王賢強(qiáng)， 楊 羿， 劉 朵， 張建東， 陳春霖

(1 蘇交科集團(tuán)股份有限公司 在役長(zhǎng)大橋梁安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 211112；2 東南大學(xué)土木工程學(xué)院， 南京 211189； 3 河海大學(xué)土木工程學(xué)院， 南京 210024)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)的大力推廣，正交異性鋼橋面板憑借自重輕、承載力高的優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。正交異性鋼橋面板是用縱橫向互相垂直的加勁肋(縱肋和橫隔板)連同橋面板所組成的共同承受車輪荷載的結(jié)構(gòu)，其剛度在互相垂直的兩個(gè)方向上不同，造成構(gòu)造上的各向異性。由于正交異性鋼橋面板構(gòu)造復(fù)雜、焊縫數(shù)量眾多，在車輛荷載反復(fù)作用下，容易產(chǎn)生疲勞開裂[1]。據(jù)美國(guó)土木工程師學(xué)會(huì)疲勞和斷裂分委會(huì)的調(diào)查結(jié)果，80%～90%的鋼結(jié)構(gòu)破壞與疲勞有關(guān)。正交異性鋼橋面板的疲勞問(wèn)題已嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)耐久性和使用壽命，其中，萌生于橫隔板弧形開口和橫隔板與U形肋連接焊縫位置向橫隔板母材擴(kuò)展的疲勞裂紋是正交異性鋼橋面板的主要疲勞病害之一，部分鋼箱梁橫隔板疲勞裂紋的占比達(dá)到70%以上[2]。橫隔板(圖1)疲勞裂紋具有平板型貫穿的特性，如果不進(jìn)行及時(shí)處治，裂紋會(huì)快速擴(kuò)展，嚴(yán)重降低局部受力性能。因此，該類疲勞裂紋的防治和加固引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者與工程師的廣泛關(guān)注。

圖1 橫隔板典型疲勞裂紋示意圖

目前，常用的疲勞裂紋加固方法主要有鉆孔止裂、沖擊閉合、粘貼CFRP、粘貼鋼板、栓接鋼板等[3]。姚悅等[4]分析了鉆孔后孔邊萌生裂紋的起裂點(diǎn)、擴(kuò)展路徑與測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化，對(duì)比了不同止裂孔孔位及孔徑對(duì)試件剩余疲勞壽命的影響。YUANZHOU等[5]通過(guò)模型試驗(yàn)驗(yàn)證了沖擊閉合法的適用性，分析了沖擊閉合法加固時(shí)疲勞裂紋與沖擊區(qū)域的合理距離。王海濤等[6]通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試分析了CFRP加固鋼板的疲勞性能，優(yōu)化了CFRP的布置形式，并探討了CFRP的加固機(jī)理。李?，q等[7]分析了CFRP粘貼層數(shù)對(duì)疲勞壽命、裂紋擴(kuò)展情況、斷裂時(shí)碳纖維布與鋼板之間的協(xié)同工作情況的影響。MOHAJER等[8]以含預(yù)制缺陷的鋼板為研究對(duì)象，對(duì)比了非強(qiáng)化及強(qiáng)化后(粘結(jié)CFRP、錨固預(yù)應(yīng)力CFRP)的裂紋擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，分析了粘結(jié)滑移對(duì)加固效果的削減作用。王春生等[9]提出冷連接鋼板的冷維護(hù)方法，對(duì)橫隔板挖孔細(xì)節(jié)、縱肋與橫隔板連接細(xì)節(jié)采用等邊角鋼進(jìn)行加固，對(duì)實(shí)橋正交異性鋼橋面板冷維護(hù)效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。然而，止裂孔加固后會(huì)重新出現(xiàn)應(yīng)力集中引起止裂孔開裂，通常作為臨時(shí)性處治措施或其他加固方法的預(yù)處理工藝。目前，大多數(shù)學(xué)者針對(duì)單一加固方法的疲勞性能進(jìn)行驗(yàn)證，并開展參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，未對(duì)比分析止裂孔與粘貼CFRP、粘貼鋼板等組成復(fù)合加固方法的疲勞性能，尤其是針對(duì)橫隔板平面貫穿裂紋的止裂孔復(fù)合加固方法的有效性和疲勞壽命有必要進(jìn)行深入研究。相關(guān)學(xué)者對(duì)高強(qiáng)螺栓與止裂孔復(fù)合加固方法進(jìn)行了探索，取得了良好的加固效果。CHAKHERLOU等[10]采用高強(qiáng)螺栓加固了含中心裂紋試板，有效降低了裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子。ISHIKAWA等[11]通過(guò)在長(zhǎng)裂紋路徑上設(shè)置高強(qiáng)螺栓，阻止裂縫張開，有效減小了止裂孔周圍應(yīng)力。JIANG等[12]通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試對(duì)比了止裂孔與栓接止裂孔加固鋼板的疲勞壽命，并對(duì)加固參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

本文針對(duì)止裂孔復(fù)合加固方法進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以含單邊初始裂紋的鋼板為研究對(duì)象，對(duì)僅止裂孔加固和復(fù)合加固鋼板進(jìn)行了疲勞測(cè)試，主要對(duì)比分析了復(fù)合加固方法的失效模式、裂紋擴(kuò)展規(guī)律和疲勞性能，優(yōu)選得出了理想的橫隔板疲勞裂紋加固方法，并基于有限元仿真分析，揭示了其加固機(jī)理。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與測(cè)試

1.1 材料性能

試件采用10mm厚Q345qD結(jié)構(gòu)鋼制作，粘貼用CFRP布厚度為0.5mm，試驗(yàn)材料的力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。

試驗(yàn)材料力學(xué)性能 表1

1.2 試件制作

參照《金屬材料疲勞試驗(yàn)疲勞裂紋擴(kuò)展方法》(GB/T 6398—2017)[13]制作試件，鋼板試件尺寸為680mm×120mm×10mm(長(zhǎng)×寬×厚)，在試件長(zhǎng)邊側(cè)采用數(shù)控機(jī)床切割20mm開口誘導(dǎo)疲勞裂紋擴(kuò)展，通過(guò)MTS疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行豎向循環(huán)拉伸加載，應(yīng)力幅為80MPa，疲勞裂紋擴(kuò)展至20mm長(zhǎng)度后停止加載，循環(huán)加載次數(shù)為2.6萬(wàn)次。在裂紋尖端位置鉆取直徑13mm的止裂孔，止裂孔孔心與預(yù)制裂紋尖端重合，且距鋼板試件預(yù)制開口邊的距離為40mm，如圖2所示。

圖2 試件構(gòu)造與尺寸

共設(shè)計(jì)制作4個(gè)試件，具體如表2所示。Ua試件僅進(jìn)行鉆孔止裂處治，作為基準(zhǔn)試件；S1試件采用粘貼CFRP布加固，在鋼板試件一面用E-44環(huán)氧樹脂膠粘貼雙層CFRP布，CFRP布尺寸為400mm×120mm(長(zhǎng)×寬)；S2試件采用栓接止裂孔加固，高強(qiáng)螺栓規(guī)格為M12，強(qiáng)度等級(jí)為8.8級(jí)，穿過(guò)止裂孔施擰高強(qiáng)螺栓至標(biāo)準(zhǔn)扭矩；S3試件采用粘貼鋼板加固，鋼板選取與母材一致的Q345qD鋼，鋼板尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)為400mm×120mm×10mm，表面處理后采用環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行粘貼。試件加固處理如圖3所示。

試件加固方式與處理措施 表2

圖3 試件加固示意圖

1.3 試驗(yàn)測(cè)試

為了確定車輛荷載作用下橫隔板弧形開口處的應(yīng)力水平，建立正交異性鋼橋面板有限元模型進(jìn)行仿真應(yīng)力分析，如圖4所示。按照公路Ⅰ級(jí)車輛疲勞荷載進(jìn)行加載，橫隔板弧形開口處出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域，最大主應(yīng)力為92.6MPa，以此確定試件加載應(yīng)力水平。試驗(yàn)加載裝置采用MTS647疲勞試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試試件在試驗(yàn)機(jī)上中點(diǎn)對(duì)稱加載，施加正弦波均布拉伸荷載，加載頻率為8Hz，應(yīng)力幅為80MPa，應(yīng)力比為0.2，最大應(yīng)力σmax為100MPa，最小應(yīng)力σmin為20MPa。

圖4 正交異性鋼橋面板有限元仿真應(yīng)力分布/Pa

為了監(jiān)測(cè)疲勞加載過(guò)程中關(guān)鍵位置應(yīng)力變化與裂紋擴(kuò)展位置，在試件粘貼面背面裂紋擴(kuò)展路徑上布置3個(gè)應(yīng)變片，應(yīng)變片電阻值為120Ω，靈敏系數(shù)為2.0，采用應(yīng)變測(cè)試儀進(jìn)行應(yīng)變數(shù)據(jù)的連續(xù)采集。1-1應(yīng)變片布置在止裂孔邊緣，應(yīng)變片中心距止裂孔邊緣或墊片外緣3mm，敏感柵尺寸(長(zhǎng)×寬)為5mm×2.8mm；1-2和1-3應(yīng)變片中心距鋼板試件邊緣分別為60mm和70mm，敏感柵尺寸(長(zhǎng)×寬)均為20mm×3.0mm，如圖5所示。加載過(guò)程中，疲勞裂紋擴(kuò)展到應(yīng)變片位置時(shí)，應(yīng)變片的數(shù)值會(huì)發(fā)生突變。當(dāng)疲勞裂紋完全貫穿鋼板整個(gè)寬度后，定義為試件失效，停止疲勞加載。

圖5 試件加載與應(yīng)變片布置

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 疲勞失效模式

循環(huán)荷載作用下試件的疲勞破壞模式如圖6所示，隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加，疲勞裂紋越過(guò)止裂孔繼續(xù)擴(kuò)展直至斷裂，裂紋擴(kuò)展方向與施加荷載方向垂直。僅止裂孔加固的Ua試件疲勞裂紋從止裂孔邊緣應(yīng)力集中點(diǎn)處重新擴(kuò)展，止裂孔失效；粘貼CFRP加固的S1試件失效模式為CFRP與鋼板間的粘貼樹脂膠開裂脫粘，疲勞加載初期，CFRP和鋼板能夠共同受力，隨著疲勞荷載次數(shù)的增加，CFRP開始剝離，復(fù)合加固機(jī)制退化成單一的止裂孔加固機(jī)制，隨著剝離失效區(qū)域的擴(kuò)大，裂紋不斷擴(kuò)展直至斷裂；栓接止裂孔加固的S2試件墊片受到累積損傷在裂紋側(cè)先行開裂，高強(qiáng)螺栓的預(yù)緊力大幅降低，栓接止裂孔的加固機(jī)制退化成單一的止裂孔加固，之后疲勞裂紋的擴(kuò)展與Ua試件相同；粘貼鋼板加固的S3試件的失效模式與粘貼CFRP加固的S1試件類似，失效主要由于粘貼鋼板和加固鋼板間樹脂膠的脫粘剝離，對(duì)于粘貼鋼板和CFRP等粘貼類加固措施，粘貼膠的性能和施工質(zhì)量是保證加固效果的控制重點(diǎn)。

圖6 加固試件失效模式

2.2 裂紋擴(kuò)展規(guī)律

止裂孔邊緣1-1應(yīng)變片在100MPa拉力荷載作用下的應(yīng)變值如圖7所示，止裂孔加固后孔邊應(yīng)變?yōu)? 624με，復(fù)合加固后孔邊應(yīng)變降低至1 142～1 718με，復(fù)合加固顯著降低了止裂孔孔邊應(yīng)力集中程度，應(yīng)力集中水平降低達(dá)69.5%。根據(jù)應(yīng)變片失效情況記錄了疲勞裂紋擴(kuò)展至應(yīng)變片與斷裂的疲勞循環(huán)次數(shù)，疲勞裂紋擴(kuò)展變化如圖8所示?？梢钥闯觯诹鸭y一旦再次出現(xiàn)，裂紋會(huì)急速發(fā)展。不同復(fù)合加固方法的裂紋擴(kuò)展規(guī)律具有相似性，復(fù)合加固有效延緩了疲勞裂紋再擴(kuò)展時(shí)間，并對(duì)裂紋擴(kuò)展速率產(chǎn)生影響，疲勞裂紋擴(kuò)展速率從大到小依次為止裂孔>粘貼CFRP>栓接止裂孔>粘貼鋼板。

圖7 加固試件靜載作用1-1應(yīng)變值

圖8 加固試件疲勞裂紋擴(kuò)展變化

2.3 疲勞性能對(duì)比

加固試件的疲勞壽命測(cè)試結(jié)果如表3所示，其中再擴(kuò)展壽命為疲勞裂紋越過(guò)止裂孔再次擴(kuò)展的疲勞荷載循環(huán)次數(shù)，失效壽命為疲勞裂紋完全貫穿整個(gè)鋼板寬度時(shí)所經(jīng)歷的荷載循環(huán)次數(shù)。

復(fù)合加固試件疲勞壽命 表3

由圖9所示，復(fù)合加固試件的再擴(kuò)展疲勞壽命達(dá)到止裂孔加固試件的3.6～15.8倍，說(shuō)明復(fù)合加固在鉆孔止裂的基礎(chǔ)上降低了應(yīng)力集中，有效延緩了裂紋的再次擴(kuò)展。栓接止裂孔和粘貼鋼板的再擴(kuò)展疲勞壽命是止裂孔加固的6.8倍和15.8倍，優(yōu)于粘貼CFRP加固效果，CFRP布較薄，環(huán)氧樹脂膠粘結(jié)性能難以保證，CFRP與鋼板間的樹脂膠成為疲勞破壞的薄弱位置。試件疲勞失效壽命如圖10所示，與再擴(kuò)展疲勞壽命具有類似規(guī)律，栓接止裂孔和粘貼鋼板的疲勞失效壽命優(yōu)于粘貼CFRP的疲勞失效壽命，其疲勞失效壽命分別為止裂孔加固的4.9倍和14.4倍，顯著提高了裂紋鋼板整體疲勞壽命。

圖9 加固試件裂紋再擴(kuò)展壽命

圖10 加固試件疲勞失效壽命

2.4 加固方法適用性分析

鉆孔止裂能明顯緩解裂紋尖端的應(yīng)力集中，適用于臨時(shí)性加固，往往會(huì)發(fā)生再次開裂現(xiàn)象，導(dǎo)致止裂孔失效，但憑借其構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工便捷的優(yōu)勢(shì)依然廣泛應(yīng)用，尤其適合單裂紋的臨時(shí)處治。粘貼CFRP和鋼板適用于面積型的裂紋病害處理，但加固效果嚴(yán)重依賴于粘貼質(zhì)量，結(jié)構(gòu)膠性能和施工工藝水平成為其應(yīng)用的限制條件。

正交異性鋼橋面板疲勞裂紋的修復(fù)與加固基本遵循以下原則：1)經(jīng)處理之后裂紋對(duì)結(jié)構(gòu)的影響基本消除；2)加固措施基本不會(huì)對(duì)原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生新的損傷；3)補(bǔ)強(qiáng)加固選材合理，具有工程可實(shí)施性，構(gòu)造設(shè)計(jì)力求簡(jiǎn)單，不應(yīng)引起過(guò)大的應(yīng)力集中；4)對(duì)正常運(yùn)營(yíng)的干擾盡量降低，同時(shí)對(duì)原橋梁外觀影響不大[14]。栓接止裂孔加固僅在止裂孔的基礎(chǔ)上施擰高強(qiáng)螺栓，保持了止裂孔加固構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工便捷的優(yōu)勢(shì)，不會(huì)對(duì)原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過(guò)大損傷，并顯著提高了止裂性能和疲勞壽命。此外，墊片先于母材破壞起到失效預(yù)警作用，并可更換高強(qiáng)螺栓周期性提高疲勞性能，鋼結(jié)構(gòu)橋梁橫隔板多為單裂紋疲勞形式，成為其理想的“微損傷”加固方法。

3 栓接止裂孔加固機(jī)理

為揭示栓接止裂孔的加固機(jī)理，采用ABAQUS軟件建立止裂孔與栓接止裂孔加固試件有限元模型進(jìn)行仿真分析，鋼板采用Q345qD結(jié)構(gòu)鋼，高強(qiáng)螺栓規(guī)格為M12，材料屬性如表4所示。采用六面體減縮積分單元C3D8R進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，單元尺寸?mm，止裂孔周圍單元尺寸加密到0.5mm，預(yù)制疲勞裂紋通過(guò)軟件中裂紋命令設(shè)置。栓接止裂孔模型中共設(shè)定4組接觸面：螺帽與上墊片(Ct1)、上墊片與鋼板(Ct2)、下墊片與鋼板(Ct3)、螺母與下墊片(Ct4)，接觸面在法向方向采用罰函數(shù)的硬接觸進(jìn)行約束，在切向方向采用罰函數(shù)的摩擦接觸進(jìn)行約束，通過(guò)在Load模塊中對(duì)螺栓截面施加螺栓荷載的方式施加預(yù)緊力，預(yù)緊力為38.4kN?？紤]實(shí)際試驗(yàn)情況，試件的一端完全約束，在另一端施加20MPa的均布拉應(yīng)力，對(duì)模型進(jìn)行線彈性分析，如圖11所示。

圖11 有限元仿真模型

模型材料參數(shù) 表4

止裂孔加固和栓接止裂孔加固后試件的主應(yīng)力分布云圖如圖12所示。高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力使墊片和鋼板間產(chǎn)生擠壓，摩擦力限制了疲勞裂紋張開，減小了止裂孔受力集中位置的疲勞應(yīng)力。圖13為止裂孔與栓接止裂孔加固后止裂孔邊緣沿厚度方向的主應(yīng)力分布對(duì)比曲線。由圖可以看出，沿厚度方向中間應(yīng)力水平高于上下表面，施加高強(qiáng)螺栓后，應(yīng)力水平明顯降低，受力最大的厚度中心位置應(yīng)力從242MPa降低至135MPa，降幅達(dá)到44.2%，栓接止裂孔表現(xiàn)出優(yōu)異的止裂性能。

圖12 主應(yīng)力分布圖/MPa

圖13 止裂孔與栓接止裂孔加固后止裂孔邊緣沿厚度方向的主應(yīng)力分布對(duì)比曲線

4 結(jié)論

本文對(duì)單邊疲勞裂紋鋼板的復(fù)合加固方法的有效性和疲勞性能進(jìn)行了研究，對(duì)比分析了粘貼CFRP、栓接止裂孔和粘貼鋼板對(duì)加固效果的影響，揭示了栓接止裂孔復(fù)合加固機(jī)理，結(jié)論如下：

(1)在正弦疲勞荷載作用下，復(fù)合加固裂紋鋼板的疲勞失效模式不同，粘貼CFRP和粘貼鋼板由結(jié)構(gòu)樹脂膠剝離引起失效，栓接止裂孔失效以墊片疲勞破壞為主。

(2)復(fù)合加固顯著提高了含裂紋鋼板的疲勞壽命，疲勞壽命達(dá)到止裂孔加固的3.6～15.8倍，粘貼鋼板和栓接止裂孔的加固效果優(yōu)于粘貼CFRP。

(3)高強(qiáng)螺栓與鋼板間的摩擦力對(duì)疲勞裂紋張開起到有效約束限制作用，使栓接止裂孔加固具有良好的疲勞性能，加固墊片先于母材破壞起到失效預(yù)警作用，并可更換高強(qiáng)螺栓周期性提高疲勞性能，是理想的橫隔板“微損傷”加固方法。