實(shí)用結(jié)構(gòu)工程防斷裂

張鵬程1  呂建平2

(1．廈門大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院361005廈門；

2．陜西省建筑設(shè)計(jì)研究院  710003  西安)

    長期以來工程上對構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的計(jì)算基本上采用材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)方法，通常假定材料是均勻的連續(xù)體，避開客觀存在的裂紋和缺陷，起初只要計(jì)算應(yīng)力不超過許用應(yīng)力，就認(rèn)為結(jié)構(gòu)安全可用。這種方法往往把裂紋等不確定因素的影響考慮在安全系數(shù)里，對純粹計(jì)算應(yīng)力作放大，使其積小于容許應(yīng)力。后來，又總結(jié)荷載和材料強(qiáng)度的概率統(tǒng)計(jì)規(guī)律對允許應(yīng)力法進(jìn)行修正而產(chǎn)生概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，由于這種方法簡單易行，在過去和現(xiàn)在的工程中發(fā)揮了重要作用。但現(xiàn)實(shí)工程中有一些雖然滿足上述常規(guī)設(shè)計(jì)理論，在使用中卻會發(fā)生難以預(yù)料的“低應(yīng)力脆斷”現(xiàn)象，提醒人們必須研究普通設(shè)計(jì)理論的缺陷。經(jīng)過長期的觀察研究發(fā)現(xiàn)，這些“低應(yīng)力脆斷”事故具有一些共同的特點(diǎn)，如破壞時應(yīng)力水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的屈服應(yīng)力；破壞可能起源于構(gòu)件內(nèi)微小的裂紋。這說明某些情況下傳統(tǒng)構(gòu)件計(jì)算方法并不能保證構(gòu)件安全；同時使人們認(rèn)識到，對含有裂紋的物體必須作進(jìn)一步研究。

    近幾十年，斷裂力學(xué)領(lǐng)域研究了帶裂紋體的強(qiáng)度以及裂紋擴(kuò)展規(guī)律，裂紋尖端附近應(yīng)力應(yīng)變情況，及裂紋在荷載作用下的擴(kuò)展規(guī)律；針對帶裂紋構(gòu)件的承載能力問題，提出構(gòu)件抗斷裂設(shè)計(jì)方法，可以改善實(shí)際工程構(gòu)件的安全。斷裂力學(xué)把含裂紋構(gòu)件的斷裂應(yīng)力和裂紋大小及材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力定量的聯(lián)系在一起，較圓滿的解釋了構(gòu)件的“低應(yīng)力脆斷”事故，更重要的是為避免這類事故找到了辦法，同時也為發(fā)展新材料、新工藝指出了方向。在相關(guān)學(xué)科和工程技術(shù)部門已引起了廣泛重視和應(yīng)用。

    構(gòu)件裂斷的原因一般由于裂紋缺陷造成的應(yīng)力集中。材料光彈性試驗(yàn)證實(shí)，有、無裂紋受拉構(gòu)件其應(yīng)力分布存在明顯差異，如用應(yīng)力線的概念表示應(yīng)力，則對無裂紋體其應(yīng)力基本均勻分布；對有裂紋構(gòu)件，裂紋附近截面上的應(yīng)力分布就不再均勻了，存在明顯應(yīng)力集中。因?yàn)榱鸭y內(nèi)表面是空腔，沒有應(yīng)力作用，因而應(yīng)力線不能通過，只有被迫繞過裂紋擠在裂紋兩端，幾乎原應(yīng)在裂紋位置長度范圍內(nèi)均勻分布的應(yīng)力線全部擠在裂紋尖端，使裂紋尖端的應(yīng)力線密度增大，因而使裂紋尖端的應(yīng)力增大很多。這樣，在裂紋尖端小區(qū)域內(nèi)，應(yīng)力值遠(yuǎn)比截面上的平均應(yīng)力大，即造成了應(yīng)力集中現(xiàn)象。裂紋越長，應(yīng)力集中現(xiàn)象越嚴(yán)重。當(dāng)這種局部集中應(yīng)力大到臨界斷裂應(yīng)力值時，裂紋快速擴(kuò)展，裂紋尖端材料分離，因而使帶裂紋構(gòu)件的強(qiáng)度大為降低，在低于材料平均屈服強(qiáng)度時，就可能斷裂破壞。

    斷裂力學(xué)是常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算理論的發(fā)展和補(bǔ)充，它有特定應(yīng)用條件，即它主要針對微觀結(jié)構(gòu)對脆斷敏感，韌性較低的材料，構(gòu)件含有裂紋缺陷，且要有一個容易促使斷裂的應(yīng)力環(huán)境，一般來講斷裂主要由拉應(yīng)力促成。

    斷裂力學(xué)對上述現(xiàn)象進(jìn)行了深入地研究和力學(xué)描述以指導(dǎo)工程實(shí)踐，但其形成的力學(xué)方程的適用性受到現(xiàn)實(shí)條件的復(fù)雜性和隨機(jī)性的限制，而且缺乏數(shù)量更多的可靠的試驗(yàn)驗(yàn)證，目前其實(shí)用性有限。但斷裂力學(xué)所揭示的材料斷裂規(guī)律對結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)大有裨益。

    根據(jù)Griffith能量釋放觀點(diǎn)得到的Griffith斷裂判據(jù)：，對于脆性材料，若試件滿足一定的尺寸要求，則γs是一材料常數(shù)，斷裂時α2α也將為一材料常數(shù)，若實(shí)際α2α值小于等號右邊常數(shù)值，則此時應(yīng)力水平和裂紋長度不足以產(chǎn)生斷裂。若已知當(dāng)前裂紋的長度將可算出發(fā)生斷裂的臨界應(yīng)力；或已知當(dāng)前的應(yīng)力水平，將可知會發(fā)生斷裂的臨界裂紋長度。

    由材料斷裂的條件和規(guī)律出發(fā)，在建筑結(jié)構(gòu)中可以采取有效措施防止和預(yù)防惡性斷裂的發(fā)生。

    如對最常用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由于混凝土是多相混凝復(fù)合脆性材料，其裂紋多，分布規(guī)律很難掌握，裂紋性狀各異，研究難度大，效果差。針對它的裂紋進(jìn)行斷裂力學(xué)理論方程推導(dǎo)意義不大，而從斷裂原理概念性出發(fā)，在結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)中采取適當(dāng)措施就可收到良好的效果。

1、限制裂紋法：

    使裂紋區(qū)混凝土拉應(yīng)力始終處在較低水平就可防止裂紋進(jìn)一步開展，如在混凝土受拉區(qū)附加其它承力材料，代替裂紋區(qū)混凝土承受更大拉應(yīng)力，以限制裂紋區(qū)應(yīng)力不導(dǎo)致開裂。傳統(tǒng)的鋼筋就是這一原理的應(yīng)用范例，如鋼筋混凝土梁受拉區(qū)所配鋼筋，壓、剪區(qū)的箍筋都是代替混凝土受拉，使混凝土不至斷裂。我國古代用于墻體抹灰的麥秸泥，就是應(yīng)用小段麥秸阻止灰泥干裂紋的蔓延發(fā)展。現(xiàn)在正在研制的鋼纖維混凝土同樣采用細(xì)如發(fā)絲的鋼纖維段，玻璃纖維、或礦棉絲等纖維材料勻散分布在混凝土中，隨機(jī)跨越混凝土原始裂紋，適時承受應(yīng)力以限制混凝土裂紋的進(jìn)一步發(fā)展。這種復(fù)合材料的抗裂斷韌性比混凝土大有提高。原理相近的方法還有碳纖維布加固法，用抗拉強(qiáng)度很高的碳纖維織物約束混凝土的變形使裂紋無法開展。對于既有建筑，由早期工藝建造起來，初建時未考慮防斷裂措施而在使用期間已有斷裂趨勢或已經(jīng)有裂紋開展的服役結(jié)構(gòu)可采用高韌性材料進(jìn)行加固。對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)碳纖維布進(jìn)行加固已有許多成功范例，將高強(qiáng)碳纖維布粘結(jié)在原有構(gòu)件表面，當(dāng)它跨越裂紋時就可代替裂紋周圍材料承擔(dān)進(jìn)一步的變形和應(yīng)力，從而阻止裂紋開展，防止斷裂發(fā)生。巖土工程中的土釘、錨桿等也是這一原理的應(yīng)用，跨越裂縫或土體滑移面的鋼筋承擔(dān)了進(jìn)一步應(yīng)變造成的力，使裂縫端頭應(yīng)力不再增加裂縫不再能擴(kuò)張。

2、細(xì)肢合股法：

    如果把結(jié)構(gòu)中可能出現(xiàn)的影響安全的可貫通裂紋的最大尺寸限制在很小，同樣可保證構(gòu)件整體好的抗斷裂性。在鋼筋混凝土梁中提倡使用根數(shù)多、直徑細(xì)的受拉鋼筋，其抗斷裂性優(yōu)于根數(shù)較少的粗鋼筋，原因在于單根粗鋼筋一旦斷裂容易造成惡性后果，而散布在很多根細(xì)直徑鋼筋中的原始裂紋存在于同一危險(xiǎn)截面的機(jī)率會很小，即使局部有小裂紋也很難貫通。這樣相當(dāng)于限制了鋼材總截面中可能出現(xiàn)的最大裂紋尺寸，根據(jù)斷裂判據(jù)公式，可提高材料抗斷裂應(yīng)力。通常采用合股的鋼絞線代替單根受拉鋼筋會使斷裂發(fā)生的可能大大降低。古代就有的草繩、麻繩等就是用纖維束合股擰成，擰繩技術(shù)會使纖維束間產(chǎn)生摩擦力，一方面可以均勻分布拉力，另一方面當(dāng)個別纖維束斷裂后，可以把它所承擔(dān)的拉力通過摩擦力傳給其他纖維，使繩很難突然斷裂。受力大的鋼絞線通常也是合股擰成，截面上最大的通裂紋很難超過單股直徑，因而，比同樣截面積的同強(qiáng)度整根鋼筋的抗斷裂f臨界應(yīng)力水平要高得多。

3、分格法：

    在大面積的鋼筋混凝土板中布置縱橫交織的鋼筋網(wǎng)片相當(dāng)于對大板進(jìn)行分格，這種分格可以有效限制裂紋貫通，防止脆性斷裂。這種思路也可用于其他材料的大型構(gòu)件，如飛機(jī)機(jī)翼。機(jī)翼通常由單純合金材料制成，裂紋隱蔽而尖銳，開裂發(fā)展不易覺察，如在構(gòu)件材料中加入幾層錯開分布的高強(qiáng)金屬絲網(wǎng)就可以有效防范裂紋擴(kuò)大，金屬絲起到分格阻隔的作用。或者使用一些同時具備神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能的智能金屬絲，則可隨時監(jiān)測裂紋狀況，把裂紋發(fā)展控制在不影響安全使用范圍。現(xiàn)在新興的密肋墻板框架結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)的框架填充墻中布置鋼筋混凝土構(gòu)造小區(qū)格框架梁柱，把墻劃分成小格，不但提高了結(jié)構(gòu)整體性，有效防止墻體大塊開裂崩塌，還大大提高了結(jié)構(gòu)吸收和耗散地震能量的能力，所使用的填充材料強(qiáng)度可以更低，工程造價(jià)可以大幅降低，安全經(jīng)濟(jì)，效果很好。

4、結(jié)構(gòu)分層法：

    建筑工程中鋼板的使用越來越多，薄鋼板的韌性好于厚鋼板。一個原因是軋制過程中內(nèi)部組織的差別，另一原因是在應(yīng)力集中條件下，厚板接近平面應(yīng)變受力狀態(tài)，與薄板相比其應(yīng)力狀況更不利。如汽車大梁下的減振彈簧，采用拱形薄板疊合，韌性明顯優(yōu)于整塊鑄鋼。其他脆性材料比如玻璃，幾層重疊，層間夾柔性化工膠質(zhì)物質(zhì)后既可承擔(dān)較大的荷載，而且不容易斷裂破碎。層疊的鋼板也可采用相同思路采用相對柔性粘結(jié)既可提高整體剛度，也可更進(jìn)一步防止斷裂發(fā)生。分層法就是把較大的整塊橫截面劃分成多個細(xì)條形小截面，從而限制了各個截面上可能出現(xiàn)的可貫通大裂紋的尺寸，參照斷裂判據(jù)公式可知，這樣的措施可大大提高材料各受拉纖維的允許應(yīng)力水平，使構(gòu)件的抗斷裂應(yīng)力允許值大幅度提高，提高了材料有效利用率。

5、選擇應(yīng)力方案法：

    通過斷裂力學(xué)研究和試驗(yàn)，我們知道造成材料斷裂的應(yīng)力狀況主要是拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力，而在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時我們可以靈活選擇結(jié)構(gòu)方案，根據(jù)構(gòu)件不同受力狀況選擇相應(yīng)的合適的材料，不同特性的材料承受不同的應(yīng)力。這樣選擇韌性好的材料承受拉應(yīng)力，而韌性差的只承受較小拉應(yīng)力或純粹承受壓應(yīng)力。這就要求在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時采取適宜的結(jié)構(gòu)形式，如承受豎向壓重的墻、兩端鉸接柱、拱橋等可選用斷裂韌性較低的磚、石、混凝土、粉煤灰砌塊等脆性材料，而對以承受拉應(yīng)力為主的索、鏈、拉桿、梁等選用斷裂韌性有保障的鋼絞線，鋼筋等。也可把受拉受彎構(gòu)件和其它結(jié)構(gòu)構(gòu)件聯(lián)合布置，減小局部斷裂造成整體破壞的危險(xiǎn)性。如鋼筋混凝土梁樓板，采用多布次梁的肋梁樓蓋利用樓板的空間剛性就可減小個別次梁由于澆筑質(zhì)量不好造成的事實(shí)斷裂帶來的猝不及防的破壞災(zāi)害。另外，選擇柔性節(jié)點(diǎn)連接的結(jié)構(gòu)體系，如榫卯連接、橡膠墊連接等，可以將變形集中在構(gòu)件端部從而降低構(gòu)件中的應(yīng)變集中，避免裂紋發(fā)展。

6、重點(diǎn)防范法：

    建筑結(jié)構(gòu)受拉主材一般用鋼材，建筑鋼結(jié)構(gòu)的使用也越來越多，鋼結(jié)構(gòu)的斷裂可作重點(diǎn)防范。影響鋼材脆斷的直接因素仍然是裂紋尺寸、作用應(yīng)力和材料的韌性。現(xiàn)階段提高鋼材抗脆斷性能的主要措施有：

    (1)加強(qiáng)施焊工藝管理，避免施焊過程中產(chǎn)生裂紋、夾渣和氣泡等。

    (2)焊縫不宜過分集中，施焊時不宜過強(qiáng)約束，避免產(chǎn)生過大殘余應(yīng)力。低溫下發(fā)生低應(yīng)力的脆斷，常與殘余應(yīng)力有關(guān)。

    (3)進(jìn)行合理細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)，避免產(chǎn)生應(yīng)力集中。應(yīng)力集中處會產(chǎn)生同號應(yīng)力場，使鋼材變脆。盡量避免采用厚鋼板，厚鋼板比薄鋼板較易脆斷。

    (4)選擇合理的鋼材，鋼材化學(xué)成分與鋼材抗脆斷能力有關(guān)，含碳多的鋼材，抗脆斷性能有所下降。對于在低溫下工作的鋼結(jié)構(gòu)，應(yīng)選擇抗低溫沖擊韌性好的材料。

    此外，冷加工，加載速度等對鋼材脆斷性能都有影響，在設(shè)計(jì)中應(yīng)加以注意。在腐蝕性介質(zhì)中，雖然應(yīng)力水平較低，經(jīng)過一段時間后，服役結(jié)構(gòu)也會出現(xiàn)脆性斷裂，被稱為應(yīng)力腐蝕斷裂或延遲斷裂。應(yīng)力腐蝕斷裂主要發(fā)生在高強(qiáng)度材料，如高強(qiáng)度螺栓在使用過程中有可能出現(xiàn)延遲斷裂的現(xiàn)象。在腐蝕介質(zhì)中，材料斷裂韌性大為降低約為非腐蝕介質(zhì)的0.2-0.5倍。

    這些方法都是宏觀斷裂力學(xué)研究應(yīng)用的結(jié)果，現(xiàn)階段的斷裂力學(xué)研究已逐步走向宏觀和微觀結(jié)合的方向，研究材料晶粒位錯甚至原子分布，采用納米技術(shù)造就高韌性材料用于尖端技術(shù)中已較多見，在應(yīng)用面極廣的建筑結(jié)構(gòu)中更進(jìn)一步的研究正在進(jìn)行中，按照理論研究和工程實(shí)際相結(jié)合的方法一定會取得良好效果。

參考文獻(xiàn)：

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[4]王肇民編著《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》上海，同濟(jì)大學(xué)出版社．1991

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)