆性斷裂。

上述研究針對用于橋梁的鋼材、鋼筋及高強度鋼絲的裂紋擴展機理展開了研究，探究了常規環境下及考慮低溫、腐蝕等因素影響下相關構件的裂紋擴展行為，取得了較好的研究結果。然而大多數的橋梁結構由鋼筋混凝土或預應力鋼筋混凝土建成，上述研究對橋梁結構混凝土的裂縫擴展機理尚未做出探討。而且橋梁構件較多導致相關研究對象比較分散，針對某一構件的研究結論并不具有代表性，需要進一步探索。

3 疲勞性能及壽命評估

為了準確評估橋梁結構在疲勞荷載作用下的性能，研究人員基于斷裂力學提出了針對不同構件的疲勞性能、壽命評估方法。有些研究則根據對橋梁疲勞損傷的檢測、建立多因素耦合動力學模型及有限元分析等方法來評估橋梁結構的疲勞性能及壽命。

斷裂力學主要用于評估含有裂紋缺陷的結構，基于斷裂力學研究橋梁疲勞裂紋擴展規律是評估構件疲勞壽命的有效手段。王天鵬等[21]基于斷裂力學理論提出適用于橋梁結構鋼的低溫疲勞壽命估算方法，驗證了該方法能夠較為準確地預測Q345qD鋼試件的疲勞壽命。王劍等[22]基于損傷力學法和線彈性斷裂力學法提出橋梁主筋疲勞全壽命估算方法。Marques等[23]將載荷變異性納入鉚接鐵路橋梁關鍵連接部位的分析中，結合基于Paris裂紋擴展規律的線性斷裂力學模型來進行疲勞分析。結果顯示，年交通增長率對疲勞壽命影響顯著。Zhou等[24]建立了含三維裂縫的整體-局部橋梁模型的動態模擬，采用基于線彈性斷裂力學的裂紋擴展分析方法，對鋼-混凝土組合鐵路橋梁關鍵焊接部位進行了強化疲勞評估，如圖4和圖5所示。Lacidogna等[25]利用斷裂力學的概念，分析了當通過線彈性分析評估的條件不再有效時，以及在通過塑性極限分析建立的條件設定之前發生的損傷過程（大部分基于線彈性斷裂力學進行分析，基于塑性分析的較少）。

基于橋梁構件疲勞損傷檢測的評估，Xin等[26]提出了一種結合小波分析和遷移深度學習的狀態驅動聲發射（AE）監測方法，通過卷積神經網絡（CNN）對斜拉索內部裂縫和退化狀態進行高精度識別，如圖6所示。Abedin等[27]提出了一種基于非接觸式激光測振儀和自供電無線傳感器的橋梁斷裂檢測方法，結果表明，通過少量自供電無線或非接觸式傳感器可有效檢測鋼板梁橋的斷裂情況。Mantawy等[28]提出了通過音頻記錄和剛體力學間接識別高性能橋梁系統中鋼筋疲勞斷裂的方法，成功識別了疲勞斷裂的時間。

針對橋梁結構疲勞性能的評估方法，部分學者基于多因素耦合動力學模型及有限元分析來進行研究。Li等[29]建立了包括軌道系統模型在內的多尺度橋梁有限元模型，提出了可考慮列車動力效應的鋼橋關鍵構造細節疲勞性能評價方法，如圖7所示。崔圣愛[30]等通過數值方法探究了雙層六線鐵路列車-橋梁系統耦合振動的空間效應，對全橋最不利桿件疲勞損傷進行分析。結果顯示，空間行車會導致橋梁各關鍵桿件的疲勞損傷程度增大。朱志輝等[31]以64 m簡支鋼桁架梁橋為實例，建立了車-橋耦合動力學模型，研究了重載鐵路鋼桁架梁橋局部疲勞可靠度問題。結果顯示，橋梁的疲勞損傷隨軸重增加而增大，但與列車速度相關性不強。陳華婷等[32]建立車輛擁堵荷載下的車橋耦合有限元模型，分析了車輛擁堵對城市組合箱梁疲勞性能的影響。結果表明，擁堵作用下的橋梁損傷是暢通狀態的14.7倍。高天驍等[33]提出基于直接概率積分法的重載鐵路RC梁的疲勞可靠度分析方法。結果顯示，隨著重載鐵路年運量的提高，RC板梁的疲勞失效概率顯著增大。李照廣等[34]提出了臨界平面法和能量法相結合的高鐵橋梁整體式減震榫疲勞性能預測方法。Lin等[35]以某五跨連續桁架橋為例，基于構件R值（安全系數）和關鍵構件的判別提出了一種新的桁架橋梁冗余度評價方法和詳細的分析步驟。張立奎等[36]以某鋼-混組合梁為背景，通過有限元方法研究了混凝土橋面板開裂所致的結構剛度退化對鋼主梁疲勞性能的影響，結果表明隨著剛度退化程度增強，組合梁橋的疲勞壽命顯著降低。

在提高橋梁結構的疲勞抗力和疲勞壽命方面，柳戰強等[37]提出一種用于RC橋梁抗彎加固的新型預應力高強鋼絲加固技術，結果顯示預應力可有效提高加固試件的抗彎剛度和抗裂性能。丁勇等[38]為提高伸縮縫結構的強度和疲勞壽命，提出一種考慮移動車輪豎向與水平沖擊荷載的伸縮縫結構動力響應計算方法，通過構造優化提高了其疲勞壽命。Collins等[39]測試了8塊高性能鋼板在典型橋梁溫度下的材料韌性。結果顯示，高性能鋼板能夠承受更大的裂紋缺陷，其斷裂韌性遠高于當前規范的要求。趙而年等[40]以濰萊鐵路一座連續鋼桁梁為例，研究了耐候鋼的對接焊縫、T形焊縫和十字形焊縫的疲勞性能，結果表明3類焊縫均在焊趾處發生了疲勞失效破壞;隨著應力幅增加，焊接接頭的疲勞壽命按冪指數形式降低;T形焊縫表現出更好的抗疲勞性能。

上述研究基于斷裂力學、疲勞損傷檢測、多因素耦合動力學模型及有限元分析等方法對不同橋梁構件的疲勞性能及壽命進行了有效評估，有的研究還通過使用高強材料加固及構造優化等方法來提高橋梁構件的抗疲勞性能。但橋梁構件一般種類繁多，且構造復雜，現有的方法無法準確評估所有橋梁構件的疲勞性能。因此，有必要研究針對不同橋梁構件的疲勞性能評估方法，并整合出一種通用評估方法，以提高橋梁疲勞性能及壽命評估的準確性，確保橋梁結構在長期使用下的安全性和穩定性。

4 結論

近些年，橋梁領域的學者、從業者發現，經典的彈性力學無法解釋橋梁構件遠未達到材料強度發生的脆性斷裂，便將斷裂力學引入到橋梁構件的抗斷性能研究中。而斷裂力學作為一門起步較晚的力學學科，其理論研究、實驗方法研究等尚不完善。同時，橋梁結構的體系多樣、材料多樣及荷載多樣等特點，決定了斷裂力學在橋梁中的研究及應用面臨更多復雜的問題，需要更多的時間。因此，斷裂力學在橋梁構件的抗斷應用中依然處在探索階段。

綜上所述，現有研究從交變荷載模型、裂縫擴展機理、腐蝕及溫度對裂縫擴展的影響及構件壽命預測模型等方面為橋梁抗斷研究作出了貢獻，可為后續提供研究參考。但是，這一方向的研究還大有可為：①針對不同用途、不同地區的橋梁應完善相關規范的荷載模型;②現有橋梁構件的裂紋擴展機理研究主要圍繞鋼材展開，少有針對混凝土材料方面的探索，同時混凝土開裂的有限元模擬如何從一維擴展到三維尚需解決;③惡劣環境因素的影響該如何定量;④斷裂問題是局部問題，整體性考慮橋梁抗裂的思路尚需考量;⑤在針對橋梁構件脆性斷裂的研究中，一些新技術如激光測振、音頻分析等需要進一步挖掘和擴展。這些是本篇文章的拙見，希望可以為橋梁的抗斷研究提供參考。

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第一作者簡介：李武安（1974-），男，高級工程師。研究方向為公路與城市道路工程。