焊接鋼橋結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)疲勞裂紋成因及解決對策

郭春華，任偉平

(1.紹興市曹娥江袍江大橋建設(shè)工程指揮部，浙江 紹興 311800;2.西南交通大學(xué)，成都 610031)

隨著運營車輛總重和交通量的不斷增加，橋梁鋼結(jié)構(gòu)所面臨的疲勞問題正變得日趨嚴(yán)重。特別是20世紀(jì)60年代以來，許多鋼橋出現(xiàn)了各種形式的疲勞裂紋，因疲勞斷裂而釀成的災(zāi)難性事故也時有發(fā)生。根據(jù)美國土木工程學(xué)會疲勞與斷裂分委會的調(diào)查結(jié)果，80%～90%的鋼結(jié)構(gòu)破壞均和疲勞有關(guān)，疲勞已成為橋梁鋼結(jié)構(gòu)失效的主要形式之一。對我國來說，近些年來各類形式鋼橋數(shù)量正不斷增加，一方面需要確保大量新建鋼橋構(gòu)件的疲勞設(shè)計強(qiáng)度滿足要求，另一方面急需對大量正在運營的既有鋼橋的剩余疲勞壽命做出正確判斷，并對存在疲勞問題的構(gòu)件采取及時有效的方案進(jìn)行修復(fù)。為更好解決這些問題，就需要對焊接鋼橋結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)疲勞裂紋的產(chǎn)生機(jī)理及解決對策進(jìn)行研究。

1 焊接鋼橋易疲勞破壞的典型細(xì)節(jié)

1.1 工形鋼梁蓋板端部連接

對局部焊有外層蓋板的工形鋼梁而言，無論蓋板端部有無橫向焊縫，還是改變蓋板端部的幾何形狀，蓋板端部細(xì)節(jié)處的疲勞強(qiáng)度均很低［2-4］。大量實例和試驗研究表明，在車輛荷載作用下該細(xì)節(jié)極易產(chǎn)生疲勞開裂破壞，且疲勞裂紋一般均萌生在蓋板末端與翼緣的連接角焊縫焊趾處。20世紀(jì)70～80年代，世界上有多座鋼板梁橋均出現(xiàn)了此類疲勞裂紋(圖1)，比較典型的有美國的 Yellow Mill Pond橋，澳大利亞的King’s橋［1-2］，以及我國的京包鐵路上的關(guān)沙河橋等。

圖1 外層蓋板端部疲勞裂紋

1.2 平縱聯(lián)節(jié)點板與主梁的連接

平縱聯(lián)與主梁連接處的節(jié)點板通常需焊連到主梁的翼緣(連在翼緣側(cè)邊或搭在翼緣上面)或腹板上。大量實例和試驗研究表明，平縱聯(lián)節(jié)點板連接焊縫端部的疲勞強(qiáng)度相當(dāng)?shù)?，基本接近于各國?guī)范疲勞強(qiáng)度分級的最低等級，稍有不甚此細(xì)節(jié)極易產(chǎn)生疲勞開裂破壞。美國已有多座鋼橋發(fā)現(xiàn)此類疲勞開裂破壞(見圖 2)，如美國的 Lafayette Street橋、Hoan 橋等［1］。

圖2 主梁腹板上平縱聯(lián)節(jié)點板焊縫處的疲勞破壞

1.3 鋼板梁橫梁(或橫聯(lián))連接板端部連接

20世紀(jì)80年代前國內(nèi)外的鋼橋設(shè)計規(guī)范只允許橫梁(或橫聯(lián))連接板端部與受壓翼緣焊接，并禁止其與主梁受拉翼緣焊接，目的是為了避免受拉翼緣產(chǎn)生疲勞裂紋。不幸的是，按此要求進(jìn)行設(shè)計的許多鋼板梁橋的橫梁(或橫聯(lián))連接板端部間隙區(qū)卻發(fā)現(xiàn)了大量的疲勞裂紋［1，4，5］，其原因多為在小間隙區(qū)產(chǎn)生的面外變形而導(dǎo)致，圖3為實橋中此類疲勞裂紋的照片。此類疲勞裂紋的產(chǎn)生位置有兩處:一是腹板和翼緣間的角焊縫焊趾處，裂紋形狀呈水平狀;二是腹板和連接板間角焊縫的端部，裂紋形狀呈馬蹄形。

圖3 連接板上端部平面外變形所產(chǎn)生的疲勞裂紋

1.4 橫梁與主梁弦桿(或系桿)間連接

橫梁與主梁弦桿(或系桿)間連接構(gòu)造的功能是將橋面系荷載傳遞給主梁，其最理想的受力狀態(tài)是只傳遞剪力而不傳遞彎矩，因為梁端彎矩過大可能會引起主梁弦桿(或系桿)的扭轉(zhuǎn)，并導(dǎo)致構(gòu)造設(shè)置困難。因此，僅在橫梁腹板上設(shè)置一對連接角鋼與主梁弦桿(或系桿)相連是國內(nèi)外的普遍做法。但事實表明，此種連接方法常會導(dǎo)致在兩個位置處出現(xiàn)疲勞裂紋:一是橫梁上翼緣與腹板連接焊縫端部，另一處是連接角鋼端部。美國已有數(shù)十座系桿拱橋和鋼桁架橋在此位置處發(fā)現(xiàn)了大量的疲勞開裂破壞，近期我國一座鋼桁梁橋中也在該處出現(xiàn)了普遍性的疲勞裂紋。圖4為美國一座系桿拱橋在此細(xì)節(jié)處的疲勞裂紋照片［6］。

圖4 橫梁與弦桿連接細(xì)節(jié)處橫梁腹板上的疲勞裂紋

1.5 板梁豎向加勁肋焊縫端部細(xì)節(jié)

鋼板梁豎向加勁肋與腹板間連接角焊縫端部曾因設(shè)計不合理(間隙過小)而出現(xiàn)過大量的疲勞開裂實例，如我國京山線的北運河橋、京山線的飲馬河橋、湘桂線的浪江橋等。此類疲勞裂紋產(chǎn)生的原因，是由于加勁肋的剛度比腹板的面外彎曲剛度大得多，腹板的面外彎曲變形集中發(fā)生在加勁肋焊縫端部與受拉翼緣之間的微小間隙處，即在該小間隙處就產(chǎn)生了小變形大應(yīng)變。

1.6 縱橫梁橋面系的梁端連接

縱橫梁橋面系中縱梁與橫梁梁端連接處(圖5)的影響線底邊長度較短，當(dāng)每輛(列)車通過時可能會產(chǎn)生多次應(yīng)力循環(huán)，此外還要直接承受車輛荷載的沖擊作用，許多實橋運營表明，該連接細(xì)節(jié)極易出現(xiàn)疲勞破壞［4］。

圖5 縱梁與橫梁的連接

1.7 橫梁和懸臂托架間連接板

橫梁和懸臂托架間連接板(魚形板)也是較早發(fā)現(xiàn)的面外位移引起疲勞開裂的一種典型細(xì)節(jié)。特別是在我國的鐵路橋和歐美的一些公路疊合梁橋中，曾大量出現(xiàn)過此類疲勞裂紋。原因主要是如圖6所示的主梁與縱梁不同變形在連接板中產(chǎn)生的面外變位，在連接系板中產(chǎn)生了很高的彎曲次應(yīng)力而導(dǎo)致的，該類疲勞裂紋主要出現(xiàn)在支座上方及其附近位置。

圖6 橫梁和懸臂托架間連接板上的疲勞裂紋

1.8 斜拉橋索梁錨固區(qū)連接

斜拉索在鋼主梁上的錨固區(qū)是斜拉橋結(jié)構(gòu)中一個極其重要的部位，巨大的索力由它傳遞給鋼主梁，該區(qū)域受力集中、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且直接承受車輛動荷載作用。隨著斜拉橋跨徑的不斷增加，斜拉索在鋼主梁上的錨固區(qū)構(gòu)造及其疲勞性能也更為橋梁研究人員所關(guān)注，國內(nèi)外許多大跨度鋼箱梁斜拉橋修建時都對斜拉索在鋼主梁上錨固區(qū)域的疲勞性能進(jìn)行了試驗研究。近幾年來，作者對南京長江二橋錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)、廣東湛江海灣大橋錨拉板式索梁錨固結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了足尺模型疲勞試驗［7］。根據(jù)試驗研究，并結(jié)合國內(nèi)外其它研究成果，可得:如果構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計合理，在保證加工制造工藝的情況下，目前常用的錨箱式、錨拉板式、耳板式、錨拉管式以及銷鉸式等索梁錨固結(jié)構(gòu)的疲勞性能均能滿足使用壽命的要求。但設(shè)計與制造過程中需要注意以下幾點:①幾何形狀變化引起的應(yīng)力集中;②必須制定合理的焊接工藝，特別是操作空間受限時應(yīng)更加注意控制焊接質(zhì)量;③強(qiáng)制約束、面外變形等因素引起的次應(yīng)力。

1.9 正交異性鋼橋面板

正交異性鋼橋面板以自重輕、施工周期短等優(yōu)點，已成為現(xiàn)代大中跨度鋼橋最常采用的橋面結(jié)構(gòu)形式，但正交異性鋼橋面板疲勞開裂的實例已在許多國家的鋼橋中出現(xiàn)，因此其疲勞性能格外令人關(guān)注［8-9］。關(guān)于鋼橋面板出現(xiàn)的疲勞開裂，最早見有報道的是著名的英國Severn公路橋，該橋1966年建成通車后，分別于1971年和1977年發(fā)現(xiàn)了3種焊接細(xì)節(jié)的疲勞裂紋:①縱肋與橫梁角焊縫連接處;②梯形縱肋下緣與浮運隔板焊接處;③縱肋腹板與蓋板連接角焊縫。鋼橋面板在我國使用的時間雖然不長，但在多座橋梁中仍然出現(xiàn)了一些疲勞裂紋。

正交異性鋼橋面板疲勞問題之所以比較突出，主要有以下幾個因素:①鋼橋面板直接承受車輛輪荷載的反復(fù)作用;②各部位應(yīng)力影響線長度較短，一輛車經(jīng)過可能會產(chǎn)生多個應(yīng)力循環(huán);③鋼橋面板應(yīng)力狀況比較復(fù)雜，并且交叉部位應(yīng)力集中嚴(yán)重;④許多現(xiàn)場拼接接頭的焊接質(zhì)量不易保證［8］。

1.10 管結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點

無論是100多年前就已經(jīng)出現(xiàn)的空心管桁架橋，還是近些年來在我國大量興建的鋼管混凝土拱橋，其中存在的空管-空管、空管 -鋼管混凝土連接接頭的的承載力和疲勞性能都備受關(guān)注［10］。

現(xiàn)代管結(jié)構(gòu)多采用主支管直接相貫焊接的節(jié)點構(gòu)造形式。就空心管結(jié)構(gòu)而言，由于支管的軸向剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主管的徑向剛度，支主管的相貫線成為整個結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。該處不僅會出現(xiàn)很高的應(yīng)力集中，而且又存在焊接缺陷和焊接殘余拉應(yīng)力，多種不利因素相疊加使管節(jié)點對交變荷載的抵抗能力較低，疲勞裂紋往往起源于高應(yīng)力區(qū)的初始缺陷處，然后由表面裂紋擴(kuò)展并穿透管壁后導(dǎo)致節(jié)點產(chǎn)生破壞。

30余年來國際焊接學(xué)會(IIW)，美國焊接學(xué)會(AWS)以及歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(ECCS)都對管結(jié)構(gòu)及其連接進(jìn)行了大量的試驗研究工作，形成了一系列配套完整的規(guī)范。但國內(nèi)橋梁設(shè)計規(guī)范對管結(jié)構(gòu)的疲勞驗算尚無規(guī)定，因此對管節(jié)點疲勞問題應(yīng)該引起橋梁設(shè)計者的注意。

2 防止焊接鋼橋疲勞破壞的方法

2.1 焊接鋼橋的疲勞設(shè)計

焊接鋼橋的疲勞設(shè)計，是在完成了結(jié)構(gòu)靜力強(qiáng)度設(shè)計并確定了各構(gòu)件的截面尺寸及其連接細(xì)節(jié)后，為避免結(jié)構(gòu)在設(shè)計壽命期內(nèi)因疲勞導(dǎo)致的失效或修補(bǔ)而必不可少的程序。由于疲勞破壞通常局限于構(gòu)件或細(xì)節(jié)的局部區(qū)域，并不牽涉到整體結(jié)構(gòu)，因此局部改變細(xì)節(jié)設(shè)計或工藝水準(zhǔn)，可以明顯改善結(jié)構(gòu)抗疲勞破壞的性能，增加結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。實踐證明，正確的疲勞設(shè)計是防止疲勞破壞的有效措施。

2.1.1 鋼橋疲勞設(shè)計注意事項

焊接鋼橋疲勞裂紋擴(kuò)展速率呈指數(shù)增長，早期增長較慢，并占疲勞壽命的絕大部分。根據(jù)目前的技術(shù)水平，要及時對結(jié)構(gòu)中的早期疲勞裂紋進(jìn)行探測還存在一定的因難。因此除了在制造和施工時盡量采取措施減少因材料不連續(xù)或焊接缺陷、機(jī)械損傷形成的刻痕或擦痕等缺陷外，還應(yīng)在設(shè)計時對下列可能的疲勞裂紋起始處給予足夠的重視［11］:焊縫的根部(焊趾)、焊縫端部、倒角、沖孔和鉆孔、構(gòu)件和焊縫的局部截除等“缺口”所產(chǎn)生的應(yīng)力集中、剪切邊、周期性振動的細(xì)長桿件及其連接細(xì)節(jié)、不同方向構(gòu)件連接細(xì)節(jié)處的小間隙區(qū)的面外變形、簡支端部連接細(xì)節(jié)的約束作用。

除了注意這些易發(fā)生疲勞破壞的細(xì)節(jié)外，設(shè)計時通常還需要考慮下列因素:盡可能降低細(xì)節(jié)的應(yīng)力集中程度，提高結(jié)構(gòu)的疲勞抗力;在設(shè)計中必須詳細(xì)說明設(shè)計細(xì)節(jié)的制造質(zhì)量要求，諸如不連續(xù)缺陷的界限值以及相應(yīng)的探測方法和探測范圍等;盡可能準(zhǔn)確地預(yù)測整個設(shè)計壽命期間完整的車輛荷載譜;對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)如何建立合適的有限元分析模型，來準(zhǔn)確計算車輛荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng);合理考慮環(huán)境因素對構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的影響。

2.1.2 提高鋼橋焊接細(xì)節(jié)疲勞強(qiáng)度的方法

在焊接鋼橋的設(shè)計和制造過程中，某些疲勞強(qiáng)度較低的細(xì)節(jié)有時是難以避免的，若采取增大構(gòu)件斷面降低其名義應(yīng)力的方法，來確保其疲勞壽命，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度來看是不合適的，特別對于目前趨向使用高強(qiáng)度鋼材的情況更是如此。因此，采用一定的措施來提高這些焊接細(xì)節(jié)的疲勞性能對于現(xiàn)代焊接鋼橋的進(jìn)一步發(fā)展具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。近些年來，人們已經(jīng)研究出了多種提高焊接細(xì)節(jié)疲勞壽命的方法，概括起來可以分為三類:一是改善結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的幾何形狀，減小結(jié)構(gòu)的幾何應(yīng)力集中(砂輪磨修、TIG重熔等);二是在容易產(chǎn)生裂紋缺口的位置預(yù)制殘余壓應(yīng)力，或者消除有不利影響的焊接殘余拉應(yīng)力(錘擊、超聲波沖擊等);三是覆蓋特殊涂層，防止腐蝕介質(zhì)的不利影響(涂裝油漆、復(fù)合材料等)。

2.2 焊接鋼橋疲勞裂紋的檢查和修復(fù)

2.2.1 焊接鋼橋疲勞裂紋檢查

對運營期間的鋼橋進(jìn)行必要的檢查和修復(fù)，與正確的疲勞設(shè)計、完善的制造質(zhì)量控制一樣，對防止早期疲勞裂紋的擴(kuò)展和延長橋梁使用壽命具有非常重要的意義。在我國的橋梁檢查和維修管理中，往往偏重于結(jié)構(gòu)的靜力性能檢查和鋼材的防腐保護(hù)等方面，而對橋梁的疲勞問題缺乏合適的檢查和評定。近些年來，由于歐美、日本等國的大量鋼橋已經(jīng)進(jìn)入“老齡”期，并且不斷有鋼橋出現(xiàn)疲勞裂紋，因此為了確保交通運輸?shù)陌踩捅M可能延長橋梁的使用壽命，他們已將橋梁維修管理中的鋼橋疲勞問題列為重點研究對象，并在橋梁維修手冊中進(jìn)行了較為詳細(xì)的規(guī)定和說明。例如美國AASHTO的《橋梁維修檢測手冊》，國際經(jīng)濟(jì)合作和發(fā)展組織的《橋梁檢測手冊》，日本技術(shù)檢查協(xié)會的《公路鋼橋檢測手冊》，歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會第六技術(shù)委員會的《鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計規(guī)范》等都對鋼橋的運營檢查和維修做出了原則性的規(guī)定。

對鋼橋制造過程中的鋼材和焊縫缺陷或裂紋，應(yīng)由制造企業(yè)按照產(chǎn)品質(zhì)量檢驗規(guī)程，使用X射線和超聲波探傷等無損檢測方法加以控制。對鋼橋運營期間萌生的表面裂紋檢測，常用方法有目視檢查、著色滲透液檢查和磁粉探傷檢查等。目視檢查就是在日常巡視檢查和定期檢查時，首先用肉眼觀測結(jié)構(gòu)中是否有漆膜開裂跡象或伴隨有線狀流銹等情況，這通常是裂紋的象征。若發(fā)現(xiàn)這些情況，就應(yīng)清除油漆并用砂紙磨光，然后用10倍放大鏡做進(jìn)一步的觀察和分析。疲勞裂紋的走向一般垂直于主應(yīng)力方向，必要時應(yīng)使用著色滲透液和磁粉探傷等方法做進(jìn)一步檢查。

2.2.2 焊接鋼橋疲勞裂紋修復(fù)

由于各種橋梁結(jié)構(gòu)體系和局部幾何尺寸的差異，其疲勞裂紋形狀也各不相同，因此疲勞開裂細(xì)節(jié)的修復(fù)方法也多種多樣。下面給出一些常用修復(fù)方法:鉆孔;冷膨脹;使用高強(qiáng)螺栓填充鉆孔(與鉆孔配合使用);加強(qiáng)腹板間隙的剛度;栓接拼接板;將連接板割短;移除橫隔板和橫向框架;放松部分連接螺栓;重新配置橫隔板;重新焊接;錘擊;TIG重熔;超聲波沖擊;使用組合材料等。

要對疲勞裂紋進(jìn)行成功修復(fù)，首先必須通過理論分析或試驗研究等方法，弄清造成細(xì)節(jié)局部應(yīng)力集中或變形的真正原因，然后再綜合考慮該選用哪種方法以及如何實施等，待修復(fù)完成后，還需要對修復(fù)細(xì)節(jié)進(jìn)行定期檢查，從而確保疲勞開裂細(xì)節(jié)的安全。

3 結(jié)語

工程界對疲勞問題的感知已有百年以上的歷史，但由于結(jié)構(gòu)疲勞涉及的理論和工程實際問題很廣，至今仍然有許多研究工作要做。不管是已經(jīng)使用多年的老齡鋼橋，還是剛剛建成或即將建成投入運營的新鋼橋，如果細(xì)節(jié)設(shè)計或制造不當(dāng)，都可能面臨嚴(yán)重的疲勞問題，甚至引發(fā)橋毀人亡的災(zāi)難性事故。認(rèn)識焊接鋼橋典型構(gòu)造細(xì)節(jié)存在的疲勞問題，分析其疲勞破壞特點及主要影響因素，總結(jié)其疲勞破壞機(jī)理，掌握鋼橋疲勞破壞的解決對策，不僅可以有效地防止鋼橋疲勞破壞事故的發(fā)生，而且對提高我國現(xiàn)代鋼橋的設(shè)計和制造水平具有非常重要的意義。

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