郭春華，任偉平

(1.紹興市曹娥江袍江大橋建設(shè)工程指揮部，浙江 紹興 311800;2.西南交通大學(xué)，成都 610031)

隨著運(yùn)營(yíng)車(chē)輛總重和交通量的不斷增加，橋梁鋼結(jié)構(gòu)所面臨的疲勞問(wèn)題正變得日趨嚴(yán)重。特別是20世紀(jì)60年代以來(lái)，許多鋼橋出現(xiàn)了各種形式的疲勞裂紋，因疲勞斷裂而釀成的災(zāi)難性事故也時(shí)有發(fā)生。根據(jù)美國(guó)土木工程學(xué)會(huì)疲勞與斷裂分委會(huì)的調(diào)查結(jié)果，80%～90%的鋼結(jié)構(gòu)破壞均和疲勞有關(guān)，疲勞已成為橋梁鋼結(jié)構(gòu)失效的主要形式之一。對(duì)我國(guó)來(lái)說(shuō)，近些年來(lái)各類(lèi)形式鋼橋數(shù)量正不斷增加，一方面需要確保大量新建鋼橋構(gòu)件的疲勞設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足要求，另一方面急需對(duì)大量正在運(yùn)營(yíng)的既有鋼橋的剩余疲勞壽命做出正確判斷，并對(duì)存在疲勞問(wèn)題的構(gòu)件采取及時(shí)有效的方案進(jìn)行修復(fù)。為更好解決這些問(wèn)題，就需要對(duì)焊接鋼橋結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)疲勞裂紋的產(chǎn)生機(jī)理及解決對(duì)策進(jìn)行研究。

1 焊接鋼橋易疲勞破壞的典型細(xì)節(jié)

1.1 工形鋼梁蓋板端部連接

對(duì)局部焊有外層蓋板的工形鋼梁而言，無(wú)論蓋板端部有無(wú)橫向焊縫，還是改變蓋板端部的幾何形狀，蓋板端部細(xì)節(jié)處的疲勞強(qiáng)度均很低［2-4］。大量實(shí)例和試驗(yàn)研究表明，在車(chē)輛荷載作用下該細(xì)節(jié)極易產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂破壞，且疲勞裂紋一般均萌生在蓋板末端與翼緣的連接角焊縫焊趾處。20世紀(jì)70～80年代，世界上有多座鋼板梁橋均出現(xiàn)了此類(lèi)疲勞裂紋(圖1)，比較典型的有美國(guó)的 Yellow Mill Pond橋，澳大利亞的King’s橋［1-2］，以及我國(guó)的京包鐵路上的關(guān)沙河橋等。

圖1 外層蓋板端部疲勞裂紋

1.2 平縱聯(lián)節(jié)點(diǎn)板與主梁的連接

平縱聯(lián)與主梁連接處的節(jié)點(diǎn)板通常需焊連到主梁的翼緣(連在翼緣側(cè)邊或搭在翼緣上面)或腹板上。大量實(shí)例和試驗(yàn)研究表明，平縱聯(lián)節(jié)點(diǎn)板連接焊縫端部的疲勞強(qiáng)度相當(dāng)?shù)?，基本接近于各?guó)規(guī)范疲勞強(qiáng)度分級(jí)的最低等級(jí)，稍有不甚此細(xì)節(jié)極易產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂破壞。美國(guó)已有多座鋼橋發(fā)現(xiàn)此類(lèi)疲勞開(kāi)裂破壞(見(jiàn)圖 2)，如美國(guó)的 Lafayette Street橋、Hoan 橋等［1］。

圖2 主梁腹板上平縱聯(lián)節(jié)點(diǎn)板焊縫處的疲勞破壞

1.3 鋼板梁橫梁(或橫聯(lián))連接板端部連接

20世紀(jì)80年代前國(guó)內(nèi)外的鋼橋設(shè)計(jì)規(guī)范只允許橫梁(或橫聯(lián))連接板端部與受壓翼緣焊接，并禁止其與主梁受拉翼緣焊接，目的是為了避免受拉翼緣產(chǎn)生疲勞裂紋。不幸的是，按此要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的許多鋼板梁橋的橫梁(或橫聯(lián))連接板端部間隙區(qū)卻發(fā)現(xiàn)了大量的疲勞裂紋［1，4，5］，其原因多為在小間隙區(qū)產(chǎn)生的面外變形而導(dǎo)致，圖3為實(shí)橋中此類(lèi)疲勞裂紋的照片。此類(lèi)疲勞裂紋的產(chǎn)生位置有兩處:一是腹板和翼緣間的角焊縫焊趾處，裂紋形狀呈水平狀;二是腹板和連接板間角焊縫的端部，裂紋形狀呈馬蹄形。

圖3 連接板上端部平面外變形所產(chǎn)生的疲勞裂紋

1.4 橫梁與主梁弦桿(或系桿)間連接

橫梁與主梁弦桿(或系桿)間連接構(gòu)造的功能是將橋面系荷載傳遞給主梁，其最理想的受力狀態(tài)是只傳遞剪力而不傳遞彎矩，因?yàn)榱憾藦澗剡^(guò)大可能會(huì)引起主梁弦桿(或系桿)的扭轉(zhuǎn)，并導(dǎo)致構(gòu)造設(shè)置困難。因此，僅在橫梁腹板上設(shè)置一對(duì)連接角鋼與主梁弦桿(或系桿)相連是國(guó)內(nèi)外的普遍做法。但事實(shí)表明，此種連接方法常會(huì)導(dǎo)致在兩個(gè)位置處出現(xiàn)疲勞裂紋:一是橫梁上翼緣與腹板連接焊縫端部，另一處是連接角鋼端部。美國(guó)已有數(shù)十座系桿拱橋和鋼桁架橋在此位置處發(fā)現(xiàn)了大量的疲勞開(kāi)裂破壞，近期我國(guó)一座鋼桁梁橋中也在該處出現(xiàn)了普遍性的疲勞裂紋。圖4為美國(guó)一座系桿拱橋在此細(xì)節(jié)處的疲勞裂紋照片［6］。

圖4 橫梁與弦桿連接細(xì)節(jié)處橫梁腹板上的疲勞裂紋

1.5 板梁豎向加勁肋焊縫端部細(xì)節(jié)

鋼板梁豎向加勁肋與腹板間連接角焊縫端部曾因設(shè)計(jì)不合理(間隙過(guò)小)而出現(xiàn)過(guò)大量的疲勞開(kāi)裂實(shí)例，如我國(guó)京山線的北運(yùn)河橋、京山線的飲馬河橋、湘桂線的浪江橋等。此類(lèi)疲勞裂紋產(chǎn)生的原因，是由于加勁肋的剛度比腹板的面外彎曲剛度大得多，腹板的面外彎曲變形集中發(fā)生在加勁肋焊縫端部與受拉翼緣之間的微小間隙處，即在該小間隙處就產(chǎn)生了小變形大應(yīng)變。

1.6 縱橫梁橋面系的梁端連接

縱橫梁橋面系中縱梁與橫梁梁端連接處(圖5)的影響線底邊長(zhǎng)度較短，當(dāng)每輛(列)車(chē)通過(guò)時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生多次應(yīng)力循環(huán)，此外還要直接承受車(chē)輛荷載的沖擊作用，許多實(shí)橋運(yùn)營(yíng)表明，該連接細(xì)節(jié)極易出現(xiàn)疲勞破壞［4］。

圖5 縱梁與橫梁的連接

1.7 橫梁和懸臂托架間連接板

橫梁和懸臂托架間連接板(魚(yú)形板)也是較早發(fā)現(xiàn)的面外位移引起疲勞開(kāi)裂的一種典型細(xì)節(jié)。特別是在我國(guó)的鐵路橋和歐美的一些公路疊合梁橋中，曾大量出現(xiàn)過(guò)此類(lèi)疲勞裂紋。原因主要是如圖6所示的主梁與縱梁不同變形在連接板中產(chǎn)生的面外變位，在連接系板中產(chǎn)生了很高的彎曲次應(yīng)力而導(dǎo)致的，該類(lèi)疲勞裂紋主要出現(xiàn)在支座上方及其附近位置。

圖6 橫梁和懸臂托架間連接板上的疲勞裂紋

1.8 斜拉橋索梁錨固區(qū)連接

斜拉索在鋼主梁上的錨固區(qū)是斜拉橋結(jié)構(gòu)中一個(gè)極其重要的部位，巨大的索力由它傳遞給鋼主梁，該區(qū)域受力集中、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且直接承受車(chē)輛動(dòng)荷載作用。隨著斜拉橋跨徑的不斷增加，斜拉索在鋼主梁上的錨固區(qū)構(gòu)造及其疲勞性能也更為橋梁研究人員所關(guān)注，國(guó)內(nèi)外許多大跨度鋼箱梁斜拉橋修建時(shí)都對(duì)斜拉索在鋼主梁上錨固區(qū)域的疲勞性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。近幾年來(lái)，作者對(duì)南京長(zhǎng)江二橋錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)、廣東湛江海灣大橋錨拉板式索梁錨固結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了足尺模型疲勞試驗(yàn)［7］。根據(jù)試驗(yàn)研究，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外其它研究成果，可得:如果構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)合理，在保證加工制造工藝的情況下，目前常用的錨箱式、錨拉板式、耳板式、錨拉管式以及銷(xiāo)鉸式等索梁錨固結(jié)構(gòu)的疲勞性能均能滿足使用壽命的要求。但設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中需要注意以下幾點(diǎn):①幾何形狀變化引起的應(yīng)力集中;②必須制定合理的焊接工藝，特別是操作空間受限時(shí)應(yīng)更加注意控制焊接質(zhì)量;③強(qiáng)制約束、面外變形等因素引起的次應(yīng)力。

1.9 正交異性鋼橋面板

正交異性鋼橋面板以自重輕、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代大中跨度鋼橋最常采用的橋面結(jié)構(gòu)形式，但正交異性鋼橋面板疲勞開(kāi)裂的實(shí)例已在許多國(guó)家的鋼橋中出現(xiàn)，因此其疲勞性能格外令人關(guān)注［8-9］。關(guān)于鋼橋面板出現(xiàn)的疲勞開(kāi)裂，最早見(jiàn)有報(bào)道的是著名的英國(guó)Severn公路橋，該橋1966年建成通車(chē)后，分別于1971年和1977年發(fā)現(xiàn)了3種焊接細(xì)節(jié)的疲勞裂紋:①縱肋與橫梁角焊縫連接處;②梯形縱肋下緣與浮運(yùn)隔板焊接處;③縱肋腹板與蓋板連接角焊縫。鋼橋面板在我國(guó)使用的時(shí)間雖然不長(zhǎng)，但在多座橋梁中仍然出現(xiàn)了一些疲勞裂紋。

正交異性鋼橋面板疲勞問(wèn)題之所以比較突出，主要有以下幾個(gè)因素:①鋼橋面板直接承受車(chē)輛輪荷載的反復(fù)作用;②各部位應(yīng)力影響線長(zhǎng)度較短，一輛車(chē)經(jīng)過(guò)可能會(huì)產(chǎn)生多個(gè)應(yīng)力循環(huán);③鋼橋面板應(yīng)力狀況比較復(fù)雜，并且交叉部位應(yīng)力集中嚴(yán)重;④許多現(xiàn)場(chǎng)拼接接頭的焊接質(zhì)量不易保證［8］。

1.10 管結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)

無(wú)論是100多年前就已經(jīng)出現(xiàn)的空心管桁架橋，還是近些年來(lái)在我國(guó)大量興建的鋼管混凝土拱橋，其中存在的空管-空管、空管 -鋼管混凝土連接接頭的的承載力和疲勞性能都備受關(guān)注［10］。

現(xiàn)代管結(jié)構(gòu)多采用主支管直接相貫焊接的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式。就空心管結(jié)構(gòu)而言，由于支管的軸向剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主管的徑向剛度，支主管的相貫線成為整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。該處不僅會(huì)出現(xiàn)很高的應(yīng)力集中，而且又存在焊接缺陷和焊接殘余拉應(yīng)力，多種不利因素相疊加使管節(jié)點(diǎn)對(duì)交變荷載的抵抗能力較低，疲勞裂紋往往起源于高應(yīng)力區(qū)的初始缺陷處，然后由表面裂紋擴(kuò)展并穿透管壁后導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生破壞。

30余年來(lái)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)(IIW)，美國(guó)焊接學(xué)會(huì)(AWS)以及歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)(ECCS)都對(duì)管結(jié)構(gòu)及其連接進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究工作，形成了一系列配套完整的規(guī)范。但國(guó)內(nèi)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)管結(jié)構(gòu)的疲勞驗(yàn)算尚無(wú)規(guī)定，因此對(duì)管節(jié)點(diǎn)疲勞問(wèn)題應(yīng)該引起橋梁設(shè)計(jì)者的注意。

2 防止焊接鋼橋疲勞破壞的方法

2.1 焊接鋼橋的疲勞設(shè)計(jì)

焊接鋼橋的疲勞設(shè)計(jì)，是在完成了結(jié)構(gòu)靜力強(qiáng)度設(shè)計(jì)并確定了各構(gòu)件的截面尺寸及其連接細(xì)節(jié)后，為避免結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)因疲勞導(dǎo)致的失效或修補(bǔ)而必不可少的程序。由于疲勞破壞通常局限于構(gòu)件或細(xì)節(jié)的局部區(qū)域，并不牽涉到整體結(jié)構(gòu)，因此局部改變細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)或工藝水準(zhǔn)，可以明顯改善結(jié)構(gòu)抗疲勞破壞的性能，增加結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。實(shí)踐證明，正確的疲勞設(shè)計(jì)是防止疲勞破壞的有效措施。

2.1.1 鋼橋疲勞設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

焊接鋼橋疲勞裂紋擴(kuò)展速率呈指數(shù)增長(zhǎng)，早期增長(zhǎng)較慢，并占疲勞壽命的絕大部分。根據(jù)目前的技術(shù)水平，要及時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)中的早期疲勞裂紋進(jìn)行探測(cè)還存在一定的因難。因此除了在制造和施工時(shí)盡量采取措施減少因材料不連續(xù)或焊接缺陷、機(jī)械損傷形成的刻痕或擦痕等缺陷外，還應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)下列可能的疲勞裂紋起始處給予足夠的重視［11］:焊縫的根部(焊趾)、焊縫端部、倒角、沖孔和鉆孔、構(gòu)件和焊縫的局部截除等“缺口”所產(chǎn)生的應(yīng)力集中、剪切邊、周期性振動(dòng)的細(xì)長(zhǎng)桿件及其連接細(xì)節(jié)、不同方向構(gòu)件連接細(xì)節(jié)處的小間隙區(qū)的面外變形、簡(jiǎn)支端部連接細(xì)節(jié)的約束作用。

除了注意這些易發(fā)生疲勞破壞的細(xì)節(jié)外，設(shè)計(jì)時(shí)通常還需要考慮下列因素:盡可能降低細(xì)節(jié)的應(yīng)力集中程度，提高結(jié)構(gòu)的疲勞抗力;在設(shè)計(jì)中必須詳細(xì)說(shuō)明設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的制造質(zhì)量要求，諸如不連續(xù)缺陷的界限值以及相應(yīng)的探測(cè)方法和探測(cè)范圍等;盡可能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)整個(gè)設(shè)計(jì)壽命期間完整的車(chē)輛荷載譜;對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)如何建立合適的有限元分析模型，來(lái)準(zhǔn)確計(jì)算車(chē)輛荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng);合理考慮環(huán)境因素對(duì)構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的影響。

2.1.2 提高鋼橋焊接細(xì)節(jié)疲勞強(qiáng)度的方法

在焊接鋼橋的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，某些疲勞強(qiáng)度較低的細(xì)節(jié)有時(shí)是難以避免的，若采取增大構(gòu)件斷面降低其名義應(yīng)力的方法，來(lái)確保其疲勞壽命，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看是不合適的，特別對(duì)于目前趨向使用高強(qiáng)度鋼材的情況更是如此。因此，采用一定的措施來(lái)提高這些焊接細(xì)節(jié)的疲勞性能對(duì)于現(xiàn)代焊接鋼橋的進(jìn)一步發(fā)展具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。近些年來(lái)，人們已經(jīng)研究出了多種提高焊接細(xì)節(jié)疲勞壽命的方法，概括起來(lái)可以分為三類(lèi):一是改善結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的幾何形狀，減小結(jié)構(gòu)的幾何應(yīng)力集中(砂輪磨修、TIG重熔等);二是在容易產(chǎn)生裂紋缺口的位置預(yù)制殘余壓應(yīng)力，或者消除有不利影響的焊接殘余拉應(yīng)力(錘擊、超聲波沖擊等);三是覆蓋特殊涂層，防止腐蝕介質(zhì)的不利影響(涂裝油漆、復(fù)合材料等)。

2.2 焊接鋼橋疲勞裂紋的檢查和修復(fù)

2.2.1 焊接鋼橋疲勞裂紋檢查

對(duì)運(yùn)營(yíng)期間的鋼橋進(jìn)行必要的檢查和修復(fù)，與正確的疲勞設(shè)計(jì)、完善的制造質(zhì)量控制一樣，對(duì)防止早期疲勞裂紋的擴(kuò)展和延長(zhǎng)橋梁使用壽命具有非常重要的意義。在我國(guó)的橋梁檢查和維修管理中，往往偏重于結(jié)構(gòu)的靜力性能檢查和鋼材的防腐保護(hù)等方面，而對(duì)橋梁的疲勞問(wèn)題缺乏合適的檢查和評(píng)定。近些年來(lái)，由于歐美、日本等國(guó)的大量鋼橋已經(jīng)進(jìn)入“老齡”期，并且不斷有鋼橋出現(xiàn)疲勞裂紋，因此為了確保交通運(yùn)輸?shù)陌踩捅M可能延長(zhǎng)橋梁的使用壽命，他們已將橋梁維修管理中的鋼橋疲勞問(wèn)題列為重點(diǎn)研究對(duì)象，并在橋梁維修手冊(cè)中進(jìn)行了較為詳細(xì)的規(guī)定和說(shuō)明。例如美國(guó)AASHTO的《橋梁維修檢測(cè)手冊(cè)》，國(guó)際經(jīng)濟(jì)合作和發(fā)展組織的《橋梁檢測(cè)手冊(cè)》，日本技術(shù)檢查協(xié)會(huì)的《公路鋼橋檢測(cè)手冊(cè)》，歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)第六技術(shù)委員會(huì)的《鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范》等都對(duì)鋼橋的運(yùn)營(yíng)檢查和維修做出了原則性的規(guī)定。

對(duì)鋼橋制造過(guò)程中的鋼材和焊縫缺陷或裂紋，應(yīng)由制造企業(yè)按照產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)規(guī)程，使用X射線和超聲波探傷等無(wú)損檢測(cè)方法加以控制。對(duì)鋼橋運(yùn)營(yíng)期間萌生的表面裂紋檢測(cè)，常用方法有目視檢查、著色滲透液檢查和磁粉探傷檢查等。目視檢查就是在日常巡視檢查和定期檢查時(shí)，首先用肉眼觀測(cè)結(jié)構(gòu)中是否有漆膜開(kāi)裂跡象或伴隨有線狀流銹等情況，這通常是裂紋的象征。若發(fā)現(xiàn)這些情況，就應(yīng)清除油漆并用砂紙磨光，然后用10倍放大鏡做進(jìn)一步的觀察和分析。疲勞裂紋的走向一般垂直于主應(yīng)力方向，必要時(shí)應(yīng)使用著色滲透液和磁粉探傷等方法做進(jìn)一步檢查。

2.2.2 焊接鋼橋疲勞裂紋修復(fù)

由于各種橋梁結(jié)構(gòu)體系和局部幾何尺寸的差異，其疲勞裂紋形狀也各不相同，因此疲勞開(kāi)裂細(xì)節(jié)的修復(fù)方法也多種多樣。下面給出一些常用修復(fù)方法:鉆孔;冷膨脹;使用高強(qiáng)螺栓填充鉆孔(與鉆孔配合使用);加強(qiáng)腹板間隙的剛度;栓接拼接板;將連接板割短;移除橫隔板和橫向框架;放松部分連接螺栓;重新配置橫隔板;重新焊接;錘擊;TIG重熔;超聲波沖擊;使用組合材料等。

要對(duì)疲勞裂紋進(jìn)行成功修復(fù)，首先必須通過(guò)理論分析或試驗(yàn)研究等方法，弄清造成細(xì)節(jié)局部應(yīng)力集中或變形的真正原因，然后再綜合考慮該選用哪種方法以及如何實(shí)施等，待修復(fù)完成后，還需要對(duì)修復(fù)細(xì)節(jié)進(jìn)行定期檢查，從而確保疲勞開(kāi)裂細(xì)節(jié)的安全。

3 結(jié)語(yǔ)

工程界對(duì)疲勞問(wèn)題的感知已有百年以上的歷史，但由于結(jié)構(gòu)疲勞涉及的理論和工程實(shí)際問(wèn)題很廣，至今仍然有許多研究工作要做。不管是已經(jīng)使用多年的老齡鋼橋，還是剛剛建成或即將建成投入運(yùn)營(yíng)的新鋼橋，如果細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)或制造不當(dāng)，都可能面臨嚴(yán)重的疲勞問(wèn)題，甚至引發(fā)橋毀人亡的災(zāi)難性事故。認(rèn)識(shí)焊接鋼橋典型構(gòu)造細(xì)節(jié)存在的疲勞問(wèn)題，分析其疲勞破壞特點(diǎn)及主要影響因素，總結(jié)其疲勞破壞機(jī)理，掌握鋼橋疲勞破壞的解決對(duì)策，不僅可以有效地防止鋼橋疲勞破壞事故的發(fā)生，而且對(duì)提高我國(guó)現(xiàn)代鋼橋的設(shè)計(jì)和制造水平具有非常重要的意義。

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