断裂损伤力学在混凝土桥梁损伤评估分析的作用

(重庆交通大学土木工程学院 重庆 400047)

一、引言

现如今对于钢筋混凝土桥梁疲劳损伤与剩余寿命的评估尚未存在规范标准，传统的计算方法是根据小尺寸试件的实验室加载结果，拟合出构件的常幅疲劳强度和寿命的关系曲线，即S-N 曲线[1-2]，再验算断面上的应力比，在设计强度的荷载条件下进行折算得到.对于该方法，在实现钢筋混凝土桥梁疲劳损伤与剩余寿命的评估时主要是依据混凝土桥梁的承受车辆荷载的信息评估一个周期内桥梁构件的累积疲劳损伤程度。这种方法实施简单，但是其弊端是研究者需知道待测桥梁承受车辆荷载的详细信息，倘若缺乏某段时期内的车辆荷载信息则很难对待测混凝土桥梁作出可靠的疲劳损伤与剩余寿命的评估。基于线性断裂力学的疲劳寿命评估混凝土桥梁疲劳寿命[3]的研究则不需要知道待测混凝土桥梁承受车辆荷载的历史信息，该方法是根据勘探混凝土桥梁关键部位发生的断裂裂纹或者测试者提出一个初始的假设裂纹，在已知裂纹的基础上，在循环应力作用下观察裂纹演变情况，直至裂纹扩展至疲劳损坏状态，然后根据受载信息对混凝土桥梁进行疲劳损伤与剩余寿命的评估。

二、等效模型的建立

通过波的干涉试验，发现混凝土中裂缝的尖端总是存在一个微裂缝区，这些微裂缝集中分布在一个不大的带宽范围内，其宽度与混凝土中骨料的尺寸相当。也就是说，裂缝的开展不是尖端的，而是钝化的，非线性断裂力学的钝裂缝带模型也就产生了。

(一)钝裂缝带模型

钝裂缝带模型是用一条包含平行的、密集分布的微裂缝带来模拟实际裂缝和断裂区。它将各向同性的弹性矩阵转换成为正交各向异性矩阵，以降低垂直于裂缝方向上的刚度，可以很好地近似模拟实际裂缝的传播路径。钝裂缝带模型考虑了断裂区前端应力逐渐降低的应变软化规律。除了微裂缝开裂扩展能够引起应变软化以外，其他诸如一些不可见的黏结面断裂或者一些亚微观缺陷等也会引起应变软化，因此，要求应变软化区的尺寸范围要大于微裂缝区，即要求选取的结构计算尺寸是混凝土中最大骨料尺寸的三倍以上，以使代表体的应力应变分布具有实际的物理意义。实际上，裂缝在其扩展过程中总是围绕着骨料等微观结构曲折前进，任意截面上的应力分布也不可能是平滑的，其总是会在平滑线两侧不停的摆动，因此，在宏观上是采用了等效的均质体。

(二)开裂混凝土的本构关系

水利工程的地下防渗墙竖向面积大，水平方向厚度小，荷载主要受水平力作用。钝裂缝带模型能够很好地分析混凝土断裂过程中的应力应变关系，描述应力状态下裂缝尖端附近的断裂效应，因此，可以将这一理论引入到设计中来，在平面状态下，模拟防渗墙分布裂缝模型，对防渗墙非线性断裂破坏的分布裂缝模型进行分析。普通混凝土防渗墙墙体在水平荷载作用下，其所受的主拉应力值σ1 大于混凝土极限抗拉强度ft 时，墙体开裂面附近充满均匀分布的平行裂缝，墙体起裂。而对于塑性混凝土墙体，由于卸载时会产生残余变形，因此在重新加载计算时，可能出现ε1>εt，而σ1

三、分布裂缝模型在实际工程中的应用

(一)工程概况

湖南省常德市沅水大桥位于地处国道207线和国道319 线交叉处，大桥全长1408 m，主桥孔跨布置为528 m，预应力连续梁桥，大桥支撑体系为混凝土连续梁支撑体系.南北两岸引桥均采用为T 型简支梁结构，南岸引桥设7孔；北岸设4孔，大桥下部构造为双柱式墩，桥面净宽：19 m。

(二)沅水大桥的疲劳寿命评估

对常德沅水大桥进行健康监测，在评测时对监测状态分为正常、警告和报警3个等级，其中针对每个实时预警等级设定不同的报警阈值。全桥总体疲劳损伤状况为每个部分评测结果的加权平均值。

根据前文初始裂纹的计算方法，通过观察大桥表面未发现裂纹，于是在评估过程中采用假设周初始裂纹的方法进行混凝土桥梁损伤和剩余寿命评估.大桥的受力主筋为16 的II级钢筋，其半径r为8 mm，屈服强度为=335 MPa，选取断裂韧度K= 50*.选择钢筋断裂临界裂纹深度a，并依据a= min判断混凝土构件是否发生断裂现象.根据经验，选取钢筋的断裂常数D =2*和m=4，钢筋裂纹扩展门槛值的大小选取=2.0*.依据应力强度因子的几何修正因子公式和应力刚度因子* 进行判断和的大小关系，如果>则表示出现裂纹扩展，相反，如果则说明没发生裂纹扩展.关于裂纹扩展增量的计算，记裂纹的扩展量为，那么，下一时刻裂纹的长度与此刻裂纹的长度满足，将更新后的裂纹长度代入应力幅水平计算公式中便可以计算出应力强度因子、裂纹的扩展量以及下一时刻的裂纹长度等值，计算可得沅水大桥的疲劳损伤状况.

根据混凝土桥梁断裂特性，取临界韧性断裂长度作为沅水大桥临界断裂深度.由计算结果可知，对于测量点S1，由初始裂纹从0.1 mm 扩展到临界裂纹深度=7.82 mm 时，该测量点钢筋承受应力不超过179 MPa 的条件下，该部位结构剩余寿命为252a，其他测量点处结构剩余寿命同理可得.设定该桥梁安全系数为1.5，在不计其他因素的影响情况下，沅水大桥在设计年限内不会发生疲劳损坏，在此以后，若桥梁仍处于使用状态，可采用上述方法对桥梁重新进行疲劳损伤及寿命评估分析。

四、结语

本文在传统分析典型混凝土桥梁疲劳损伤及剩余寿命预测的基础上，提出一种基于断裂力学为基础的混凝土桥梁疲劳损伤及剩余寿命的评估方法.该方法根据变幅应力频谱计算混凝土桥梁的疲劳寿命，并建立等效疲劳车模型.在此基础上，提出基于断裂力学的混凝土桥梁疲劳损伤及寿命评估，最后以湖南省常德市沅水大桥为工程实例，根据前期实验数据，结合本文的理论分析，断裂力学方法在进行典型混凝土桥梁研究中表现出良好的可信度，是一种非常有研究价值的混凝土桥梁疲劳损伤和剩余寿命的研究评估法.但由于测量点的布置有限，以及影响混凝土桥梁疲劳损伤及寿命的因素较多，混凝土桥梁疲劳损伤及寿命的正确评估与分析还有待进一步研究。