基于断裂力学分析桥梁结构极限承载力

断裂力学在钢桥的疲劳和断裂中的应用作者：熊茜曾令宏来源：《城市建设理论研究》2013年第03期摘要：随着经济的发展和交通量的增大，我国交通线上存在了大量老龄钢桥，这些老龄钢桥承受着日益繁重的交通荷载，其疲劳剩余寿命己受到桥梁管理部门的高度重视。

为确保老龄钢桥的使用安全，避免不必要的维护与更换，分析老龄钢桥疲劳与断裂的原因与疲劳破坏机理十分必要。

利用断裂力学对钢桥的疲劳与断裂进行科学的分析，进行疲劳寿命估算，在实际工程中具有重要的意义。

关键词:钢桥,老龄化,疲劳,断裂，破坏机理，断裂力学，研究意义。

中图分类号：C913.32 文献标识码：A 文章编号：一．钢桥疲劳脆断的形式及原因由于日益繁重的交通荷载，钢桥构件上出现了大量因疲劳和脆断而引起的局部破坏。

一般都是在快速解理断裂之前疲劳裂纹即已扩展到表面，很少例外。

常常有几种不同类型的裂纹出现在钢桥结构的不同细节上。

1、出于小间隙处的面外变形引起的疲劳裂纹大多数出现在主梁腹板部分。

当该变形引起的开裂出现在桥梁上时，在修复之前会有大量裂纹形成。

由该变形引起的小间隙处的循环应力振幅往往很高，因此在结构体系中同时会形成许多裂纹。

但是，疲劳强度较低的细节部分成较大的内部缺陷可能只产生一条很大的裂纹。

在别处出现很大的损伤之前就能检测出来并修复那些潜在的裂纹部位。

面外变位引起的疲劳裂纹出现在各种桥梁结构中，其中有悬索桥、设有横梁的双主梁桥、多片主梁桥、系杆拱桥和箱梁桥。

裂纹最初形成在平行于结构设计所考虑的拉应力平面内。

这些平行于拉应力的裂纹如果能在转变到垂直于预定荷载产生的拉应力方向之前就被发现并修复，则它们就不会损伤结构的性能。

发生这许多裂纹是因为把这种被口焊接部件作为次要构件或附连件考虑，以至既没有建立焊缝质量判别标淮，又没有要求对受影响的焊缝进行无损探伤检验。

连续纵向加劲肋的拼接处是属于这一类型的普通情况。

与此类似的情况是在竖向加劲肋和水平节点板之间用挡板来施焊的坡口焊缝。

隧道衬砌裂缝基于断裂力学的简要分析发布时间：2022-08-08T07:34:50.205Z 来源：《城镇建设》2022年第5卷第6期作者：岳善钧[导读] 隧道构砌是承受围岩压力，防止隧道垮塌的主体混钢筋凝土结构岳善钧重庆交通大学土木工程学院，重庆 400041摘要：隧道构砌是承受围岩压力，防止隧道垮塌的主体混钢筋凝土结构。

由于隧道衬砌其受力复杂以及容易受地质条件、温度变化等因素，隧道衬砌易产生裂缝，影响隧道的正常运营。

因此，基于断裂力学理论对衬砌裂缝进行简要分析，有利于在实际工程中预防和控制裂缝，减小对隧道安全运营影响。

关键词：隧道衬砌、裂缝、断裂力学1 引言自改革开放以来，中国的经济取得了快速的进步，为了迎合经济快速发展的趋势，中国的基础设施建设也迫在眉睫。

近些年我国交通基础建设处于飞速发展的阶段，特别是在西部地区，由于山地较多，在建或已经建成的隧道的数量日益增加。

显然目前，我国已经是隧道大国、强国，其数量规模都是世界之最。

然而，由于施工、设计、地质条件等因素的影响，隧道建成后在运营过程中，其病害普遍存在。

而裂缝和漏水是主要病害，故应当引起重视。

由于裂缝在隧道中普遍存在且目前对这方面的研究比较少，对隧道裂缝的研究是十分必要的，本文简要介绍通过基于断裂力学分析隧道裂缝开裂，有助于解决隧道工程中衬砌结构开裂问题。

2 隧道衬砌裂缝当公路隧道出现衬砌裂缝时，其表衬砌层会出现开裂、脱落等情况，轻则造成隧道渗水、漏水，表层脱落严重的会影响隧道内壁的承重能力，导致隧道内部结构失稳，甚至造成垮塌等严重的安全事故。

因此，不能忽略衬砌裂缝带来的严重性。

衬砌裂缝可以根据裂缝走向将其分为竖向裂缝、纵向裂缝、环向裂缝，不同种类的裂缝的处理方式不尽相同。

3 断裂力学理论断裂力学是研究含裂纹材料或结构的强度及裂纹扩展规律的学科;断裂力学可以归类为固有的线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学;线弹性断裂力学适用于裂纹尖端附近的小屈服区，弹塑性断裂力学适用于裂纹附近的大屈服区。

断裂力学在桥梁工程领域中的应用综述摘要：带裂缝工作是桥梁结构最为普遍的状态。

施工工艺，外界荷载以及收缩徐变等因素都会造成桥梁结构产生大量裂纹。

裂纹的存在状态，发展规律均会影响桥梁结构的安全性能。

正因为如此，越来越多的学者利用断裂力学理论针对桥梁结构进行承载能力，耐久性等方面的分析研究。

在此背景下，介绍了断裂力学面向的问题，以及断裂力学在钢桥疲劳寿命预测、结构焊接以及混凝土桥梁领域的应用，并指出现有研究存在的缺陷。

关键词：断裂力学；桥梁工程；疲劳寿命；焊接；混凝土开裂；综述1断裂力学基本理论断裂力学是固体力学的一门分支，主要研究材料和结构内部裂纹的发展规律，包括：裂纹的起裂条件，裂纹的发展规律以及裂纹发展的临界状态。

断裂力学中将裂纹分为三种类型，分别为I型裂纹（张开型）、II型裂纹（滑开型）以及III型裂纹（撕开型），如图1所示。

（a）I型裂纹（b）II型裂纹（c）III型裂纹图1 三种基本裂纹类型应力强度因子K表征了裂纹尖端区域应力场奇异性的强度，其值与裂纹体的几何形状和受荷情况有关。

Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型裂缝的应力强度因子算式为：（1）（2）（3）对于某一确定材料，总存在一个临界强度因子K C。

当某一裂纹的应力强度因子K 达到K C时，认为裂纹发生失稳。

2基于断裂力学的钢桥疲劳寿命预测钢结构问世后的很长一段时间内，大量工程人员普遍采用基于S-N曲线的评判方法针对钢结构的疲劳寿命进行预测。

伴随着断裂力学的逐步发展成熟，研究人员认为断裂力学能够很好的揭示结构内部裂纹的发展规律，线弹性断裂力学开始被普遍应用于钢桥梁结构疲劳寿命预测领域。

早在1963年，Paris 等就提出等幅疲劳荷载作用条件下，钢结构疲劳裂纹的扩展速率与应力强度因子幅度之间存在相关性。

经过进一步的研究，Paris 等于1963年提出著名的Paris 公式，其公式的基本形式为：（4）式中ΔK为应力强度因子幅度，C、m均为与钢结构材料特性有关的常数。

公路混凝土桥梁疲劳寿命安全评估方法赵学峰【摘要】公路桥梁疲劳寿命的准确评估,对于车辆行驶安全具有重要的现实意义,基于此,提出并设计了一种基于S-N曲线的公路混凝土桥梁疲劳寿命安全评估方法.利用混凝土外荷载与疲劳寿命间的关系,建立S-N评估曲线,进而确定桥梁混凝土的临界裂纹尺寸,在此基础上,对其安全裂纹拓展尺寸进行计算,实现公路桥梁疲劳寿命的准确评估.通过实验论证分析的方式,确定基于S-N曲线评估方法的有效性,结果表明,该方法能够较好地预测公路混凝土桥梁的疲劳使用寿命,较弹性力学评估方法具有明显的优势.【期刊名称】《山西交通科技》【年(卷),期】2019(000)002【总页数】4页(P62-64,68)【关键词】桥梁;疲劳寿命;安全评估;S-N曲线【作者】赵学峰【作者单位】山西省交通科学研究院桥梁工程防灾减灾山西省重点实验室,山西太原 030006【正文语种】中文【中图分类】U441.40 引言随着交通运输业的不断发展，公路桥梁的安全运输也成了人们关注的重点，在众多已建成或正在建设的公路桥梁中，钢筋混凝土结构占很大比重，因此，对混凝土疲劳寿命的准确评估具有重要的现实意义。

多年来，国内外专家学者在结合混凝土的抗疲劳特性、剩余寿命预测等方面，对混凝土的疲劳寿命做出了众多评估与研究，也取得了许多有学术价值的科研成果，例如弹性力学评估方法[1]。

这些方法虽能对混凝土结构材料进行有效的疲劳寿命评估，但偏差值较大，无法对公路桥梁等混凝土结构建筑进行准确的寿命预测，严重影响我国交通运输业的进一步发展。

针对上述问题，本文提出并设计了一种基于S-N 曲线的疲劳寿命安全评估方法，并通过实验论证分析的方式，确定该方法的可行性。

结果表明，以钢筋混凝土的S-N 曲线为基础，依照线性疲劳损伤累加原则对桥梁疲劳损伤程度进行分析与评估的方式，能够对公路混凝土桥梁的疲劳使用寿命进行准确评估与预测，较弹性力学评估方法具有极高的有效性。

钢筋混凝土梁的开裂状况对其承载力的影响研究钢筋混凝土梁在使用过程中常常会出现开裂现象，这些裂缝的形成可能会对梁的承载力产生影响。

因此，本研究旨在探究钢筋混凝土梁开裂状况对其承载力的影响，并为工程师和设计师提供关于如何提高梁的结构性能的指导。

首先，本研究将通过实验方法对不同开裂状况下的钢筋混凝土梁进行加载测试。

实验中将对不同水平和垂直裂缝的梁进行单调加载和循环加载，并记录其载荷-位移曲线。

通过分析实验数据，我们可以评估开裂状况对梁的刚度、延性和强度等力学性能的影响。

其次，为了更深入地理解开裂状况对梁的承载力的影响，本研究将采用数值模拟方法进行分析。

通过有限元分析软件，我们可以模拟不同开裂参数下的钢筋混凝土梁的力学行为。

在模拟中，将考虑材料的非线性以及开裂对梁的刚度和强度的影响。

通过对比实验数据和数值模拟结果，我们可以验证模型的准确性，并进一步研究开裂状况对梁的承载力的影响。

最后，本研究将提出一些建议和措施，以减轻钢筋混凝土梁开裂状况对其承载力的影响。

这些建议可能包括改变梁的几何形状、加强钢筋布置和增加混凝土强度等。

通过采取这些措施，我们可以提高钢筋混凝土梁的结构性能，延缓或减少开裂的发生，并确保梁在使用寿命内
具有足够的承载能力。

总之，本研究的目标是深入研究钢筋混凝土梁开裂状况对其承载力的影响，并为工程实践提供相关的设计建议和指导。

通过这项研究，我们将为提高钢筋混凝土梁的结构性能和安全性做出贡献。

材料力学之材料疲劳分析算法：断裂力学模型：实验方法与材料疲劳性能测试1 材料疲劳分析基础1.1 疲劳分析的基本概念疲劳分析是材料力学的一个重要分支，主要研究材料在循环载荷作用下逐渐产生损伤并最终导致断裂的过程。

材料在承受重复或周期性的应力时，即使应力远低于材料的静态强度极限，也可能发生疲劳破坏。

这一现象在工程设计中极为关键，因为许多结构件如桥梁、飞机部件、机械零件等，都可能在使用过程中遭受循环载荷。

1.1.1 原理与内容疲劳分析的基本概念包括：-应力幅：循环应力中最大应力与最小应力之差的一半。

-平均应力：循环应力中最大应力与最小应力的平均值。

-应力比：最小应力与最大应力的比值。

-循环次数：材料承受循环载荷的次数，直到发生疲劳破坏。

-疲劳强度：材料在特定循环次数下不发生疲劳破坏的最大应力。

1.2 疲劳损伤累积理论疲劳损伤累积理论是评估材料在不同载荷循环下累积损伤程度的理论。

其中，最著名的理论是Miner线性损伤累积理论，该理论认为材料的疲劳损伤是线性累积的，即每一次载荷循环对材料的总损伤贡献是相同的。

1.2.1 原理与内容Miner线性损伤累积理论的公式为：D=∑N i N fni=1其中：-D是总损伤度。

-N i是在应力水平i下的循环次数。

-N f是在应力水平i下材料的疲劳寿命。

1.2.2 示例代码假设我们有以下数据：-材料在应力水平100MPa下的疲劳寿命为10000次。

-材料在应力水平200MPa下的疲劳寿命为5000次。

-材料在应力水平300MPa下的疲劳寿命为2000次。

在实际应用中，材料可能在这些应力水平下分别承受了5000次、2000次和1000次循环。

1.3 S-N曲线与疲劳极限S-N曲线是描述材料疲劳性能的重要工具，它表示材料的应力水平与所能承受的循环次数之间的关系。

疲劳极限是指在无限次循环下材料能够承受而不发生疲劳破坏的最大应力。

1.3.1 原理与内容S-N曲线通常通过实验数据绘制，实验中材料样品在不同应力水平下进行循环加载，直到发生疲劳破坏，记录下每个应力水平下的循环次数。

断裂力学在桥梁工程中的应用
断裂力学是工程力学中的一种重要分支，用于研究物体在施加外力时发生断裂的原理和规律，具有重要的实际意义。

在桥梁工程中断裂力学的应用越来越广泛，断裂力学有助于估算桥梁在服役过程中可能发生的破坏情况，以及整个桥梁结构将面临什么样的最终限度性状态，发挥着极其重要的作用。

一般而言，桥梁工程中断裂力学的应用融合了结构力学的分析和破坏力学的分析，可以提供完善的断裂数据，以准确估算桥梁的可靠性强度特性，确定桥梁的承载能力与结构的安全性。

断裂力学提供的数据可作为内力的模型标准，以准确表示桥梁材料的承载力，比如受力元件的弹性系数、塑性系数、压缩强度、抗剪能力、抗弯能力等，这些数据很有帮助。

此外，断裂力学还可以帮助估算桥梁结构在运行过程中可能发生的破坏情况，比如裂纹发展情况、疲劳断裂情况等，从而及时采取有效的措施阻止破坏进一步升级，确保桥梁的正常使用。

此外，断裂力学在桥梁施工过程中的应用也非常重要。

断裂力学的理论为桥梁施工提供了立体的破裂防护模型，可以准确估算桥梁结构的最终安全限度，并且可以精确的诱导和控制裂纹的发展和扩展，控制桥梁的破坏极限，确保桥梁的正常安装及施工安全。

总之，断裂力学是桥梁工程中不可缺少的重要学科，它可以解决桥梁施工、设计和使用中面临的各种技术问题，有助于更加合理地使用桥梁材料、优化桥梁结构，确保桥梁的安全可靠性，以满足桥梁的服务要求。

断裂力学在桥梁工程中的应用【摘要】本文主要探讨了断裂力学在桥梁工程中的应用。

首先介绍了桥梁结构设计中的断裂力学分析，指出了其在预防桥梁结构断裂方面的重要作用。

接着讨论了断裂力学在桥梁材料选择、监测与维护以及事故分析中的应用，阐明了其在提高桥梁结构安全性和可靠性方面的作用。

最后探讨了断裂力学在桥梁设计标准中的应用，指出其为桥梁设计提供了重要的理论支持。

总结指出，断裂力学为桥梁工程提供了重要的理论支持，未来桥梁工程发展需要进一步强化断裂力学的研究与应用，以确保桥梁结构的安全和可靠性。

【关键词】断裂力学、桥梁工程、应用、结构设计、材料选择、监测与维护、事故分析、设计标准、理论支持、未来发展、研究、关键词1. 引言1.1 断裂力学在桥梁工程中的应用断裂力学在桥梁工程中的应用是一项重要的技术领域，它能够对桥梁结构的强度和稳定性进行有效分析和评估。

随着桥梁工程的不断发展，对结构的安全性和可靠性要求也越来越高，断裂力学的应用成为了确保桥梁结构正常运行的重要手段。

在桥梁结构设计中，断裂力学分析可以帮助工程师确定结构的疲劳寿命和承载能力，从而避免由于裂纹扩展而导致结构破坏的风险。

断裂力学还可以指导工程师选择合适的材料和工艺，以确保桥梁结构在不同环境和荷载条件下的安全性。

在桥梁监测与维护领域，断裂力学的应用可以帮助工程师及时发现结构中的裂纹和缺陷，并制定相应的修复方案，延长桥梁的使用寿命。

当桥梁发生事故时，断裂力学分析也可以帮助工程师迅速找出事故原因，并改进设计和维护策略，减少类似事故再次发生的可能性。

断裂力学为桥梁工程提供了重要的理论支持，促进了桥梁结构的安全性和可靠性。

未来，随着桥梁工程的不断发展，我们需要进一步强化断裂力学的研究与应用，为建设更安全、更稳定的桥梁做出更大的贡献。

2. 正文2.1 桥梁结构设计中的断裂力学分析桥梁结构设计中的断裂力学分析是桥梁工程设计中非常重要的一部分，它主要用于评估桥梁结构在受力情况下的疲劳和断裂性能。

【干货】钢架桥极限载荷分析
对钢桥进行建模，其构件如下：
构件构件尺寸/mm
中间上弦杆300x450x8 钢箱梁
过渡上弦杆300x450x10 钢箱梁
端部上弦杆300x450x12 钢箱梁
下弦杆300x450x8 钢箱梁
竖腹杆300x300x8 钢箱梁
上横梁HW150x150x7/10热轧 H型钢
下横梁HM 244x175x7/11热轧H型钢
端下横梁300x300x8 钢箱梁
上平联HW200x200x8x12 热轧H型钢
下平联HW200x200x8x12 热轧H型钢
桥门架HW200x200x8x12热轧 H型钢
门楣2[14a 普通槽钢
桥面板6mm厚Q235钢板
首先，在整个钢引桥上施加恒载和横向风荷载，然后再桥面系上施加竖向均布荷载，直至结构发生失稳，由此求出相应的极限承载力，然后，逐渐改变横向风荷载的大小，得出极限承载力与横向风载的关系。

通常提高拱肋稳定性一般采用以下两种方法：一种就是改变截面宽度，另一种就是提高截面高度。

前面，我们从拱肋内倾，研究表明拱肋适当内倾，能够影响钢引桥的横向稳定性，接下来，我们将从拱肋截面形式变换，来探讨分析不同拱肋截面形式改变，致使钢引桥的稳定性的改变。

拱肋截面形式组合截面
550x300x12x14
HM482X300X11/15
热轧H型钢
300x450x10
钢箱梁
横截面积146.6 146.4 146.0 极限承载8.8810.6。