吉伯海

(河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇南京 210098)

我國纜索支承橋梁鋼箱梁疲勞損傷研究現(xiàn)狀

吉伯海

(河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇南京 210098)

針對鋼橋運(yùn)營安全亟需關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一——纜索支承橋梁鋼箱梁的安全性、耐久性,回顧我國鋼箱梁疲勞損傷相關(guān)研究概況及主要成果,分析總結(jié)過去研究中存在的難點(diǎn)與熱點(diǎn)問題,并對今后的發(fā)展方向提出了展望與建議。

纜索支承橋梁;鋼箱梁;車輛荷載譜;疲勞損傷機(jī)理;維護(hù)技術(shù);綜述

我國纜索支承橋梁建設(shè)規(guī)模和數(shù)量已處于世界前列,橋梁結(jié)構(gòu)不斷向著大、輕、柔的方向發(fā)展。對于大跨徑纜索支承橋梁而言,由于自重限制,大多采用自重較小、抗扭強(qiáng)度高、制作施工便捷的鋼箱梁截面形式[1]。但鋼箱梁構(gòu)造復(fù)雜,易發(fā)生疲勞開裂問題。隨著橋梁服役年限的增長及交通運(yùn)輸行業(yè)的快速發(fā)展,我國纜索支承橋梁鋼箱梁疲勞損傷問題日益突出[2]。

由于鋼箱梁的構(gòu)造特點(diǎn),其疲勞損傷難以避免。德國、英國20世紀(jì)60年代建造的鋼橋,在80年代就出現(xiàn)了不同程度的疲勞開裂;de Jong[3]、Wolchuk[4]、Boersma等[5]調(diào)查發(fā)現(xiàn)荷蘭多座鋼橋在使用20～30 a后,鋼橋面板均出現(xiàn)不同類型的疲勞裂紋。我國多座纜索承重橋梁也不同程度地出現(xiàn)疲勞開裂問題[6-7],如主跨888 m的廣東虎門大橋,通車6 a后不斷出現(xiàn)疲勞裂紋,雖多次局部修補(bǔ),但效果欠佳[8];廈門海滄大橋在U肋嵌補(bǔ)段及縱隔板的端部發(fā)現(xiàn)了疲勞裂紋[9]。

疲勞裂紋初期較難發(fā)現(xiàn),一旦裂紋萌生則數(shù)量和長度發(fā)展迅速,直接威脅結(jié)構(gòu)受力安全,還會導(dǎo)致滲漏等次生病害。如1967年倒塌的美國的銀橋、1994年坍塌的韓國圣水大橋,疲勞是造成整個大橋突然倒塌的主要原因之一。據(jù)美國土木工程學(xué)會(ASCE)統(tǒng)計(jì),80% ～90%鋼結(jié)構(gòu)的破壞與疲勞損傷有關(guān)[10]。一直以來疲勞都是鋼橋乃至鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域亟需解決的難點(diǎn)問題之一。我國纜索支承橋梁的疲勞問題已成為我國鋼橋維護(hù)領(lǐng)域面臨的主要工作之一。

1 我國鋼橋現(xiàn)狀

中國建設(shè)鋼橋的歷史可以追溯到百年以前,但超過百年的老齡鋼橋大多是外國人設(shè)計(jì)并建造的。1934—1937年,茅以升先生帶領(lǐng)中國工程師設(shè)計(jì)并建造了錢塘江大橋,開創(chuàng)了我國自行建造鋼橋的歷史。中國鋼橋是從建設(shè)鐵路橋起步的,相當(dāng)長的時間里是采用鉚接制造技術(shù);后以成昆鐵路建設(shè)為契機(jī),開始進(jìn)入栓焊鋼橋時代;1996年建成通車的長江三峽西陵大橋是中國自己設(shè)計(jì)建造的第一座全焊鋼箱梁公路橋,雖然較之世界上第一座全焊懸索鋼橋——Severn大橋(英國,1966年)晚了30 a,但中國焊接鋼橋已經(jīng)開始疾步趕上世界先進(jìn)水平。

國內(nèi)外已建造了大量的鋼橋,日本公路橋梁中鋼橋占41%,美國占到33%[11]。我國鋼橋也有著廣泛的應(yīng)用,尤其在大跨徑纜索支承橋梁中,鋼箱梁是其主要的主梁結(jié)構(gòu)形式之一。截至2013年,世界跨徑排名前10位的已建斜拉橋和懸索橋中,均各有5座位于中國。當(dāng)代我國鋼橋建設(shè)成就的里程碑如圖1所示。

隨著我國綜合國力的不斷增強(qiáng)和鋼材產(chǎn)量、質(zhì)量的大幅度提高,鋼橋?qū)⒌玫竭M(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。但隨著已建纜索支承橋梁服役年限的增長,其運(yùn)營安全與維護(hù)問題亦日顯突出[12-14]。目前相關(guān)研究認(rèn)為,鋼箱梁病害主要有涂裝劣化、腐蝕和疲勞損傷等3種類型。涂裝劣化和腐蝕在維護(hù)過程中比較容易發(fā)現(xiàn),也可以及時采取相應(yīng)的維護(hù)措施;而疲勞開裂產(chǎn)生機(jī)理復(fù)雜,初期不易發(fā)現(xiàn),具有檢測及修復(fù)困難、修復(fù)成本高等特點(diǎn),如英國Severn Cross懸索橋的疲勞損傷加固費(fèi)用高達(dá)鋼橋面板建設(shè)費(fèi)用的2.5倍。疲勞裂紋的發(fā)生會直接威脅結(jié)構(gòu)的受力安全,嚴(yán)重的可能會導(dǎo)致橋梁倒塌事故[15-17]。國內(nèi)對鋼箱梁疲勞問題的理論研究滯后于實(shí)踐研究,鋼箱梁疲勞損傷是我國在役纜索承重橋梁安全運(yùn)營面臨的核心難題之一。

2 我國鋼橋疲勞問題研究現(xiàn)狀

2.1 車輛荷載譜

對于大跨徑纜索支承橋梁,隨機(jī)車輛荷載是導(dǎo)致其鋼箱梁疲勞問題突出的直接原因。車輛荷載的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到疲勞研究結(jié)論的可靠性。美國、英國等國家的學(xué)者對其國內(nèi)的車流交通進(jìn)行了廣泛研究及統(tǒng)計(jì),并建立了適用于本國的疲勞車輛荷載模型。國外很多規(guī)范如 BS 5400[18]、AASHTO-LRFD[19]、Eurocode 3[20]等均對疲勞荷載進(jìn)行了明確規(guī)定。而我國JTG D60—2004《公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范》[21]僅對強(qiáng)度設(shè)計(jì)時不利布置的標(biāo)準(zhǔn)活荷載進(jìn)行了規(guī)定。已有實(shí)測結(jié)果表明,標(biāo)準(zhǔn)活荷載與實(shí)際車輛荷載對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的損傷效應(yīng)相差較大,采用標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)不符合實(shí)際情況[22]。

我國纜索支承橋梁在設(shè)計(jì)中尚無疲勞驗(yàn)算荷載可以參照。目前,國內(nèi)已有部分研究針對局部地區(qū)交通狀況給出了當(dāng)?shù)剀囕v荷載譜,如中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院統(tǒng)計(jì)分析了南京長江第三大橋、南京長江第二大橋及虎門大橋等的車輛荷載,得到不同車型對橋面板的損傷度[23];河海大學(xué)根據(jù)2006年、2010年江陰長江公路大橋?qū)崪y車流建立了隨機(jī)車輛荷載譜[24-25]。然而由于架橋位置的不同,橋梁的日交通車流量亦存在明顯差異,如東部沿海發(fā)達(dá)地區(qū)和西部欠發(fā)達(dá)地區(qū)同等級公路的車流量最大相差10倍之多。因此,僅參考現(xiàn)有的國外規(guī)范或我國部分地區(qū)的車輛荷載譜很難精確反映實(shí)橋的受荷狀況,需要立足于當(dāng)?shù)氐木唧w情況并根據(jù)具體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來分析。

2.2 疲勞損傷機(jī)理

纜索支承橋梁的鋼箱梁疲勞損傷機(jī)理因其結(jié)構(gòu)的柔性而更為復(fù)雜。疲勞設(shè)計(jì)方法有安全壽命設(shè)計(jì)、損傷容限設(shè)計(jì)和耐久性設(shè)計(jì)等,各種設(shè)計(jì)方法相互補(bǔ)充。安全壽命設(shè)計(jì)依據(jù)材料的S-N曲線和Miner累計(jì)損傷理論;損傷容限設(shè)計(jì)以斷裂力學(xué)為理論基礎(chǔ);耐久性設(shè)計(jì)則是以經(jīng)濟(jì)壽命控制為目標(biāo),需要定義構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞質(zhì)量和初始疲勞損傷狀態(tài)[26-28]。對于鋼箱梁疲勞性能的研究來說,由于疲勞裂紋的存在,安全壽命設(shè)計(jì)不能完全確保安全。基于斷裂力學(xué)的疲勞裂紋損傷理論克服了S-N曲線的不足,并從機(jī)理上解釋了疲勞現(xiàn)象,最早于1957年由Irwin[29]指出可用應(yīng)力強(qiáng)度因子K表示裂紋頂端應(yīng)力奇異性大小;同年美國人Paris提出在循環(huán)荷載作用下,裂紋尖端的K幅值是控制構(gòu)件疲勞裂紋擴(kuò)展速率的基本參量[30],并于1963年提出了著名的描述裂紋擴(kuò)展速率的Paris公式。后來在解決工程實(shí)際問題時,許多學(xué)者對Paris公式的具體形式做了大量修正[31]。但由于這些修正公式含有部分物理意義不明確或測量結(jié)果存在主觀性的問題,因此存在應(yīng)用局限性[32]。目前對疲勞裂紋的擴(kuò)展機(jī)理研究停留在理論層面。

2.3 疲勞損傷預(yù)測及評估

鋼橋疲勞損傷的預(yù)測評估主要依據(jù)鋼橋?qū)崪y或計(jì)算的應(yīng)變時程數(shù)據(jù)來判定關(guān)鍵構(gòu)件的疲勞壽命,并給出疲勞微裂紋擴(kuò)展趨勢。20世紀(jì)后半葉,隨著新的試驗(yàn)手段、計(jì)算機(jī)和有限元應(yīng)力分析計(jì)算等的發(fā)展和完善,國內(nèi)外對疲勞現(xiàn)象的定性認(rèn)識日臻完善,出現(xiàn)大量有關(guān)疲勞壽命預(yù)測的理論,也提出一些疲勞壽命預(yù)測模型[33-35]。目前疲勞預(yù)測及失效評估方法主要有:(a)通過裂紋尺寸特征及應(yīng)力突變等進(jìn)行判斷,該方法直觀、簡便,國內(nèi)外疲勞試驗(yàn)多以應(yīng)力突變和肉眼觀測裂紋作為疲勞失效標(biāo)準(zhǔn)。(b)通過現(xiàn)有S-N曲線計(jì)算疲勞累計(jì)損傷度,并以此判斷剩余壽命。該方法運(yùn)用最廣泛,但需依賴較精確的荷載統(tǒng)計(jì)和應(yīng)力計(jì)算,且存在一定的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)性質(zhì),通常應(yīng)用于疲勞開裂前的損傷判斷。(c)基于斷裂力學(xué)的臨界值法,通過斷裂力學(xué)分析,研究疲勞開裂的發(fā)展規(guī)律以及疲勞裂紋擴(kuò)展的全過程。(d)基于可靠度的分析方法,該方法考慮因素全面,理論依據(jù)充分,但分析時必須做一定的模型假設(shè)和簡化?；诰€彈性斷裂力學(xué)的疲勞可靠性評估理論已在國外得到較多應(yīng)用,而在國內(nèi)尚處于起步階段[36-39]。目前這些方法在用于評估鋼箱梁開裂后疲勞承載性能方面尚有許多細(xì)節(jié)有待研究。

2.4 鋼箱梁疲勞損傷檢測及修復(fù)

鋼箱梁病害特征多樣,產(chǎn)生原因復(fù)雜,維護(hù)方案的選擇需要借助檢測技術(shù)進(jìn)行判斷,然后確定相應(yīng)的修復(fù)方法。我國現(xiàn)有的規(guī)范涉及鋼箱梁疲勞裂紋成因和檢測技術(shù)的內(nèi)容較少,對于鋼箱梁疲勞裂紋的檢測依然以目視檢查為主,輔以必要的工具(如放大鏡、游標(biāo)卡尺、鋼尺等)。如需進(jìn)行較為精確的疲勞裂紋檢測,則需要借助儀器。常用的疲勞裂紋檢測方法有無損檢測和有損檢測2種,在役鋼箱梁的疲勞裂紋檢測一般不用有損檢測。部分無損檢測法已用于鋼箱梁裂紋的檢測,如磁粉檢測法、超聲波檢測法等,各有其優(yōu)缺點(diǎn),且未形成系統(tǒng)的檢測方法。其他無損檢測法如X射線檢測法、脈沖渦流檢測法、紅外線熱成像檢測法等[40-41],因各自不同的應(yīng)用特點(diǎn),在鋼箱梁維護(hù)中的適用性有待研究。

目前在鋼結(jié)構(gòu)中常用的疲勞裂紋修復(fù)方法主要有止裂孔法、裂紋焊合法、鋼板補(bǔ)強(qiáng)法、碳纖維補(bǔ)強(qiáng)法及滲透填充法[42-43]。但考慮到鋼箱梁復(fù)雜的局部構(gòu)造,大多焊縫細(xì)節(jié)只有止裂孔法和裂紋焊合法適用,其他方法更多地適用于面板上的疲勞裂紋。鋼箱梁受力復(fù)雜,采用止裂孔法只能對疲勞裂紋進(jìn)行臨時性止裂;裂紋焊合法雖然是對疲勞裂紋修復(fù)的一種比較徹底的方法,但該方法對重焊的質(zhì)量要求很高,否則會引入新的缺陷,易引起二次開裂。日本近幾年提出了ICR處理修復(fù)方法,開裂試件經(jīng)過ICR處理后,疲勞裂紋閉合以降低裂紋擴(kuò)展速率[44]。該方法還能夠?qū)缚p進(jìn)行預(yù)處理,通過塑性變形施加殘余壓應(yīng)力,以提高局部疲勞強(qiáng)度[45-46]。ICR處理修復(fù)方法目前處于起步階段,國內(nèi)無相關(guān)研究,在實(shí)橋修復(fù)中的實(shí)用性、局限性等還需進(jìn)一步分析研究。

3 纜索支承橋梁鋼箱梁疲勞研究發(fā)展方向

3.1 試驗(yàn)手段

我國現(xiàn)階段鋼橋疲勞設(shè)計(jì)大多借鑒現(xiàn)有的國外規(guī)范,未有可參考的基于國內(nèi)加工工藝水平的鋼橋面板疲勞強(qiáng)度曲線。疲勞試驗(yàn)結(jié)果具有較大離散性,驗(yàn)證鋼箱梁各焊接細(xì)節(jié)疲勞強(qiáng)度曲線需要進(jìn)行大量疲勞試驗(yàn)。國內(nèi)基于名義應(yīng)力法的大尺寸構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞試驗(yàn),大多采用MTS大型液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)作為加載儀器,能夠進(jìn)行足尺寸的鋼箱梁節(jié)段模型試驗(yàn),但試驗(yàn)裝置購置投入大、試驗(yàn)?zāi)芎母?、加載頻率低,往往得到一個數(shù)據(jù)點(diǎn)需要進(jìn)行少則半個月、長則半年以上的試驗(yàn)。針對某一類構(gòu)件細(xì)節(jié)總結(jié)其疲勞強(qiáng)度曲線需要至少幾十個數(shù)據(jù)點(diǎn),常規(guī)疲勞試驗(yàn)時間長、費(fèi)用高昂。日本新研制的振動型疲勞試驗(yàn)機(jī),通過電動機(jī)轉(zhuǎn)動帶動偏心激振器輸出荷載,通過彈簧傳力施加預(yù)應(yīng)力和調(diào)節(jié)振幅,振動頻率可達(dá)20 Hz,與傳統(tǒng)疲勞試驗(yàn)相比,試驗(yàn)成本大幅度降低。

隨著我國橋梁建設(shè)的推進(jìn),高強(qiáng)鋼、新型結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)出現(xiàn)的越來越多。由于構(gòu)件疲勞性能受構(gòu)件細(xì)節(jié)、材料和制造工藝的影響較大,因此探索發(fā)展新的試驗(yàn)手段、足尺大模型和細(xì)節(jié)模型試驗(yàn)相結(jié)合,是疲勞試驗(yàn)的發(fā)展趨勢。

3.2 理論研究

近十幾年來,許多公路橋梁的車流量日益增大,超載問題越發(fā)嚴(yán)峻,而鐵路橋梁則面臨需要適應(yīng)更高車速的問題。與此同時,我國鋼橋的用材屈服強(qiáng)度從240 MPa提高到420 MPa,一些新型焊接細(xì)節(jié)和更優(yōu)化的鋼結(jié)構(gòu)形式也不斷出現(xiàn),這些都意味著我國鋼橋疲勞理論研究需要面臨更大的挑戰(zhàn)。隨著國際上鋼箱梁疲勞理論研究的不斷進(jìn)步,原來鋼橋領(lǐng)域未考慮到的復(fù)雜工況、條件得以深入研究。如鋼箱梁的鋼橋面板直接承受的車輛荷載,焊縫處于復(fù)雜多軸受力狀態(tài);鋼箱梁結(jié)構(gòu)由于各細(xì)節(jié)的應(yīng)力水平相差不大,多處裂紋共同作用不可避免[47]。如今這些問題在其他領(lǐng)域已開展了試驗(yàn)及理論研究,如機(jī)械領(lǐng)域針對焊接接頭主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)而引起的多軸疲勞,已建立多軸疲勞破壞準(zhǔn)則和基于臨界面法的多軸疲勞壽命預(yù)測方法等[48-49];在航空航天領(lǐng)域,國內(nèi)外研究人員建立了許多裂紋擴(kuò)展概率斷裂力學(xué)(PFM)模型,這些研究成果為鋼橋多部位裂紋損傷分析方法奠定了初步的理論基礎(chǔ)[50-51]。

我國還需加強(qiáng)工程實(shí)用的疲勞理論研究,如疲勞設(shè)計(jì)的目標(biāo)量化、新材料的應(yīng)用分析等,材料、工藝等制造因素的理論支持不可忽視。比如20世紀(jì)60年代各國的研究結(jié)果均顯示[52],采用以往的焊接工藝,鋼材在屈服強(qiáng)度上的優(yōu)勢不一定與焊接細(xì)節(jié)的疲勞成正比。我國傳統(tǒng)焊接工藝不能滿足高強(qiáng)鋼抗疲勞要求,隨著橋梁用鋼不斷向強(qiáng)度及性能更高的要求發(fā)展,必須在焊接工藝或焊縫處理手段方面開發(fā)新技術(shù)以支撐高強(qiáng)鋼在鋼橋領(lǐng)域的應(yīng)用。

3.3 鋼箱梁維護(hù)技術(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)化

鋼箱梁后期維護(hù)是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題之一?，F(xiàn)階段我國針對鋼箱梁已有疲勞病害的維護(hù)工作尚處于起步階段,維護(hù)手段僅停留在對檢測出來的裂紋進(jìn)行擴(kuò)縫焊接或局部換板的處理上,實(shí)橋運(yùn)營過程中的健康檢測系統(tǒng)則重點(diǎn)關(guān)注橋梁整體狀態(tài),對疲勞損傷問題的針對性不足。我國已有部分研究對大跨度橋梁設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)的監(jiān)測、維護(hù)與管理策略做了一些原則性的規(guī)定[53-54],但與日本以及歐美等橋梁大國相比,這些研究大多處于理論階段,內(nèi)容較為宏觀,無法投入應(yīng)用。

美國的橋梁養(yǎng)護(hù)手冊[55]中比較重視橋梁耐久性不足的影響,尤其強(qiáng)調(diào)對腐蝕病害的檢測和防治。美國重視無損檢測技術(shù)的應(yīng)用,并針對較成熟的無損檢測技術(shù)制訂了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),如雷達(dá)、沖擊回波法等都有相應(yīng)的技術(shù)準(zhǔn)則。但是由于各國鋼橋所處環(huán)境迥異、材料及施工工藝也有較大不同,國外的鋼橋養(yǎng)護(hù)技術(shù)準(zhǔn)則并不一定適用于我國鋼橋。另外,我國某些公路鋼橋的過橋車流量巨大,超載情況嚴(yán)重,需要制定具有針對意義的養(yǎng)護(hù)規(guī)程。河海大學(xué)已開始有針對地就鋼箱梁病害評定、檢測、修復(fù)等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[56-57],提出了考慮鋼箱梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的針對性維護(hù)方法。鋼箱梁維護(hù)相應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)范亟待進(jìn)一步完善,編制相應(yīng)的維護(hù)及修復(fù)技術(shù)指南具有十分重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價值。

4 結(jié) 語

纜索支承橋梁通常建造跨度大、難度高且處于重要的交通位置。我國建造的大量世界著名的纜索支承橋梁都面臨著一系列維護(hù)問題,其中鋼箱梁疲勞損傷問題是主要難點(diǎn)和熱點(diǎn)之一。鋼箱梁的局部疲勞損傷問題貫穿橋梁整個運(yùn)營階段,影響因素眾多,但無法通過設(shè)計(jì)及構(gòu)造徹底避免。目前我國纜索支承橋梁鋼箱梁疲勞損傷相關(guān)研究已經(jīng)成為橋梁領(lǐng)域的熱點(diǎn)方向之一。隨著高強(qiáng)鋼、新型結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)出現(xiàn)的越來越多,我國應(yīng)繼續(xù)探索發(fā)展新的試驗(yàn)手段,將足尺模型和細(xì)節(jié)模型試驗(yàn)相結(jié)合,在考慮更為復(fù)雜的受力工況的同時,加強(qiáng)工程實(shí)用的疲勞理論研究,并依據(jù)國情進(jìn)行損傷檢測與修復(fù)新技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用,為制定我國纜索支承橋梁鋼箱梁疲勞維護(hù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)程提供依據(jù)。

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Current status of research on fatigue damage in steel box girder of cable-supported bridge in China

JI Bohai
(College of Civil and Transportation Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)

The safety and durability of the steel box girder of cable-supported bridges has become a compelling subject in steel bridge safety operation.This paper provides a review on the research status and main results of fatigue damage in steel box girders in China,presents an analysis of the difficulties and pressing issues in previous research,and puts forward prospects and suggestions for the future development.

cable-supported bridge;steel box girder;vehicle load spectrum;fatigue damage mechanism; maintenance technology;review

U441+.4;U448.25

:A

:1000-1980(2014)05-0410-06

10.3876/j.issn.1000-1980.2014.05.007

2014-05 27

國家自然科學(xué)基金(51278166);高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20120094110009)

吉伯海(1966—),男,江蘇揚(yáng)州人,教授,博士,主要從事鋼橋疲勞與維護(hù)研究。E-mail:hhbhji@163.com