高強(qiáng)螺栓連接鋼板增強(qiáng)含裂紋橫隔板的疲勞壽命評(píng)估*

曾劍波， 陳卓異， 譚勝， 趙希成

(長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長沙 410114)

橫隔板是鋼箱梁橋常用的結(jié)構(gòu)形式。在車輪荷載作用下，橫隔板與橋面板連成整體，有效降低荷載橫向分布系數(shù)，提高正交異性鋼橋面板的極限承載力。但橫隔板需承擔(dān)較大的面外彎曲應(yīng)力，位于弧形切口處的疲勞裂紋為橫隔板母材的主要疲勞病害之一，有效解決橫隔板弧形切口疲勞問題迫在眉睫。橫隔板弧形切口的疲勞性能受鋼橋面板細(xì)部構(gòu)造、焊接工藝及重載等因素影響較大，不少學(xué)者對(duì)其優(yōu)化加固開展了研究。Choi J. H.等在弧形切口疲勞裂紋尖端處設(shè)置止裂孔進(jìn)行加固，但當(dāng)裂紋周圍應(yīng)變過大時(shí)，止裂孔并不能有效抑制裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展。祝志文等認(rèn)為橫隔板厚度大于12 mm時(shí)，弧形切口處疲勞裂紋應(yīng)力幅小于截止應(yīng)力幅，為無限疲勞壽命。陳卓異等認(rèn)為優(yōu)化弧形切口的圓弧半徑、直線長度和傾角可降低其峰值應(yīng)力。吳有俊等采用優(yōu)化弧形切口+鋼板補(bǔ)強(qiáng)的加固方案，應(yīng)力降幅明顯且加固后未產(chǎn)生疲勞裂紋。李傳習(xí)等通過“止裂孔+弧形切口優(yōu)化+雙面補(bǔ)強(qiáng)鋼板”的處治方案，采取較大的弧形切口半徑、4 mm厚補(bǔ)強(qiáng)鋼板和細(xì)化補(bǔ)強(qiáng)鋼板參數(shù)等措施，有效提高了橫隔板弧形切口處的疲勞壽命。既有研究對(duì)橫隔板弧形切口疲勞裂紋的加固不夠系統(tǒng)全面，補(bǔ)強(qiáng)鋼板的位置和參數(shù)設(shè)計(jì)無相同標(biāo)準(zhǔn)，未考慮螺栓孔位對(duì)弧形切口邊緣距離的影響，不能全面分析優(yōu)化細(xì)部構(gòu)造的影響因素。本文以實(shí)際存在疲勞病害的鋼箱梁為研究對(duì)象，進(jìn)行運(yùn)營荷載動(dòng)應(yīng)變測試，得到局部構(gòu)造細(xì)節(jié)的應(yīng)力譜，基于雨流計(jì)數(shù)法預(yù)測構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞壽命，為后續(xù)優(yōu)化加固策略制定提供依據(jù)。

1 工程背景

1.1 弧形切口疲勞裂紋概況

某自錨式懸索橋，主跨采用正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)，橋梁立面布置見圖1。2014年對(duì)該橋進(jìn)行病害檢查，發(fā)現(xiàn)一定數(shù)量疲勞裂紋病害，主要包括橫隔板弧形切口處疲勞開裂、橫隔板與U肋交接處疲勞開裂、橫隔板與橋面板連接處焊縫開裂等，其中橫隔板弧形缺口疲勞開裂病害占全橋所有病害的77%。橫隔板弧形缺口疲勞開裂病害多位于非吊點(diǎn)處10 mm厚橫隔板的弧形切口位置，占該類病害的95%，且左幅弧形切口周邊裂紋數(shù)量多于右幅，左幅弧形切口疲勞裂紋占67.8%。橫隔板弧形缺口疲勞裂紋見圖2。

圖1 橋梁立面布置(單位：cm)

圖2 弧形切口處母材裂紋

該類疲勞裂紋從弧形切口起彎點(diǎn)處開始萌生擴(kuò)展，主要集中于重車道對(duì)應(yīng)的中室及邊室的弧形切口周邊區(qū)域，快車道對(duì)應(yīng)的弧形切口位置亦存在少量疲勞裂紋，超車道及慢車道對(duì)應(yīng)位置未見疲勞裂紋，說明這類病害與車輛質(zhì)量、數(shù)量和橫隔板厚度緊密相關(guān)。選擇左幅鋼箱梁作為加固試驗(yàn)段。

1.2 弧形切口修復(fù)方案

(1) 結(jié)合止裂孔、弧形切口優(yōu)化和鋼板補(bǔ)強(qiáng)加固的優(yōu)點(diǎn)，在距裂紋擴(kuò)展端頭0.5～1.0倍板厚位置鉆止裂孔，抑制裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。止裂孔設(shè)置在裂紋擴(kuò)展危險(xiǎn)區(qū)或加固裂紋區(qū)域，距離弧形切口圓弧邊緣至少20 mm。

(2) 在橫隔板上對(duì)“優(yōu)化切口形狀”進(jìn)行劃線定位，并對(duì)橫隔板優(yōu)化弧形切口進(jìn)行切割。對(duì)橫隔板弧形切口處短小裂縫(裂縫長度L≤25 mm)進(jìn)行“弧形切口優(yōu)化”加固，加固方案見圖3。對(duì)橫隔板弧形切口處中長裂縫(裂縫長度L>25 mm)進(jìn)行“弧形切口優(yōu)化+雙面鋼板補(bǔ)強(qiáng)”加固，在弧形切口優(yōu)化的基礎(chǔ)上，通過高強(qiáng)螺栓把兩塊補(bǔ)強(qiáng)板固定在橫隔板出現(xiàn)裂紋的區(qū)域，加固方案見圖4。

圖3 裂縫長度L≤25 mm時(shí)的加固方案

圖4 裂縫長度L>25 mm時(shí)的加固方案

1.3 橫隔板螺栓優(yōu)化方案

該橋螺栓孔直徑大多為21 mm，橫隔板厚度為12 mm和10 mm，補(bǔ)強(qiáng)鋼板厚度為10 mm。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)螺栓孔距的規(guī)定，按照從嚴(yán)的標(biāo)準(zhǔn)，鋼箱梁橫隔板加固螺栓孔間距要求為：外排螺栓孔中心間距為63～120 mm；沿對(duì)角線方向螺栓孔中心間距≥63 mm；中間行列上螺栓孔中心間距為63～160 mm；螺栓孔中心距構(gòu)件邊緣的距離為31.5～80.0 mm。

螺栓孔的放樣定位：1) 加強(qiáng)鋼板最下排6個(gè)φ21螺栓孔、從上至下第二排2個(gè)φ17外側(cè)螺栓孔在工廠鉆孔。2) 橫隔板母材的螺栓孔與加強(qiáng)鋼板匹配鉆孔。3) 加強(qiáng)鋼板其余孔位在橫隔板原位按設(shè)計(jì)孔位放樣。4) 放樣后檢查各孔距是否滿足規(guī)范要求，若不滿足，則適度調(diào)整孔位，必要時(shí)增減1個(gè)孔位，以滿足要求。5) 根據(jù)最終確定的放樣孔位進(jìn)行橫隔板原板鉆孔和加強(qiáng)鋼板匹配鉆孔。

由于現(xiàn)場施工的原因，存在制造與加工缺陷，螺栓孔距弧形切口邊緣的距離小于10 mm時(shí)，重做補(bǔ)強(qiáng)鋼板，補(bǔ)強(qiáng)鋼板上不設(shè)止裂孔，在距離止裂孔48 mm位置設(shè)置新的螺栓孔(見圖5)。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，按照上述間距，補(bǔ)強(qiáng)鋼板弧形邊緣應(yīng)力由原來的24.7 MPa增加至43.6 MPa，距邊緣較近的螺栓孔周邊應(yīng)力也達(dá)到40 MPa(見圖6)。

圖5 補(bǔ)強(qiáng)鋼板螺栓孔的調(diào)整

圖6 補(bǔ)強(qiáng)鋼板應(yīng)力分析結(jié)果(單位：Pa)

2 實(shí)橋裂紋修復(fù)與試驗(yàn)方案

2.1 測點(diǎn)布置

弧形切口疲勞裂紋主要位于重車道和快車道，沿橫橋向選擇4個(gè)加固后弧形切口進(jìn)行應(yīng)變測試。圖7中圓圈所示為弧形切口，測點(diǎn)布設(shè)在橫隔板弧形切口圓弧上，粘貼于弧形切口內(nèi)側(cè)(見圖8)，其中測點(diǎn)B用于測量運(yùn)營荷載作用下動(dòng)應(yīng)變，其余測點(diǎn)用于測量弧形切口的靜應(yīng)變。測點(diǎn)現(xiàn)場布置情況見圖9。

圖7 動(dòng)應(yīng)變測點(diǎn)布置方案(單位：cm)

圖8 應(yīng)變測點(diǎn)布置局部放大(單位：mm)

圖9 應(yīng)變測點(diǎn)現(xiàn)場布置

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

采樣頻率為100 Hz，采集一周。考慮到現(xiàn)場環(huán)境的影響，先評(píng)估車輛荷載再對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理性分析。去除溫度影響后，實(shí)際運(yùn)營荷載作用下應(yīng)力譜見圖10～13，應(yīng)力譜采用不小于29 MPa的應(yīng)力循環(huán)。

從圖10～13可以看出：在車輛載荷作用下，4#弧形切口的應(yīng)力為30～40 MPa，循環(huán)次數(shù)隨著應(yīng)力循環(huán)的增加隨機(jī)地減小。而公路鋼橋疲勞應(yīng)力譜的基本特征應(yīng)為逐漸連續(xù)減少，4#弧形切口不符合該特征。

圖10 1#弧形切口的應(yīng)力譜(去除溫度影響后)

圖11 2#弧形切口的應(yīng)力譜(去除溫度影響后)

圖12 3#弧形切口的應(yīng)力譜(去除溫度影響后)

圖13 4#弧形切口的應(yīng)力譜(去除溫度影響后)

圖14、表1分別為各弧形切口的循環(huán)次數(shù)(大于29 MPa)和疲勞損傷。從圖14、表1可以看出：4#弧形切口的循環(huán)次數(shù)為174 990次，該橋一天內(nèi)通過的重載卡車不可能有如此之多。因此，后續(xù)分析中主要依據(jù)1#、2#和3#弧形切口的數(shù)據(jù)。

圖14 各弧形切口的循環(huán)次數(shù)

2.3 疲勞壽命預(yù)測

根據(jù)歐洲Eurocode3規(guī)范，名義應(yīng)力譜對(duì)應(yīng)的疲勞強(qiáng)度曲線公式為：

(1)

N≤108次)

(2)

式中：ΔσR為細(xì)節(jié)承受的應(yīng)力范圍；NR為對(duì)應(yīng)疲勞壽命；ΔσC為細(xì)節(jié)類型；ΔσD為常幅疲勞極限；m為常數(shù)，ΔσR<ΔσD時(shí)，m由3變?yōu)?。

Eurocode3規(guī)范還確定了循環(huán)次數(shù)為108次時(shí)的應(yīng)力截止限ΔσL：

(3)

ΔσR≤ΔσL時(shí)，認(rèn)為該細(xì)節(jié)的疲勞壽命是無限的。因此，也可以將ΔσL視為變幅疲勞作用的應(yīng)力門檻，在實(shí)際計(jì)算過程中，應(yīng)將小于ΔσL的應(yīng)力循環(huán)從應(yīng)力譜中剔除。

表2為Eurocode3規(guī)范中疲勞細(xì)節(jié)S-N曲線參數(shù)。選取Eurocode3規(guī)范的疲勞強(qiáng)度曲線進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估，根據(jù)細(xì)節(jié)的受力特征和實(shí)際構(gòu)造，弧形切口細(xì)節(jié)的類型為70。

表2 Eurocode3規(guī)范中疲勞細(xì)節(jié)S-N曲線參數(shù) MPa

根據(jù)式(1)、式(2)，可將疲勞強(qiáng)度曲線改寫為：

(4)

ΔσR<ΔσD)

(5)

應(yīng)力幅ΔσR≥ΔσD時(shí)，疲勞強(qiáng)度系數(shù)為KC；應(yīng)力幅ΔσR<ΔσD時(shí)，疲勞強(qiáng)度系數(shù)為KD。對(duì)于弧形切口細(xì)節(jié)70，KC、KD分別為7.14×1011和1.88×1015。

根據(jù)式(4)、式(5)，由應(yīng)力循環(huán)產(chǎn)生的疲勞損傷為：

(6)

(7)

式中：n為應(yīng)力S的作用次數(shù)；N為與S對(duì)應(yīng)的疲勞壽命。

根據(jù)線性損傷累積理論(Palmgren-Miner法則)，在變幅荷載作用下，弧形切口處的細(xì)節(jié)疲勞損傷計(jì)算公式為：

(8)

式中：ni為S>ΔσD的作用次數(shù)；nj為S≤ΔσD的作用次數(shù)。

實(shí)際運(yùn)營荷載作用6 d后，所有弧形切口的循環(huán)次數(shù)和疲勞損傷的日平均值見圖15、圖16。從圖15可以看出：4#測點(diǎn)的循環(huán)次數(shù)日平均值為154 905次，從該橋目前運(yùn)營車輛荷載的現(xiàn)狀來看，循環(huán)次數(shù)結(jié)果失真偏大。從圖16可以看出：受鋼箱梁頂板構(gòu)造特征的影響，同一車道相互靠近的兩個(gè)動(dòng)應(yīng)變測點(diǎn)的循環(huán)次數(shù)和疲勞損傷存在較大差異。

圖15 6 d循環(huán)次數(shù)日平均值

圖16 6 d疲勞損傷日平均值

據(jù)此，可根據(jù)下式計(jì)算各弧形切口的疲勞壽命：

(9)

式中：N為弧形切口的疲勞壽命，以年表示。

表3為疲勞壽命預(yù)測結(jié)果。從表3可以看出：所有車道的壽命都由原本開裂狀態(tài)提升到30年以上的運(yùn)營狀態(tài)，但都小于橋梁的設(shè)計(jì)年限，需要在后期維護(hù)管養(yǎng)中予以重視。

表3 所有弧形切口的疲勞壽命

3 結(jié)論

(1) 對(duì)于弧形切口疲勞裂紋，在止裂孔的基礎(chǔ)上，短小疲勞裂紋可采用“弧形切口優(yōu)化”的加固方案，中長疲勞裂紋可采用“弧形切口優(yōu)化+雙面補(bǔ)強(qiáng)鋼板”的加固方案。

(2) 補(bǔ)強(qiáng)鋼板采用工廠部分預(yù)制鉆孔、現(xiàn)場部分鉆孔的方法，補(bǔ)強(qiáng)鋼板的外形需圓滑過渡，避免倒角處產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)。根據(jù)有限元分析結(jié)果，孔距太近或邊距偏小，會(huì)在兩孔之間的鄰近區(qū)域形成新的薄弱位置，容易導(dǎo)致螺栓孔與弧形切口邊緣之間位置應(yīng)力集中，加大補(bǔ)強(qiáng)鋼板產(chǎn)生裂紋的可能。

(3) 施工過程中的應(yīng)力監(jiān)控結(jié)果表明，1#(快車道)、2#(快車道)和3#(重車道)弧形切口的預(yù)測疲勞壽命分別為30.9年、48.8年和32年，運(yùn)營狀態(tài)的疲勞壽命得到有效提升。