實用結構工程防斷裂

張鵬程1  呂建平2

(1．廈門大學建筑與土木工程學院361005廈門；

2．陜西省建筑設計研究院  710003  西安)

    長期以來工程上對構件和結構的計算基本上采用材料力學和結構力學方法，通常假定材料是均勻的連續體，避開客觀存在的裂紋和缺陷，起初只要計算應力不超過許用應力，就認為結構安全可用。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里，對純粹計算應力作放大，使其積小于容許應力。后來，又總結荷載和材料強度的概率統計規律對允許應力法進行修正而產生概率極限狀態設計法，由于這種方法簡單易行，在過去和現在的工程中發揮了重要作用。但現實工程中有一些雖然滿足上述常規設計理論，在使用中卻會發生難以預料的“低應力脆斷”現象，提醒人們必須研究普通設計理論的缺陷。經過長期的觀察研究發現，這些“低應力脆斷”事故具有一些共同的特點，如破壞時應力水平遠遠低于材料的屈服應力；破壞可能起源于構件內微小的裂紋。這說明某些情況下傳統構件計算方法并不能保證構件安全；同時使人們認識到，對含有裂紋的物體必須作進一步研究。

    近幾十年，斷裂力學領域研究了帶裂紋體的強度以及裂紋擴展規律，裂紋尖端附近應力應變情況，及裂紋在荷載作用下的擴展規律；針對帶裂紋構件的承載能力問題，提出構件抗斷裂設計方法，可以改善實際工程構件的安全。斷裂力學把含裂紋構件的斷裂應力和裂紋大小及材料抵抗裂紋擴展的能力定量的聯系在一起，較圓滿的解釋了構件的“低應力脆斷”事故，更重要的是為避免這類事故找到了辦法，同時也為發展新材料、新工藝指出了方向。在相關學科和工程技術部門已引起了廣泛重視和應用。

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

    斷裂力學是常規設計計算理論的發展和補充，它有特定應用條件，即它主要針對微觀結構對脆斷敏感，韌性較低的材料，構件含有裂紋缺陷，且要有一個容易促使斷裂的應力環境，一般來講斷裂主要由拉應力促成。

    斷裂力學對上述現象進行了深入地研究和力學描述以指導工程實踐，但其形成的力學方程的適用性受到現實條件的復雜性和隨機性的限制，而且缺乏數量更多的可靠的試驗驗證，目前其實用性有限。但斷裂力學所揭示的材料斷裂規律對結構概念設計大有裨益。

    根據Griffith能量釋放觀點得到的Griffith斷裂判據：，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，斷裂時α2α也將為一材料常數，若實際α2α值小于等號右邊常數值，則此時應力水平和裂紋長度不足以產生斷裂。若已知當前裂紋的長度將可算出發生斷裂的臨界應力；或已知當前的應力水平，將可知會發生斷裂的臨界裂紋長度。

    由材料斷裂的條件和規律出發，在建筑結構中可以采取有效措施防止和預防惡性斷裂的發生。

    如對最常用的鋼筋混凝土結構，由于混凝土是多相混凝復合脆性材料，其裂紋多，分布規律很難掌握，裂紋性狀各異，研究難度大，效果差。針對它的裂紋進行斷裂力學理論方程推導意義不大，而從斷裂原理概念性出發，在結構概念設計中采取適當措施就可收到良好的效果。

1、限制裂紋法：

    使裂紋區混凝土拉應力始終處在較低水平就可防止裂紋進一步開展，如在混凝土受拉區附加其它承力材料，代替裂紋區混凝土承受更大拉應力，以限制裂紋區應力不導致開裂。傳統的鋼筋就是這一原理的應用范例，如鋼筋混凝土梁受拉區所配鋼筋，壓、剪區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，就是應用小段麥秸阻止灰泥干裂紋的蔓延發展�，F在正在研制的鋼纖維混凝土同樣采用細如發絲的鋼纖維段，玻璃纖維、或礦棉絲等纖維材料勻散分布在混凝土中，隨機跨越混凝土原始裂紋，適時承受應力以限制混凝土裂紋的進一步發展。這種復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有裂紋開展的服役結構可采用高韌性材料進行加固。對鋼筋混凝土結構、鋼結構采用高強碳纖維布進行加固已有許多成功范例，將高強碳纖維布粘結在原有構件表面，當它跨越裂紋時就可代替裂紋周圍材料承擔進一步的變形和應力，從而阻止裂紋開展，防止斷裂發生。巖土工程中的土釘、錨桿等也是這一原理的應用，跨越裂縫或土體滑移面的鋼筋承擔了進一步應變造成的力，使裂縫端頭應力不再增加裂縫不再能擴張。

2、細肢合股法：

    如果把結構中可能出現的影響安全的可貫通裂紋的最大尺寸限制在很小，同樣可保證構件整體好的抗斷裂性。在鋼筋混凝土梁中提倡使用根數多、直徑細的受拉鋼筋，其抗斷裂性優于根數較少的粗鋼筋，原因在于單根粗鋼筋一旦斷裂容易造成惡性后果，而散布在很多根細直徑鋼筋中的原始裂紋存在于同一危險截面的機率會很小，即使局部有小裂紋也很難貫通。這樣相當于限制了鋼材總截面中可能出現的最大裂紋尺寸，根據斷裂判據公式，可提高材料抗斷裂應力。通常采用合股的鋼絞線代替單根受拉鋼筋會使斷裂發生的可能大大降低。古代就有的草繩、麻繩等就是用纖維束合股擰成，擰繩技術會使纖維束間產生摩擦力，一方面可以均勻分布拉力，另一方面當個別纖維束斷裂后，可以把它所承擔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度整根鋼筋的抗斷裂f臨界應力水平要高得多。

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片相當于對大板進行分格，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件，如飛機機翼。機翼通常由單純合金材料制成，裂紋隱蔽而尖銳，開裂發展不易覺察，如在構件材料中加入幾層錯開分布的高強金屬絲網就可以有效防范裂紋擴大，金屬絲起到分格阻隔的作用�；蛘呤褂靡恍┩瑫r具備神經網絡功能的智能金屬絲，則可隨時監測裂紋狀況，把裂紋發展控制在不影響安全使用范圍�，F在新興的密肋墻板框架結構，在傳統的框架填充墻中布置鋼筋混凝土構造小區格框架梁柱，把墻劃分成小格，不但提高了結構整體性，有效防止墻體大塊開裂崩塌，還大大提高了結構吸收和耗散地震能量的能力，所使用的填充材料強度可以更低，工程造價可以大幅降低，安全經濟，效果很好。

4、結構分層法：

    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部組織的差別，另一原因是在應力集中條件下，厚板接近平面應變受力狀態，與薄板相比其應力狀況更不利。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物質后既可承擔較大的荷載，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既可提高整體剛度，也可更進一步防止斷裂發生。分層法就是把較大的整塊橫截面劃分成多個細條形小截面，從而限制了各個截面上可能出現的可貫通大裂紋的尺寸，參照斷裂判據公式可知，這樣的措施可大大提高材料各受拉纖維的允許應力水平，使構件的抗斷裂應力允許值大幅度提高，提高了材料有效利用率。

5、選擇應力方案法：

    通過斷裂力學研究和試驗，我們知道造成材料斷裂的應力狀況主要是拉應力和剪切應力，而在進行建筑結構設計時我們可以靈活選擇結構方案，根據構件不同受力狀況選擇相應的合適的材料，不同特性的材料承受不同的應力。這樣選擇韌性好的材料承受拉應力，而韌性差的只承受較小拉應力或純粹承受壓應力。這就要求在結構設計時采取適宜的結構形式，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。也可把受拉受彎構件和其它結構構件聯合布置，減小局部斷裂造成整體破壞的危險性。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量不好造成的事實斷裂帶來的猝不及防的破壞災害。另外，選擇柔性節點連接的結構體系，如榫卯連接、橡膠墊連接等，可以將變形集中在構件端部從而降低構件中的應變集中，避免裂紋發展。

6、重點防范法：

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

    (1)加強施焊工藝管理，避免施焊過程中產生裂紋、夾渣和氣泡等。

    (2)焊縫不宜過分集中，施焊時不宜過強約束，避免產生過大殘余應力。低溫下發生低應力的脆斷，常與殘余應力有關。

    (3)進行合理細部構造設計，避免產生應力集中。應力集中處會產生同號應力場，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，鋼材化學成分與鋼材抗脆斷能力有關，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構，應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，在設計中應加以注意。在腐蝕性介質中，雖然應力水平較低，經過一段時間后，服役結構也會出現脆性斷裂，被稱為應力腐蝕斷裂或延遲斷裂。應力腐蝕斷裂主要發生在高強度材料，如高強度螺栓在使用過程中有可能出現延遲斷裂的現象。在腐蝕介質中，材料斷裂韌性大為降低約為非腐蝕介質的0.2-0.5倍。

    這些方法都是宏觀斷裂力學研究應用的結果，現階段的斷裂力學研究已逐步走向宏觀和微觀結合的方向，研究材料晶粒位錯甚至原子分布，采用納米技術造就高韌性材料用于尖端技術中已較多見，在應用面極廣的建筑結構中更進一步的研究正在進行中，按照理論研究和工程實際相結合的方法一定會取得良好效果。

參考文獻：

[1]李洪升，周承芳著《工程斷裂力學》大連，大連理工大學出版社，l990

[2](英)勞恩(Lawn，B)，(英)威爾肖(Wilshaw．T．R)著；尹詳礎等譯《脆性固體斷裂力學》北京，地震出版社，l985

[3]黃克智，余壽文著《彈塑性斷裂力學》北京，清華大學出版社，1985

[4]王肇民編著《鋼結構設計原理》上海，同濟大學出版社．1991

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)