鋼橋變形疲勞粘結加固方法耐久性試驗研究

摘要：采用粘結角鋼加固法對鋼橋腹板間隙處的疲勞裂紋進行加固，其優點是對原結構不造成損傷或損傷較小。文章通過足尺疲勞試驗評估粘結角鋼加固法的有效性和耐久性：首先加載試件誘發其產生疲勞裂紋，然后采用粘結角鋼加固法對梁進行加固，在實驗室放置約三年半后，對加固后的試件繼續進行試驗。結果表明：試件應用粘結角鋼加固法強化后，面外變形和疲勞細節處的應力急劇下降，疲勞裂紋也沒有進一步增大。因此，粘結角鋼加固技術可有效控制鋼梁橋腹板間隙區域的疲勞裂紋，且具有良好的耐久性。

關鍵詞：粘結角鋼加固法;疲勞試驗;有效性;耐久性

0 引言

多梁式鋼橋梁的主梁由橫向支撐連接，荷載是從一根主梁傳遞到相鄰的主梁。在焊接過程中，主梁的豎向加勁肋連接到橫向支撐或橫梁上，從而可以有效地連接不同的主梁。為了避免垂直加勁肋和張力翼緣焊縫處的疲勞細節失效，通常將主梁張力翼緣附近的垂直加勁肋剪短，因此，在垂直加勁肋和張力法蘭之間留有幾厘米的腹板間隙。在車輛荷載作用下，相鄰主梁的位移不同，導致腹板間隙區域發生面外變形。疲勞裂紋嚴重影響鋼橋的使用安全和使用壽命，已知大約90%的疲勞裂紋是由面外變形和二次應力引起的[1-2]，文中鋼橋腹板間隙的損傷就是面外變形引起的典型疲勞問題。

眾多學者通過現場試驗、有限元分析和理論研究[3-5]，發現增加腹板間隙長度或連接垂直加勁肋和拉伸法蘭可以有效降低腹板間隙處的集中應力，螺栓連接的丁字角鋼也可有效防止新疲勞裂紋出現。在加勁肋和頂部法蘭之間連接一個板，將交叉支撐連接到加勁肋的螺栓，已被證明能有效減少腹板間隙區域變形引起的應變和應力。還有學者通過將角鋼螺栓連接到法蘭和腹板上來增加腹板間隙厚度，該方法可增加腹板間隙的剛度，并有效減少腹板間隙區域的變形和應力。縫隙修補也可用于修補疲勞細節，結果表明，這種方法在腹板間隙中引入了較高的疲勞應力，將導致疲勞裂紋重新生成和擴展。然而，使用角鋼連接翼緣和加勁肋的加固方法可以有效地減小面外變形幅度，從而減小腹板間隙處加勁肋-腹板焊趾的應力，并防止產生新疲勞裂紋和擴展現有的疲勞裂紋。

本文進行足尺疲勞試驗，研究粘結角鋼加固法的有效性和耐久性。已知粘結角鋼加固技術不會在疲勞敏感部位引入二次應力，加固過程中也不會對腹板間隙的疲勞敏感部位產生負面影響。首先加載試件誘發疲勞裂紋，然后采用粘結加固法對梁進行加固，加固后進行疲勞試驗，將試樣放置在實驗室中三年半，模擬溫度、濕度和粘合材料老化對冷加固接頭疲勞性能的影響。這是為了模擬工字鋼板橋中間主梁的加固位置，因為該位置[=XQS（]鋼橋變形疲勞粘結加固方法耐久性試驗研究/陳薇元[=JP2]很難直接受到雨、雪和紫外線的影響。鋼筋試件繼續承受循環荷載，以分析粘結層的耐久性、退化、老化以及四季溫度變化對冷加固節點性能的影響。

1 疲勞試驗

1.1 測試程序

足尺試件為工字形鋼梁，由翼緣、腹板和加勁肋組成。試樣由Q345鋼制成，正常屈服應力為345 MPa，試件尺寸根據腹板間隙的實際疲勞性能確定。通過有限元分析的結果表明，試件長度對腹板間隙的面外變形和應力的影響可以忽略不計。因此，考慮到疲勞試驗的固定和加載條件，試樣長度采用600 mm。圖1為試樣的尺寸、應變和位移測量點。法蘭、腹板和豎向加勁肋的尺寸分別為（600×300×24） mm、（870×600×8） mm和（790×120×6） mm。根據有限元分析結果，應變儀布置在應力較高的腹板間隙處。

采用100 kN容量的MTS伺服液壓執行器施加循環荷載。通過液壓制動器向加勁肋施加循環荷載，模擬加勁肋通過加載梁的實際橫向作用力。試件法蘭用螺栓固定在錨上，因此，循環荷載施加在垂直加勁肋和角鋼的連接處，導致腹板間隙的面外變形。

試樣的加載范圍是將初始面外變形控制在0.2 mm和0.4 mm之間。在靜態試驗中，每循環100 000次記錄一次裂紋長度、面外變形和應力變化。在疲勞試驗期間，用動態數據采集系統監測試樣腹板間隙的面外變形和應力。當疲勞裂紋的擴展影響到測試設置的穩定性時，疲勞測試結束。

1.2 粘結角鋼加固技術

膠粘劑目前已廣泛應用于各個領域，土木工程中也不例外，本文改造中使用的結構膠為Araldite。首先對涂膠區域進行打磨，然后在角鋼和試件涂膠之前將粘合劑混合，最后將角鋼粘結到試件的加勁肋和翼緣上。混合粘合劑完全固化后，繼續進行疲勞試驗。

2 疲勞測試結果

對兩個足尺試件進行粘結角鋼前后的疲勞試驗。加固前，對試件進行疲勞預裂試驗。疲勞裂紋產生和擴展后，將角鋼粘結在腹板間隙處，防止疲勞裂紋繼續擴展，然后繼續進行疲勞試驗以驗證這種加固方法的有效性。為了研究粘結加固法的耐久性，將試件放置在實驗室三年半，然后再次施加循環荷載。表1顯示了兩個試樣加固前后的循環次數和循環荷載范圍。表1中WN、WS、EN、ES分別代表西北側、西南側、東北側和東南側的加勁肋-腹板焊縫疲勞細節。

在試件S-40-1加固前的試驗結束時，疲勞裂紋出現在西北側（WN側）和西南側（WS側）的加勁肋-腹板焊趾處，裂紋長度分別為13 mm和18 mm。雖然東南側（ES側）也發現了2 mm的疲勞裂紋，但整體而言較小，故選用尺寸為（140×140×14） mm（邊寬×邊寬×邊厚）的等邊角鋼加固西側腹板間隙。將加固后的試件放置三年半，然后加載比之前加載范圍（10～45 kN）大的荷載。為了加快測試過程，負載范圍調整為10～55 kN，300萬次循環。

對于試件S-20-1，對其進行加固前，在東北側（EN側）和東南側（ES側）的加勁肋-腹板焊趾處觀察到疲勞裂紋，裂紋長度分別為22 mm和20 mm。故東側腹板缺口用等邊角鋼加固，其尺寸與試件S-40-1相同。在實驗室放置三年半，令加固后的試件繼續承受循環荷載。首先試件加載的載荷范圍為14～42 kN，250萬次循環;然后將載荷范圍增加到14～52 kN，130萬次循環。

加固后，腹板間隙處已有的疲勞裂紋停止擴展，加固角鋼和腹板間隙區域也未觀察到新的裂紋。由此可見，粘結角鋼是一種有效的加固方法，可用于控制腹板間隙區域的疲勞裂紋。此外，三年半后未出現新的疲勞裂紋，已有的疲勞裂紋也未擴展延伸，說明粘結層性能尚可，證明該加固方法具有良好的耐久性。

3 面外變形分析

在疲勞試驗過程中，用圖1（c）所示的刻度盤指示器DW-U和DE-U監控腹板間隙區域的面外變形范圍，結果如圖2所示，顯示了兩個試樣加固前后的面外變形曲線。

將試樣加固前后腹板間隙處的面外變形數據詳細地記錄在表2中。表2中，面外變形①是在循環加載前的靜態試驗中測得的，加載循環次數為0。面外變形②是在加固前疲勞預裂后的靜力試驗中測量而得。面外變形③是在加固后循環荷載之前的靜態試驗中測得的。面外變形④是在加固后進行最后一次測試結束時進行測量的。將試樣在實驗室放置三年半，分別在循環加載前和最后一次試驗結束時測量面外變形⑤和⑥。

從表2可以看出，對腹板間隙加固后的面外變形可減小到加固之前變形的3.0%～4.2%。此外，粘結角鋼加固法還可以將腹板間隙的面外變形控制在較低水平。試驗中面外變形范圍的減小表明該加固方法能有效提高腹板間隙的剛度和疲勞性能。三年半后，腹板間隙的面外變形仍為加固前的3.0%～4.2%，證明粘結角鋼加固法具有良好的耐久性。

4 應力分析

在加固前后的疲勞試驗期間，測量腹板間隙區域加勁肋-腹板焊趾處的應力，然后評估此類疲勞細節的疲勞強度。圖3顯示了試樣中加勁肋-腹板焊趾處的應力測量值。

通過加固前后加勁肋-腹板焊趾端部的應力實測數值可知：粘結角鋼加固法能在很大程度上降低加勁肋-腹板焊趾處的應力。加固后加勁肋-腹板焊趾處的應力幾乎沒有變化，表明加固后腹板間隙處沒有累積疲勞損傷。

針對試樣加固前后的變化，將加勁肋-腹板焊趾的應力變化范圍詳細地記錄在表3中。表3中應力范圍①、②、③、④、⑤和⑥的循環次數與表2中具有面外變形①、②、③、④、⑤和⑥的循環次數相同。

由表3可知，加固后腹板間隙的應力范圍可減小到加固前的5.0%～31.3%，加勁肋-腹板焊趾的應力在加固后可降至30 MPa以下。因此，粘結角鋼加固法能顯著提高腹板間隙區域的剛度，降低疲勞細節的應力。三年半后，加勁肋-腹板焊趾的應力低于40 MPa，說明粘結角鋼加固法的耐久性較好。

5 結語

本文通過足尺疲勞試驗，研究了粘結角鋼加固法的可用性、有效性和耐久性。根據實驗，可以得出以下結論：

（1）粘結角鋼可加強腹板間隙區域的剛度。加固后，腹板間隙區域的面外變形減小到原來的3.0%～4.2%，加勁肋-腹板焊趾的應力降低到30 MPa以下。三年半后，面外變形保持在3.0%～4.2%，應力在40 MPa以下。

（2）在腹板間隙區域用粘結角鋼加固后，腹板間隙處已存在的疲勞裂紋停止擴展，在角鋼和腹板間隙處不產生新的裂紋，且加固側在疲勞試驗中能夠保持穩定。三年半后，無新的裂縫產生，現有裂縫也沒有擴展，加固區域仍然穩定。

（3）粘結角鋼是一種有效的加固方法，對改善腹板間隙處的疲勞裂紋具有良好的適用性和耐久性。此外，這種加固形式不需要移除混凝土面板，所以對原始結構損傷較小。而且，在腹板間隙區域的疲勞細節中不產生二次應力，且加固過程中對腹板間隙區域的疲勞敏感細節也沒有負面影響。

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