摘 要：橋梁是跨越江河、海峽等天塹的主要交通方式之一，其安全性、可靠性一直是該領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)問題。低應(yīng)力脆性斷裂因無征兆、破壞快而成為橋梁建設(shè)需解決的關(guān)鍵難題之一。學(xué)者們從不同的角度對(duì)橋梁構(gòu)件的脆性斷裂問題進(jìn)行系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)建設(shè)材料缺陷、惡劣的運(yùn)營環(huán)境及復(fù)雜的荷載工況等都是構(gòu)件脆性斷裂的致因。為了解橋梁構(gòu)件脆斷的機(jī)理及應(yīng)對(duì)方法，該文總結(jié)當(dāng)前研究的進(jìn)展，主要包括橋梁疲勞荷載模型、構(gòu)件裂紋擴(kuò)展機(jī)理及影響、橋梁疲勞性能及壽命評(píng)估等方面，以期為后續(xù)相關(guān)發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：橋梁工程;脆性斷裂;斷裂力學(xué);壽命評(píng)估;裂紋擴(kuò)展

中圖分類號(hào)：U447 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）34-0101-06

Abstract： Bridges serve as essential infrastructure for traversing rivers， straits， and other natural barriers， with their safety and reliability being paramount concerns for researchers and practitioners alike. Among the various challenges faced in bridge construction， low-stress brittle fracture poses a significant threat due to its unpredictable nature and rapid failure dynamics. This study systematically reviews the existing literature on brittle fracture in bridge components， identifying key contributing factors such as material deficiencies， adverse operational environments， and complex loading scenarios. The paper highlights recent advancements in understanding the mechanisms underlying brittle fracture， including fatigue loading models， crack propagation dynamics， and the evaluation of fatigue performance and service life. By synthesizing current research findings， this work aims to provide a comprehensive reference for future studies and developments in mitigating brittle fracture in bridge engineering.

Keywords： bridge engineering; brittle fracture; fracture mechanics; life assessment; crack propagation

隨著國家東西部統(tǒng)籌發(fā)展的政策落實(shí)，新建橋梁增速加快且趨于向高腐蝕性、高海拔及高寒等地區(qū)拓展，惡劣環(huán)境、氣候下橋梁的運(yùn)營安全和性能研究迫在眉睫。極端環(huán)境下，材料性能與常規(guī)條件下存在較大差異，橋梁的設(shè)計(jì)及性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)需要明確。同時(shí)，大部分現(xiàn)役橋梁運(yùn)營期已過半，病害多發(fā)、性能不足等問題日漸突出。橋梁帶缺陷繼續(xù)承擔(dān)交通運(yùn)輸任務(wù)將逐漸成為日常。面對(duì)這一狀況，橋梁運(yùn)營的安全保障、性能保障急需應(yīng)對(duì)之策。總而言之，在惡劣環(huán)境、自帶裂縫等非常規(guī)工作條件下，橋梁結(jié)構(gòu)的性能、安全及可靠性等需要進(jìn)一步探索。

現(xiàn)有橋梁在設(shè)計(jì)至運(yùn)維的過程中，依據(jù)材料力學(xué)及彈塑性力學(xué)等制定了構(gòu)件的強(qiáng)度、韌性標(biāo)準(zhǔn)[1]。這些傳統(tǒng)力學(xué)理論及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均基于結(jié)構(gòu)的理想工作狀態(tài)而提出，未考慮缺陷和損傷的影響。斷裂力學(xué)是研究含裂紋物體強(qiáng)度及裂紋發(fā)展規(guī)律的力學(xué)學(xué)科。這一學(xué)科的發(fā)展為非常規(guī)條件下橋梁的設(shè)計(jì)、運(yùn)營及維護(hù)提供了理論基礎(chǔ)。近些年，從這一角度出發(fā)，橋梁領(lǐng)域?qū)＜壹皩W(xué)者對(duì)橋梁構(gòu)件裂縫擴(kuò)展機(jī)理及影響、構(gòu)件材料的斷裂準(zhǔn)則、構(gòu)件疲勞性能及壽命評(píng)估等展開了大量研究，取得了較多的研究成果。本文對(duì)斷裂力學(xué)在橋梁構(gòu)件斷裂領(lǐng)域應(yīng)用的研究成果進(jìn)行總結(jié)，梳理尚待解決的關(guān)鍵問題及下階段研究的重要發(fā)展方向，為橋梁技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 疲勞荷載模型

橋梁按照運(yùn)輸功能可分為鐵路橋梁、公路橋梁及城市橋梁等，不同類型橋梁的荷載類型、大小及頻率等均不相同。在橋梁性能和安全性評(píng)估中，實(shí)際的荷載工況對(duì)評(píng)估結(jié)果起著決定性作用。因此，精準(zhǔn)計(jì)算荷載模型且合理施加荷載十分重要，對(duì)此展開了相關(guān)研究。

在建立橋梁實(shí)際荷載模型的工作中，現(xiàn)有研究以稱重實(shí)測(cè)、數(shù)學(xué)模擬等手段為主。宗周紅等[2]基于京滬高速（沂淮段）的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立了重車疲勞荷載譜和等效標(biāo)準(zhǔn)疲勞車模型，結(jié)果顯示重車疲勞荷載模型遠(yuǎn)超規(guī)范值。周永兵等[3]采用雨流計(jì)數(shù)法計(jì)算了山區(qū)低等級(jí)公路鋼箱梁橋在實(shí)際交通荷載作用下的應(yīng)力幅值及循環(huán)次數(shù)，結(jié)果表明實(shí)際交通模擬下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅值高于規(guī)范值。劉浪等[4]利用健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的交通數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)了某公路橋梁未來的交通荷載，基于Miner準(zhǔn)則計(jì)算了橋梁損傷度，認(rèn)為車輛荷載的非平穩(wěn)增長(zhǎng)會(huì)增加橋梁的疲勞損傷程度。郭文華等[5]建立重載列車-鋼軌-預(yù)應(yīng)力混凝土T梁空間震動(dòng)耦合模型，對(duì)比了Corten-Dolan和Miner準(zhǔn)則在橋梁損傷中的應(yīng)用，認(rèn)為Corten-Dolan更能反應(yīng)實(shí)際損傷狀態(tài)。范晨等[6]以潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江公路北汊斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，?jì)算了該橋梁有限元模型的疲勞響應(yīng)，比較了不同疲勞應(yīng)力計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，認(rèn)為采用車橋耦合模型能獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果，如圖1所示。

上述多數(shù)研究基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)而展開，建立了高速公路橋梁、山區(qū)公路橋梁等的疲勞荷載模型，反映出實(shí)際的疲勞荷載模型大于規(guī)范值。同時(shí)，疲勞屬于結(jié)構(gòu)的局部問題，在橋梁簡(jiǎn)化整體模型上加載得出的疲勞結(jié)果與實(shí)際相差甚遠(yuǎn)，必須考慮橋梁的構(gòu)造細(xì)節(jié)。

2 裂紋擴(kuò)展的機(jī)理

構(gòu)件的裂紋擴(kuò)展機(jī)理是研究損傷橋梁剩余承載能力及服務(wù)壽命的基礎(chǔ)，也是建立抗斷措施的根據(jù)。而且，橋梁所處的環(huán)境都較為惡劣，溫度、腐蝕等因素對(duì)構(gòu)件裂紋擴(kuò)展的影響不容忽視。針對(duì)以上兩點(diǎn)，下列研究進(jìn)行了大量探索。

在橋梁構(gòu)件的裂紋擴(kuò)展機(jī)理研究中，蘇三慶等[7]將金屬磁記憶檢測(cè)法應(yīng)用于橋梁鋼板件標(biāo)準(zhǔn)疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)中，提出了裂紋擴(kuò)展剩余壽命預(yù)測(cè)方法。Irfaee等[8]對(duì)某鋼雙箱梁橋進(jìn)行了混合模式疲勞與斷裂評(píng)估，采用有限元模型對(duì)其裂紋擴(kuò)展、主梁斷裂的可能性及整體冗余性進(jìn)行了評(píng)估，如圖2所示。馬亞飛等[9]針對(duì)大跨橋梁的鍍鋅高強(qiáng)鋼絲進(jìn)行了疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，擬合了相應(yīng)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率模型，結(jié)果表明裂紋徑向擴(kuò)展速度大于表面擴(kuò)展速度。Li等[10]研究提出了基于“約束應(yīng)力區(qū)”的宏微觀雙尺度裂紋模型，有效地描述材料從微裂紋到宏裂紋的發(fā)展過程，并給出裂紋增長(zhǎng)的控制量“應(yīng)變能密度因子”，如圖3所示。馮祁等[11]建立了T梁的損傷模型，研究了裂縫位置、裂縫寬度、裂縫高度對(duì)結(jié)構(gòu)剛度及承載能力的影響，認(rèn)為裂縫寬度和高度是影響橋梁承載力的主要因素。馮祁[12]量化分析了多種因素對(duì)先張法PC空心板梁開裂的敏感性，結(jié)果表明預(yù)應(yīng)力損失、超載等因素更易引起構(gòu)件底部開裂。聶建國等[13]比較了2種混凝土開裂模型的靜力學(xué)行為，認(rèn)為彌散開裂模型適用于單調(diào)荷載作用下的構(gòu)件分析，而塑性損傷模型適用于單調(diào)和交復(fù)荷載下的構(gòu)件分析，但兩者只能準(zhǔn)確模擬一維受力。

在溫度、腐蝕等因素對(duì)橋梁構(gòu)件的裂紋擴(kuò)展的影響研究中，廖小偉等[14]以16 mm厚Q345qD橋梁用鋼作為研究對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明裂紋擴(kuò)展速率隨溫度降低而變緩，裂紋擴(kuò)展門檻值隨溫度降低而增大。左照坤等[15]以漢江灣橋?yàn)楸尘?，?duì)不同板厚Q690qE鋼母材和焊縫的斷裂韌性及防脆斷性能進(jìn)行研究。結(jié)果顯示，32 mm厚母材具有良好的低溫防脆斷性能，而50 mm板厚母材的斷裂韌性隨溫度降低具有明顯下降趨勢(shì);溫度低于-20 ℃時(shí)，兩者焊縫的斷裂韌性均有下降趨勢(shì)。彭建新等[16]基于氣候數(shù)據(jù)研究了溫室效應(yīng)對(duì)RC橋梁在腐蝕作用下的銹脹性能的影響，結(jié)果表明溫室效應(yīng)可惡化混凝土腐蝕損傷效應(yīng)，浪濺區(qū)橋梁的腐蝕開裂概率遠(yuǎn)高于海岸線區(qū)。王天鵬等[17]建立了鋼絲疲勞裂紋擴(kuò)展預(yù)測(cè)模型，得出腐蝕不會(huì)對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率產(chǎn)生影響，腐蝕作用下構(gòu)件疲勞壽命變化由初始裂紋長(zhǎng)度引起。楊世聰?shù)萚18]研究了纜索腐蝕-疲勞損傷與破斷機(jī)理。結(jié)果表明，腐蝕-疲勞導(dǎo)致構(gòu)件塑性降低，脆性增強(qiáng)，發(fā)生脆性破斷;彎曲應(yīng)力是造成長(zhǎng)纜索發(fā)生破斷的重要因素之一。葉華文等[19]為準(zhǔn)確評(píng)估服役期纜索腐蝕后的剩余壽命，基于Paris公式建立了受拉鋼絲裂紋擴(kuò)展理論模型，進(jìn)而推導(dǎo)了腐蝕鋼絲的疲勞S-N曲線。牛荻濤等[20]分析了銹蝕鋼筋混凝土梁的疲勞破壞形態(tài)及應(yīng)力水平和鋼筋銹蝕率對(duì)梁疲勞性能的影響。結(jié)果顯示，隨疲勞循環(huán)次數(shù)增加，銹蝕梁鋼筋出現(xiàn)疲勞損傷、抗彎剛度退化，裂縫演變符合“三階段”發(fā)展規(guī)律;銹蝕梁的疲勞破壞形態(tài)為主筋脆性斷裂。

上述研究針對(duì)用于橋梁的鋼材、鋼筋及高強(qiáng)度鋼絲的裂紋擴(kuò)展機(jī)理展開了研究，探究了常規(guī)環(huán)境下及考慮低溫、腐蝕等因素影響下相關(guān)構(gòu)件的裂紋擴(kuò)展行為，取得了較好的研究結(jié)果。然而大多數(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)由鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土建成，上述研究對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)混凝土的裂縫擴(kuò)展機(jī)理尚未做出探討。而且橋梁構(gòu)件較多導(dǎo)致相關(guān)研究對(duì)象比較分散，針對(duì)某一構(gòu)件的研究結(jié)論并不具有代表性，需要進(jìn)一步探索。

3 疲勞性能及壽命評(píng)估

為了準(zhǔn)確評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)在疲勞荷載作用下的性能，研究人員基于斷裂力學(xué)提出了針對(duì)不同構(gòu)件的疲勞性能、壽命評(píng)估方法。有些研究則根據(jù)對(duì)橋梁疲勞損傷的檢測(cè)、建立多因素耦合動(dòng)力學(xué)模型及有限元分析等方法來評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞性能及壽命。

斷裂力學(xué)主要用于評(píng)估含有裂紋缺陷的結(jié)構(gòu)，基于斷裂力學(xué)研究橋梁疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律是評(píng)估構(gòu)件疲勞壽命的有效手段。王天鵬等[21]基于斷裂力學(xué)理論提出適用于橋梁結(jié)構(gòu)鋼的低溫疲勞壽命估算方法，驗(yàn)證了該方法能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)Q345qD鋼試件的疲勞壽命。王劍等[22]基于損傷力學(xué)法和線彈性斷裂力學(xué)法提出橋梁主筋疲勞全壽命估算方法。Marques等[23]將載荷變異性納入鉚接鐵路橋梁關(guān)鍵連接部位的分析中，結(jié)合基于Paris裂紋擴(kuò)展規(guī)律的線性斷裂力學(xué)模型來進(jìn)行疲勞分析。結(jié)果顯示，年交通增長(zhǎng)率對(duì)疲勞壽命影響顯著。Zhou等[24]建立了含三維裂縫的整體-局部橋梁模型的動(dòng)態(tài)模擬，采用基于線彈性斷裂力學(xué)的裂紋擴(kuò)展分析方法，對(duì)鋼-混凝土組合鐵路橋梁關(guān)鍵焊接部位進(jìn)行了強(qiáng)化疲勞評(píng)估，如圖4和圖5所示。Lacidogna等[25]利用斷裂力學(xué)的概念，分析了當(dāng)通過線彈性分析評(píng)估的條件不再有效時(shí)，以及在通過塑性極限分析建立的條件設(shè)定之前發(fā)生的損傷過程（大部分基于線彈性斷裂力學(xué)進(jìn)行分析，基于塑性分析的較少）。

基于橋梁構(gòu)件疲勞損傷檢測(cè)的評(píng)估，Xin等[26]提出了一種結(jié)合小波分析和遷移深度學(xué)習(xí)的狀態(tài)驅(qū)動(dòng)聲發(fā)射（AE）監(jiān)測(cè)方法，通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）對(duì)斜拉索內(nèi)部裂縫和退化狀態(tài)進(jìn)行高精度識(shí)別，如圖6所示。Abedin等[27]提出了一種基于非接觸式激光測(cè)振儀和自供電無線傳感器的橋梁斷裂檢測(cè)方法，結(jié)果表明，通過少量自供電無線或非接觸式傳感器可有效檢測(cè)鋼板梁橋的斷裂情況。Mantawy等[28]提出了通過音頻記錄和剛體力學(xué)間接識(shí)別高性能橋梁系統(tǒng)中鋼筋疲勞斷裂的方法，成功識(shí)別了疲勞斷裂的時(shí)間。

針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)疲勞性能的評(píng)估方法，部分學(xué)者基于多因素耦合動(dòng)力學(xué)模型及有限元分析來進(jìn)行研究。Li等[29]建立了包括軌道系統(tǒng)模型在內(nèi)的多尺度橋梁有限元模型，提出了可考慮列車動(dòng)力效應(yīng)的鋼橋關(guān)鍵構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞性能評(píng)價(jià)方法，如圖7所示。崔圣愛[30]等通過數(shù)值方法探究了雙層六線鐵路列車-橋梁系統(tǒng)耦合振動(dòng)的空間效應(yīng)，對(duì)全橋最不利桿件疲勞損傷進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，空間行車會(huì)導(dǎo)致橋梁各關(guān)鍵桿件的疲勞損傷程度增大。朱志輝等[31]以64 m簡(jiǎn)支鋼桁架梁橋?yàn)閷?shí)例，建立了車-橋耦合動(dòng)力學(xué)模型，研究了重載鐵路鋼桁架梁橋局部疲勞可靠度問題。結(jié)果顯示，橋梁的疲勞損傷隨軸重增加而增大，但與列車速度相關(guān)性不強(qiáng)。陳華婷等[32]建立車輛擁堵荷載下的車橋耦合有限元模型，分析了車輛擁堵對(duì)城市組合箱梁疲勞性能的影響。結(jié)果表明，擁堵作用下的橋梁損傷是暢通狀態(tài)的14.7倍。高天驍?shù)萚33]提出基于直接概率積分法的重載鐵路RC梁的疲勞可靠度分析方法。結(jié)果顯示，隨著重載鐵路年運(yùn)量的提高，RC板梁的疲勞失效概率顯著增大。李照廣等[34]提出了臨界平面法和能量法相結(jié)合的高鐵橋梁整體式減震榫疲勞性能預(yù)測(cè)方法。Lin等[35]以某五跨連續(xù)桁架橋?yàn)槔?，基于?gòu)件R值（安全系數(shù)）和關(guān)鍵構(gòu)件的判別提出了一種新的桁架橋梁冗余度評(píng)價(jià)方法和詳細(xì)的分析步驟。張立奎等[36]以某鋼-混組合梁為背景，通過有限元方法研究了混凝土橋面板開裂所致的結(jié)構(gòu)剛度退化對(duì)鋼主梁疲勞性能的影響，結(jié)果表明隨著剛度退化程度增強(qiáng)，組合梁橋的疲勞壽命顯著降低。

在提高橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞抗力和疲勞壽命方面，柳戰(zhàn)強(qiáng)等[37]提出一種用于RC橋梁抗彎加固的新型預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲加固技術(shù)，結(jié)果顯示預(yù)應(yīng)力可有效提高加固試件的抗彎剛度和抗裂性能。丁勇等[38]為提高伸縮縫結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和疲勞壽命，提出一種考慮移動(dòng)車輪豎向與水平?jīng)_擊荷載的伸縮縫結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算方法，通過構(gòu)造優(yōu)化提高了其疲勞壽命。Collins等[39]測(cè)試了8塊高性能鋼板在典型橋梁溫度下的材料韌性。結(jié)果顯示，高性能鋼板能夠承受更大的裂紋缺陷，其斷裂韌性遠(yuǎn)高于當(dāng)前規(guī)范的要求。趙而年等[40]以濰萊鐵路一座連續(xù)鋼桁梁為例，研究了耐候鋼的對(duì)接焊縫、T形焊縫和十字形焊縫的疲勞性能，結(jié)果表明3類焊縫均在焊趾處發(fā)生了疲勞失效破壞;隨著應(yīng)力幅增加，焊接接頭的疲勞壽命按冪指數(shù)形式降低;T形焊縫表現(xiàn)出更好的抗疲勞性能。

上述研究基于斷裂力學(xué)、疲勞損傷檢測(cè)、多因素耦合動(dòng)力學(xué)模型及有限元分析等方法對(duì)不同橋梁構(gòu)件的疲勞性能及壽命進(jìn)行了有效評(píng)估，有的研究還通過使用高強(qiáng)材料加固及構(gòu)造優(yōu)化等方法來提高橋梁構(gòu)件的抗疲勞性能。但橋梁構(gòu)件一般種類繁多，且構(gòu)造復(fù)雜，現(xiàn)有的方法無法準(zhǔn)確評(píng)估所有橋梁構(gòu)件的疲勞性能。因此，有必要研究針對(duì)不同橋梁構(gòu)件的疲勞性能評(píng)估方法，并整合出一種通用評(píng)估方法，以提高橋梁疲勞性能及壽命評(píng)估的準(zhǔn)確性，確保橋梁結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期使用下的安全性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

近些年，橋梁領(lǐng)域的學(xué)者、從業(yè)者發(fā)現(xiàn)，經(jīng)典的彈性力學(xué)無法解釋橋梁構(gòu)件遠(yuǎn)未達(dá)到材料強(qiáng)度發(fā)生的脆性斷裂，便將斷裂力學(xué)引入到橋梁構(gòu)件的抗斷性能研究中。而斷裂力學(xué)作為一門起步較晚的力學(xué)學(xué)科，其理論研究、實(shí)驗(yàn)方法研究等尚不完善。同時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)的體系多樣、材料多樣及荷載多樣等特點(diǎn)，決定了斷裂力學(xué)在橋梁中的研究及應(yīng)用面臨更多復(fù)雜的問題，需要更多的時(shí)間。因此，斷裂力學(xué)在橋梁構(gòu)件的抗斷應(yīng)用中依然處在探索階段。

綜上所述，現(xiàn)有研究從交變荷載模型、裂縫擴(kuò)展機(jī)理、腐蝕及溫度對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響及構(gòu)件壽命預(yù)測(cè)模型等方面為橋梁抗斷研究作出了貢獻(xiàn)，可為后續(xù)提供研究參考。但是，這一方向的研究還大有可為：①針對(duì)不同用途、不同地區(qū)的橋梁應(yīng)完善相關(guān)規(guī)范的荷載模型;②現(xiàn)有橋梁構(gòu)件的裂紋擴(kuò)展機(jī)理研究主要圍繞鋼材展開，少有針對(duì)混凝土材料方面的探索，同時(shí)混凝土開裂的有限元模擬如何從一維擴(kuò)展到三維尚需解決;③惡劣環(huán)境因素的影響該如何定量;④斷裂問題是局部問題，整體性考慮橋梁抗裂的思路尚需考量;⑤在針對(duì)橋梁構(gòu)件脆性斷裂的研究中，一些新技術(shù)如激光測(cè)振、音頻分析等需要進(jìn)一步挖掘和擴(kuò)展。這些是本篇文章的拙見，希望可以為橋梁的抗斷研究提供參考。

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第一作者簡(jiǎn)介：李武安（1974-），男，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)楣放c城市道路工程。