北京交通大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论前言随着我国科学技术和社会经济以及交通运输业的快速发展，公路和铁路上的桥梁越来越多。而且由于钢结构具有自重轻、强度高、延性大、抗震性能好、便于旌工和优良的经济指标等诸多优点“1 ，使得钢结构在桥梁建设中越来越得到广泛的应用。特别是大桥和特大桥建设中，为了降低桥梁自重和增加结构跨度，钢结构更是得到广泛的应用。因此，在现代社会生活中，桥梁的维护就显得非常重要，尤其使用过一段时间的桥梁，由于其长船承受重复动荷载的作用，很多构件出现了不同程度的缺陷，主要表现为裂纹形式。而且由于裂纹尖端出现应力集中，使得构件出现脆性断裂的可能性大大增加。我国大部分桥梁建于上世纪5 0 7 0 年代，已经经过了几十年的运营，再加上超载、超限车辆的日益增多，在车辆荷载和各种外界因素的影响下，大批桥梁都多少存在着损坏现象，其技术状况已经不能满足行车的安全需要，桥梁养护工作任务越来越艰巨。由于这些旧桥占现有桥梁的很大一部分，将它们全部拆掉重建也是不可能的，只有通过适当的加固维修，恢复和提高旧桥的承载能力和通行能力，评估其安全性能，并延长其使用寿命，才是正确的选择，也符合我国的财力和现状。基于此，如何方便、快速而且准确地评估这些旧桥的安全性能，特别是带有裂纹构件的旧桥的安全性能，即如何评估带裂纹构件的承载能力以及疲劳承载能力，将具有重要的理论意义及工程价值。1 1 断裂研究的目的和意义在工程构件的四种失效方式( 过量弹性变形、过量塑性变形、断裂、表面损伤磨损) 中，断裂是最危险的失效方式。1 。四种断裂失效方式相应的材料性能参量和失效判剧如表卜1 所示。北京交通大学硕士学位论文第一章绪论表卜l ：工程构件断裂失效方式分类与判剧T h b k l - 1 ：T h es o r t a n d c t e o n o f i n v a l i d a t i o n m 瑚e r o f 曲忙m e m b e 培右丑咖r e失效方式材料的性能参量失效判剧断裂韧性J ( )脆性断裂( 裂纹体)应力强度因子蟛j 和裂纹尺寸夏比冲击吸收功C p 脆性断裂( 无裂纹)冷脆转变温度砭工作温度 工作温度 D r无延性转变温度D r疲劳极限以。工作应力幅A s 以。 疲劳断裂疲劳门槛值应力强度因子范围 疲劳裂纹扩展速率d 斌s 厶K n蠕变断裂蠕变断裂强度一。工作应力盯E 口D 。 应力腐蚀开裂应力腐蚀开裂门槛j 譬。工作应力盯s ，( K c c )由于裂纹体断裂破坏一般都是脆性破坏，裂纹扩展迅速，能量的消耗远小于韧性断裂，以低应力破坏为重要特征，断裂之前没有明显的预兆而突然发生。所以，断裂破坏不仅能造成严重的经济损失，而且可能造成重大的人员伤亡。美国俄亥俄州河上的普莱森特角( P o i n tP l e 舔帅t ) 桥，又名银桥，始建于1 9 2 6 年5 月，于1 9 2 8 年5 月1 9 日通车。该桥经过近四十年的运营，在1 9 6 7年1 2 月1 5 日下午5 点左右，在没有任何预兆的情况下突然倒塌，4 6 人丧生，3 7 辆各种车辆被抛到河中m 嘞。韩国汉城的圣水大桥，于1 9 7 9 年建成通车，是横跨汉江的十七座桥梁之一。1 9 9 4 年1 0 月2 1 日该桥中段一5 0 m 的桥体像刀切一样地坠入江中，造成多人死亡。英国的德贝夏马坎山煤矿( M a r l 【l l a mM i n e ) 的竖井罐笼于1 9 7 3 年坠毁失事，造成1 8 人死亡”1 。还有其他一些事故”，例如1 9 3 8 年3 月1 4 日比利时的H a s s e l t 丈桥的突然断裂事故，二战期间全焊接桥的断裂事故，5 0 年代出现的核反应堆问题，美国阿波罗登月飞行器中的压力容器事故，1 9 5 4 1 9 5 6 年美国发生的五起电站转子和叶轮飞裂事故”，加拿大发生的两起电机护环飞裂事故等等。北京交通大学磺士学位论文第一章绪论对于以上事故，经过科学家们的研究发现材料破坏时的工作应力远低于设计时材料的许用应力。研究认为断裂都是由于材料内部的裂纹引起的，而当材料或构件具有裂纹时，经典的材料强度指标仅具有宏观的或维象的意义。而不能作为评价材料承载能力的一个指标。裂纹缺陷的存在是酿成这些灾难性事件的祸根，那么是否可以使构件中不存在这样的裂纹呢? 答案是否定的。首先，安装构件前不可能对所有的构件进行探伤检查；其次，即使材料不存在宏观裂纹，材料内部也存在着微观和亚微观裂纹，而这些裂纹通过射线摄影、超声波探伤和磁探探伤可能检查不出来；最主要的是这些构件在承受几十年的荷载特别是循环荷载作用后，是不可能保证每个构件都不出现裂纹的。所以，研究确定带裂纹构件的承载能力及安全性能的方法，将在工程建设和理论研究中具有重要的意义。1 2 钢构件产生脆断的影响因素固体力学以工程材料或结构材料的光滑试样的拉伸试样把材料分成脆性与韧性两大类“1 。当材料的延伸率6 c 5 时，被划定为脆性材料，如灰口铸铁和玻璃钢等；当材料的延伸率6 ，5 时，被划定为韧性材料，如低碳钢等。虽然根据延伸率材料被分为脆性材料和韧性材料，但是并不是只有脆性材料才发生脆性断裂，在一定条件下韧性材料同样可能会发生脆性破坏，材料的脆性断裂受很多因素的影响。1 、应力的影响州应力状态对材料的力学性能( 脆性、韧性) 具有重大影响。与单轴和双轴不同，三轴拉伸应力状态能使材料变脆。众多试验表明，韧性材料在三轴拉伸状态下呈脆性破坏。相反，脆性材料在三轴压缩状态下呈现屈服后断裂。特别是对于厚度较大的钢构件，当材料处于三向压应力时，对晶粒的滑移很不利，从而产生厚度方向和宽度方向上不同的应力，而造成钢构件脆性破坏的可能性。分析脆性断裂时，应力应是构件的实际应力，即应把应力集中和残余应力等因素考虑进去。如果构件中有比较严重的应力集中和较大的残余压应力，则容易引起构件的脆性断裂。应力集中越严重，就越容易发生脆性破坏。北京交通大学硕士学位论文第一章绪论2 、材料的韧性“”为了防止断裂，结构的材料应根据所处环境具有一定的韧性。衡量韧性的准则，目前大多采用冲击韧性试验。影响材料韧性的因素除了化学成分、冶炼方法、浇铸方式、轧制工艺、焊接工艺等之外，构件厚度、应力状态、工作温度和加荷载速率等也有明显影响。3 、温度的影响”1温度的高低将影响晶体中位错的运动。较高的温度将有利于晶粒的运动，增加材料的塑性；而较低的温度使得钢材中晶粒运动速度变慢，钢材产生剪切滑移的能力变低，变形能力变低。4 、材料缺陷( 裂纹) 的影响跚“”“”断裂力学认为，对脆性断裂必须从结构内部存在着微小裂纹的情况出发进行分析。裂纹或类裂纹缺陷尺寸一般在0 1 哪到1 c m 量级，但也可直m 量级，比位错( 1 旷c m ) 大得多，所以它是一种宏观缺陷。这类宏观缺陷能使某些高强度韧性材料( 如高强度钢) 发生低应力脆性破坏。原因是越尖锐的裂纹越使得构件受力时处于高度的应力集中下，裂纹随应力增大而扩展，起初是稳定的扩展，后来达到临界状态，出现失稳扩展而断裂。而且低应力脆性断裂都是由于裂纹或类裂纹缺陷的传播而引起的。由于工程结构元件内部存在裂纹，与裂纹直接相联系的局部区域的应力将重新分布。尽管整个截面上的平均应力小于盯，但上述局部区域应力却可能很大，这种局部区域的应力状态成了裂纹扩展、并导致工程元件断裂的控制性因素。5 、其他影响因素除了以上的因素外，材料的微结构、晶粒大小、结构成分、试样与结构的尺寸、加载速度、机械处理与热处理以及环境都可能影响材料的脆性和塑性。1 3 断裂问题的简要回顾人们对断裂的认识有悠久的历史，立了各种机械产品的设计方法和规范，在大量研究和长期实践的基础上，建开发了适用于不同服役条件的具有某北京交通大学硕士学位论文第一章绪论些特殊性能或综合优良的各类工程材料。传统的设计方法和规范把材料和构件作为连续、均匀和各向同性的受载物体来处理，对其进行力学分析，确定构件危险截面的应力和应变；考虑安全系数后，对材料提出相应的强度和塑性、韧性要求，以保证构件的安全运行，防止断裂或其它失效方式的产生。但是材料和构件往往存在各种微观和宏观缺陷，是不均匀的非连续的，而这些缺陷影响材料和构件的强度和服役性能，这一点早已为人们所熟知。早在1 5 世纪，D av j n d 测量钢丝的强度时发现，钢丝赢径相同时其抗拉强度与长度成反比“”，因而推出铁丝的缺陷控制其强度，铁丝越长，体积越大，存在缺陷的可能性越大，强度也越低。然而，材料缺陷对构件强度影响的量化在1 9 2 0 年由格里菲思( G r i f f i t h )首先完成“”“”，格里菲思在对不同厚度的平板玻璃做了大量试验后，认为实验值和理论值的差别源于试件中存在裂纹。格里菲思发现玻璃脆性断裂时的名义应力J 和裂纹尺寸口的关系是s 口= 常数。但是该理论不能直接用于金属材料的断裂破坏，1 9 4 4 年，泽纳( z c n e r ) 和霍洛蒙( H o l l o m ) 首先把格里菲思概念用于金属材料的脆性断裂“”。然而断裂力学作为一个独立的工程学科，应该是始于1 9 4 8 年的I r w i n 的经典性论文“F h d u r eD v n 锄i c s ”的发表，1 9 5 7 年h w i n 【”1 推出裂纹尖端应力场的渐进形式，并引入表示裂纹尖端应力场强度的参数K ，并针对格里菲思讨论的问题得出K 一盯一。在弹性和小范 围屈服情况下，断裂准则可写成K K ，式中K 。为平面应变断裂韧性。1 9 6 1年，P c P a i 陪“o 首次提出，在恒幅循环加载中，疲劳裂纹的扩展速率妇d 与应力强度因子A K 有关。这一方法此后被广泛地应用于裂纹尖端存在小范围塑性变形条件下的疲劳裂纹扩展研究。此外，1 9 6 1 年w b l l s “”提出了c o D 概念；1 9 6 8 年R i c e 提出了J 积分的概念，都极大地推动了断裂力学的发展。对于疲劳问题的研究应早于对断裂问题的研究。疲劳研究已经有了1 7 0多年的历史，在1 8 2 9 年，德国工程师W A J 舢b e r l 对铁链做了反复受载试验，得出了第一个疲劳实验报告”“。随后，B r a i t h w a i t c 于1 9 5 4 年首次在论文中使用了“疲劳”( f a I i g I I e ) 这一术语来描述在反复施加的荷载作用下结构发生破坏这一现象。然而疲劳裂纹的研究始于4 0 年代末嘲，期间给出了裂纹扩展速率的表达形式：4 r = 爿- 盯”口“。式中盯为外加应力，口为裂纹长度，彳、州、以为，“试验确定的常数。北京交通大学硕士学位论文第一章绪论以后，随着断裂力学的发展，裂纹疲劳的研究也得到快速的发展，最大的成就就是P a i l s 提出的疲劳裂纹扩展速率表达式：d 0 = c K “，从两将裂纹尖端应力强度因子范围A K 引入疲劳裂纹扩展的研究，表明疲劳裂纹扩展的控制参数是K 。7 0 年代，提出了疲劳裂纹扩展门槛应力强度因子瓦，使得断裂力学理论在疲劳裂纹扩展、裂纹疲劳允许应力方面的应用进一步发展。1 4 本文的主要研究内容与方法1 、综述平面应变断裂韧度K 。的测试试样、方法及步骤等。主要以嫩江 铜桥的检测为例，分析平面应变断裂韧度K 在裂纹构件安全性能评估中的应 用。采用有限元分析裂纹构件的承载能力并分析裂纹长度口对断裂韧度测试结果的影响。2 、介绍疲劳裂纹扩展门槛值斌j ( 门槛应力值) 的测试原理、方法及步骤。以嫩江钢桥为例分析疲劳裂纹扩展门槛值缱。的应用，并主要介绍疲劳裂纹扩展寿命的估算。有限元分析裂纹构件的疲劳寿命并分析影响其大小的关键因素。3 、总结裂纹构件安全性能评估的步骤及疲劳性能评估步骤。北京交通大学硕士学位论文第二章断裂力学分析理论基础第二章断裂力学分析理论基础前言承载结构的强度破坏可分为以屈服为主的破坏和以断裂