鋼橋面板縱肋對接焊縫疲勞裂紋擴展特性及加固方法研究

周細輝, 黃坤

(南昌市城市規劃設計研究總院, 江西 南昌 330000)

正交異性鋼橋面板憑借其輕質高強、適用條件廣、造型美觀以及便于裝配式施工等諸多優點，廣泛應用于中國大、中跨徑橋梁。此類結構在現代社會建設中的應用和發展已成為衡量國家工業設計和制造水平的重要考察指標。事物往往存在兩面性，該類結構雖然存在上述多種優點，但是在后期多年來的使用過程中，工程界以及學術界均發現了其存在著不可忽視的一項缺陷——疲勞破壞。正交異性鋼橋面板自問世以來，伴隨著的疲勞問題就一直困擾著其在工程領域的表現。科研工作者們經過幾十年的研究和探索，認識到鋼橋面板疲勞問題之所以不能得到有效的根治，根本原因在于針對此類結構形式中的疲勞裂紋的擴展機理沒有深入和系統的認識。

由于正交異性鋼橋面板的疲勞問題過于突出，行業內專家學者針對其展開了相關的改善及加固措施研究。20世紀英國塞文橋縱肋端頭連接橫梁處出現疲勞開裂，采用的維修加固措施是于縱肋下緣與橫梁上焊接鋼板，然后用小錘敲擊焊縫焊趾，以起到提高疲勞開裂細節處疲勞抗力的效果；Choi等針對鋼橋面板縱肋與橫隔板連接處產生的疲勞裂紋，在其裂紋尖端引入止裂孔，但試驗荷載循環次數僅1.5萬次后在止裂孔邊緣發現新的疲勞裂紋，試驗結果顯示設置止裂孔并非是一種抑制裂紋的有效措施;王春生等采用粘貼角鋼方法對橫隔板弧形開孔處疲勞開裂進行加固，通過實橋試驗和理論分析確定其能有效降低疲勞易損細節處應力，并抑制裂紋的進一步擴展。既有研究對縱肋對接焊縫處出現的疲勞裂紋的擴展特性及快速加固措施兩者之間系統分析的文獻非常少，相關方面的研究不夠詳細和深入。該文通過建立某公路橋梁單U肋節段有限元模型，以縱肋對接焊縫部位作為研究對象，對其擴展特性展開研究。并且基于對縱肋對接焊縫處疲勞裂紋的開裂形式特征的認識，采取相應的裝配式快速加固措施，并對其加固效果進行評估。

1 線彈性斷裂力學基礎

1.1 裂紋擴展類型

根據文獻[7]中的相關介紹，材料中存在的開裂形式經歸納總結可分為主要的3類：Ⅰ型(張開型)、Ⅱ型(滑開型)和Ⅲ型(撕開型)，如圖1所示。

圖1 開裂形式

多種裂紋擴展模式中，最危險的模式是Ⅰ型疲勞開裂，原因在于其容易導致低應力脆斷現象。

1.2 裂紋擴展判定標準

在線彈性斷裂力學中，通常采用等效應力強度因子Keff進行評判裂紋前緣特征，BS 7910中推薦的計算公式為:

(1)

式中：KⅠ、KⅡ、KⅢ分別為Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型3種開裂模式對應的裂紋應力強度因子；ν為材料泊松比。

線彈性斷裂力學中裂紋是否擴展主要是根據LEFM的應力強度因子準則，裂紋擴展判據為：

Keff≥Kth

(2)

式中：Kth為材料疲勞裂紋應力強度因子擴展閾值。

根據目前線彈性斷裂力學中研究結果，只有當裂紋前緣的等效應力強度因子Keff大于材料的疲勞開裂應力強度因子閾值Kth時，裂紋將繼續擴展。參考BS 7910，縱肋對接焊縫細節處出現的疲勞裂紋位于焊接影響區域，因此該文研究對象的疲勞裂紋應力強度因子擴展閾值取推薦值Kth=63 MPa· mm1/2。

2 縱肋對接焊縫疲勞裂紋擴展特性研究

2.1 有限元模型的建立

根據國內外學者已有的針對鋼橋面板縱肋對接焊縫疲勞性能研究成果，可以使用單個U肋段模型分析該細節處的疲勞裂紋。因此，采用Ansys軟件建立了某公路大橋鋼橋面板單U肋節段數值模型。有限元模型當中的約束條件參照文獻[10]中對應的足尺疲勞試驗中對應試件模型實際的邊界條件進行處理，有限元模型中下翼緣對應部分的節點群的自由度進行全約束處理，該種計算模型的約束方法通過了相關試驗以及文獻[13]的檢驗和驗證。有限元模型順橋向取2個橫隔板，橫橋向包含1個縱肋，模型長2 700 mm，其中兩端橫隔板間距2 500 mm，頂板寬800 mm，模型高600 mm；U肋尺寸為300 mm×280 mm×8 mm，頂板厚度為18 mm，兩邊橫隔板厚度為14 mm，橫隔板下翼緣厚度為20 mm。模型與加載方案示意如圖2所示。

有限元模型中關于鋼材的彈性模量設為210 GPa，泊松比取0.3。在縱肋對接焊縫部位建立含裂紋的子模型，縱肋對接焊縫設置位置參照文獻[12]定于節段模型U肋底板的中間部位，其具體的尺寸參數參考文獻[2]確定，此處不再贅述。有限元模型見圖3。

根據目前學者們關于鋼橋面板受力性能的研究分析成果，車輛荷載的作用影響線較短，呈現出非常明顯的局部效應。因此，對于該模型中的加載可考慮為單側加載。

圖2 模型及加載方案示意圖(單位：mm)

圖3 有限元模型

計算模型中的加載車輛根據JTG D60-2015《公路橋涵設計通用規范》采用480 kN標準單車疲勞模型，車輪著地面積為200 mm×600 mm，如圖4所示。該文的有限元模型中所施加的汽車荷載為兩個車輪對稱施加，具體布置方案如圖2所示，單個輪載為60 kN。

圖4 標準單車疲勞荷載計算模型(尺寸單位:m)

2.2 疲勞裂紋擴展特性分析

該文研究對象為單U肋節段模型，在對稱輪載作用效應的影響下，縱肋對接焊縫處主要承受順橋向的拉應力，相對應該細節處產生的疲勞裂紋表面長度為60 mm，變形位移云圖如圖5所示。

圖5 荷載作用下單U肋疲勞裂紋開裂位移云圖(單位:m)

根據圖5中縱肋對接焊縫處疲勞開裂在荷載作用下的位移變形情況可以大概了解到，該細節處疲勞裂紋表面主要呈張開狀，裂紋上下表面分離，擴展中有明顯的I型(張開型)開裂模式占主導作用的趨勢。

為了方便后續分析，此處首先需要定義疲勞裂紋前緣關注點，如圖6所示，裂紋朝板件厚度方向上擴展時該方向裂紋前緣關注點設為B點，裂紋沿縱肋底板表面擴展時裂紋前緣在構件表面的關注點設為A點。根據文獻[11]中關于縱肋對接焊縫處疲勞裂紋前緣應力強度因子的初步分析，表明該處A點的應力強度因子在整個裂紋擴展過程中均要大于B點處。因此，該文后續的研究分析工作中主要以A點作為關注點。

圖6 裂紋前緣關注點示意圖

實際鋼橋面板結構在使用過程中，隨著服役年限的增長，相對應的橋面上荷載作用次數隨之增加，其中存在的疲勞裂紋也將發生擴展。因此，需要對疲勞裂紋由初始裂紋直至擴展至一定尺寸的過程中疲勞裂紋前緣應力強度因子K進行統計分析，并基于該數據對研究對象——縱肋對接焊縫處疲勞裂紋擴展特性進行研究。疲勞裂紋前緣A點對應的三類應力強度因子KⅠ、KⅡ、KⅢ以及根據式(1)計算得出的Keff在裂紋擴展過程中的變化過程，如圖7所示。

圖7 應力強度因子隨裂紋擴展長度變化關系圖

由圖7可知：

(1)張開型斷裂Ⅰ型應力強度因子KⅠ與復合型斷裂等效應力強度因子Keff均隨著裂紋擴展長度發展而增大，并且整個過程中二者之間數值的差別很小，表明縱肋對接焊縫處疲勞開裂以Ⅰ型(張開型)為主，與圖5中開裂形態得出的結論一致。

(2)滑開型斷裂和撕開型斷裂對應的應力強度因子KⅡ、KⅢ在疲勞裂紋整個擴展過程中一直處于數值0的附近，與Ⅰ型應力強度因子KⅠ的數值相比而言基本可以忽略不計，表明該細節處疲勞裂紋的擴展沒有由單一的Ⅰ型(張開型)開裂方式向復合型開裂擴展模式發展的趨勢。

(3)將應力強度因子與裂紋擴展速率之間建立相應的聯系，通過對圖7進行分析，應力強度因子KⅠ和Keff一直表現為增長的趨勢，表明該細節處疲勞裂紋擴展速率會隨著裂紋擴展的進行而逐漸增大，對結構的不良影響也會越來越大。

3 基于斷裂力學的加固結構疲勞性能分析

3.1 裝配式加固方案

傳統的修復方式以機械修復和熱修復為主。傳統修復方式通常施工工藝復雜，同時又容易引入新的缺陷(如焊接)，加固效果難以保證。

基于前文針對縱肋對接焊縫處產生的疲勞裂紋擴展特性的研究和認識，該細節處疲勞裂紋通常受拉壓應力作用，呈現的表現形式為張開型擴展模式。因此，應當在安全有效，便于施工，不引入新的材料缺陷等加固原則的基礎上，對該類型的疲勞裂紋開裂模式進行加固。經過研究和分析，對縱肋對接焊縫處疲勞開裂采取裝配式栓接鋼板加固方法進行加固，如圖8所示。

圖8 栓接鋼板加固方法

為了避免在原結構中引入新的疲勞缺陷，同時又能夠將鋼板緊密有效地與原結構連接在一起協同受力，該加固過程中不采用焊接和在縱肋底板位置開手孔的方法，而是采用單側自緊高強螺栓進行連接，該類螺栓如圖9所示。該類單側自緊螺栓的具體施工方法可以參照文獻[14]。

圖9 單側自緊螺栓構造設計圖

3.2 加固效果評估

在有限元模型中可以近似將鋼板與原結構之間分別建立接觸單元Conta174和目標單元Targe170，然后通過多點約束方程(MPC)進行連接，使兩者達到類似于固結的狀態。

針對鋼橋面板縱肋對接焊縫處疲勞開裂情況采用栓接鋼板的裝配式加固方法進行研究，此處所采用的鋼板的尺寸為：厚度t取12 mm，長度l定為200 mm，寬度w則與縱肋底部寬130 mm保持一致。裂紋長度由初始裂紋1 mm直至表面擴展至120 mm過程中13個階段加固前后應力強度因子數據具體變化如圖10所示。

由圖10可知：

(1)栓接鋼板加固方式對Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型應力強度因子KⅠ、KⅡ、KⅢ的改善作用非常明顯，其中Ⅰ型開裂在擴展過程中占主導作用，采用該加固方式后KⅠ降幅最大達到了90%以上。對于其余兩類應力強度因子KⅡ、KⅢ，加固前數值非常小，加固之后仍保持很小，表明該加固方式能夠有效改善原本的Ⅰ型(張開型)開裂模式，并且不會加劇其他類型開裂模式的產生。

圖10 栓接鋼板加固前后應力強度因子變化情況

(2)疲勞裂紋前緣等效應力強度因子Keff在加固之后出現非常明顯的下降趨勢，降幅最高達90%左右。其中值得關注的是，加固之后的疲勞裂紋尖端的等效應力強度因子Keff基本都保持在疲勞裂紋擴展閾值Kth(63 MPa·mm1/2)以下，表明采用在縱肋底板外側栓接鋼板的加固方法在理論上能夠有效抑制縱肋對接焊縫處疲勞裂紋的進一步擴展。

4 結論

(1)縱肋對接焊縫處產生的疲勞裂紋擴展過程中，Ⅰ型應力強度因子KⅠ與復合裂紋等效應力強度因子Keff相差很小，表明Ⅰ型(張開型)開裂模式在研究對象部位擴展過程中占主導地位。

(2)根據研究結果，該文研究對象處產生的疲勞裂紋，應力強度因子會隨著裂紋擴展的不斷進行而一直處在增長趨勢中，表明該細節處疲勞裂紋擴展速率會隨著裂紋擴展的進行而逐漸增大，對結構的不良影響也會越來越大。

(3)通過在縱肋底板栓接鋼板的裝配式加固措施的理論分析，該加固方法能夠有效將裂紋前緣的應力強度因子大幅降低，抑制疲勞裂紋的進一步擴展。

(4)該文中針對縱肋對接焊縫處疲勞性能以及加固效果的研究是基于裂紋前緣的應力強度因子，裂紋尖端相對于結構整體性能而言具有一定的局限性。結合實際橋梁結構荷載譜等資料，對于縱肋對接焊縫處產生的疲勞開裂情況采取加固處理措施從結構體系剩余壽命角度對加固效果進行評估是下一步研究的重點。