我國(guó)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)

我國(guó)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(duì)鋼橋運(yùn)營(yíng)安全亟需關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一——纜索支承橋梁鋼箱梁的安全性、耐久性,回顧我國(guó)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(guò)去研究中存在的難點(diǎn)與熱點(diǎn)問(wèn)題,并對(duì)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(guó)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(duì)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(wèn)題。隨著橋梁服役年限的增長(zhǎng)及交通運(yùn)輸行業(yè)的快速發(fā)展,我國(guó)纜索支承橋梁鋼箱梁疲勞損傷問(wèn)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(guó)、英國(guó)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(guó)多座纜索承重橋梁也不同程度地出現(xiàn)疲勞開裂問(wèn)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(zhǎng)度發(fā)展迅速,直接威脅結(jié)構(gòu)受力安全,還會(huì)導(dǎo)致滲漏等次生病害。如1967年倒塌的美國(guó)的銀橋、1994年坍塌的韓國(guó)圣水大橋,疲勞是造成整個(gè)大橋突然倒塌的主要原因之一。據(jù)美國(guó)土木工程學(xué)會(huì)(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(lái)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(wèn)題之一。我國(guó)纜索支承橋梁的疲勞問(wèn)題已成為我國(guó)鋼橋維護(hù)領(lǐng)域面臨的主要工作之一。

1 我國(guó)鋼橋現(xiàn)狀

中國(guó)建設(shè)鋼橋的歷史可以追溯到百年以前,但超過(guò)百年的老齡鋼橋大多是外國(guó)人設(shè)計(jì)并建造的。1934—1937年,茅以升先生帶領(lǐng)中國(guó)工程師設(shè)計(jì)并建造了錢塘江大橋,開創(chuàng)了我國(guó)自行建造鋼橋的歷史。中國(guó)鋼橋是從建設(shè)鐵路橋起步的,相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)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(shí)代;1996年建成通車的長(zhǎng)江三峽西陵大橋是中國(guó)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(guó),1966年)晚了30 a,但中國(guó)焊接鋼橋已經(jīng)開始疾步趕上世界先進(jìn)水平。

國(guó)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(guó)占到33%[11]。我國(guó)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(guó)。當(dāng)代我國(guó)鋼橋建設(shè)成就的里程碑如圖1所示。

隨著我國(guó)綜合國(guó)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(zhǎng),其運(yùn)營(yíng)安全與維護(hù)問(wèn)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(guò)程中比較容易發(fā)現(xiàn),也可以及時(shí)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(cè)及修復(fù)困難、修復(fù)成本高等特點(diǎn),如英國(guó)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(huì)直接威脅結(jié)構(gòu)的受力安全,嚴(yán)重的可能會(huì)導(dǎo)致橋梁倒塌事故[15-17]。國(guó)內(nèi)對(duì)鋼箱梁疲勞問(wèn)題的理論研究滯后于實(shí)踐研究,鋼箱梁疲勞損傷是我國(guó)在役纜索承重橋梁安全運(yùn)營(yíng)面臨的核心難題之一。

2 我國(guó)鋼橋疲勞問(wèn)題研究現(xiàn)狀

2.1 車輛荷載譜

對(duì)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(wèn)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(guó)、英國(guó)等國(guó)家的學(xué)者對(duì)其國(guó)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(guó)的疲勞車輛荷載模型。國(guó)外很多規(guī)范如 BS 5400[18]、AASHTO-LRFD[19]、Eurocode 3[20]等均對(duì)疲勞荷載進(jìn)行了明確規(guī)定。而我國(guó)JTG D60—2004《公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范》[21]僅對(duì)強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)不利布置的標(biāo)準(zhǔn)活荷載進(jìn)行了規(guī)定。已有實(shí)測(cè)結(jié)果表明,標(biāo)準(zhǔn)活荷載與實(shí)際車輛荷載對(duì)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(guó)纜索支承橋梁在設(shè)計(jì)中尚無(wú)疲勞驗(yàn)算荷載可以參照。目前,國(guó)內(nèi)已有部分研究針對(duì)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(zhǎng)江第三大橋、南京長(zhǎng)江第二大橋及虎門大橋等的車輛荷載,得到不同車型對(duì)橋面板的損傷度[23];河海大學(xué)根據(jù)2006年、2010年江陰長(zhǎng)江公路大橋?qū)崪y(cè)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(jí)公路的車流量最大相差10倍之多。因此,僅參考現(xiàn)有的國(guó)外規(guī)范或我國(guó)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(lái)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(duì)于鋼箱梁疲勞性能的研究來(lái)說(shuō),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?；跀嗔蚜W(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(guó)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(lái)在解決工程實(shí)際問(wèn)題時(shí),許多學(xué)者對(duì)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(cè)量結(jié)果存在主觀性的問(wèn)題,因此存在應(yīng)用局限性[32]。目前對(duì)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(cè)及評(píng)估

鋼橋疲勞損傷的預(yù)測(cè)評(píng)估主要依據(jù)鋼橋?qū)崪y(cè)或計(jì)算的應(yīng)變時(shí)程數(shù)據(jù)來(lái)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(shì)。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(guó)內(nèi)外對(duì)疲勞現(xiàn)象的定性認(rèn)識(shí)日臻完善,出現(xiàn)大量有關(guān)疲勞壽命預(yù)測(cè)的理論,也提出一些疲勞壽命預(yù)測(cè)模型[33-35]。目前疲勞預(yù)測(cè)及失效評(píng)估方法主要有:(a)通過(guò)裂紋尺寸特征及應(yīng)力突變等進(jìn)行判斷,該方法直觀、簡(jiǎn)便,國(guó)內(nèi)外疲勞試驗(yàn)多以應(yīng)力突變和肉眼觀測(cè)裂紋作為疲勞失效標(biāo)準(zhǔn)。(b)通過(guò)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(guò)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(guò)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(shí)必須做一定的模型假設(shè)和簡(jiǎn)化?；诰€彈性斷裂力學(xué)的疲勞可靠性評(píng)估理論已在國(guó)外得到較多應(yīng)用,而在國(guó)內(nèi)尚處于起步階段[36-39]。目前這些方法在用于評(píng)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(cè)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(cè)技術(shù)進(jìn)行判斷,然后確定相應(yīng)的修復(fù)方法。我國(guó)現(xiàn)有的規(guī)范涉及鋼箱梁疲勞裂紋成因和檢測(cè)技術(shù)的內(nèi)容較少,對(duì)于鋼箱梁疲勞裂紋的檢測(cè)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(cè),則需要借助儀器。常用的疲勞裂紋檢測(cè)方法有無(wú)損檢測(cè)和有損檢測(cè)2種,在役鋼箱梁的疲勞裂紋檢測(cè)一般不用有損檢測(cè)。部分無(wú)損檢測(cè)法已用于鋼箱梁裂紋的檢測(cè),如磁粉檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法等,各有其優(yōu)缺點(diǎn),且未形成系統(tǒng)的檢測(cè)方法。其他無(wú)損檢測(cè)法如X射線檢測(cè)法、脈沖渦流檢測(cè)法、紅外線熱成像檢測(cè)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(duì)疲勞裂紋進(jìn)行臨時(shí)性止裂;裂紋焊合法雖然是對(duì)疲勞裂紋修復(fù)的一種比較徹底的方法,但該方法對(duì)重焊的質(zhì)量要求很高,否則會(huì)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(guò)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(guò)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(guó)內(nèi)無(wú)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(guó)現(xiàn)階段鋼橋疲勞設(shè)計(jì)大多借鑒現(xiàn)有的國(guó)外規(guī)范,未有可參考的基于國(guó)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(guó)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(gòu)置投入大、試驗(yàn)?zāi)芎母?、加載頻率低,往往得到一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)需要進(jìn)行少則半個(gè)月、長(zhǎng)則半年以上的試驗(yàn)。針對(duì)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(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),常規(guī)疲勞試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高昂。日本新研制的振動(dòng)型疲勞試驗(yàn)機(jī),通過(guò)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)偏心激振器輸出荷載,通過(guò)彈簧傳力施加預(yù)應(yīng)力和調(diào)節(jié)振幅,振動(dòng)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(guó)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(lái)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(shì)。

3.2 理論研究

近十幾年來(lái),許多公路橋梁的車流量日益增大,超載問(wèn)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(wèn)題。與此同時(shí),我國(guó)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(guó)鋼橋疲勞理論研究需要面臨更大的挑戰(zhàn)。隨著國(guó)際上鋼箱梁疲勞理論研究的不斷進(jìn)步,原來(lái)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(wèn)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(duì)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(cè)方法等[48-49];在航空航天領(lǐng)域,國(guó)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(guó)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(guó)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(shì)不一定與焊接細(xì)節(jié)的疲勞成正比。我國(guó)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(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。現(xiàn)階段我國(guó)針對(duì)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(duì)檢測(cè)出來(lái)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(yíng)過(guò)程中的健康檢測(cè)系統(tǒng)則重點(diǎn)關(guān)注橋梁整體狀態(tài),對(duì)疲勞損傷問(wèn)題的針對(duì)性不足。我國(guó)已有部分研究對(duì)大跨度橋梁設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)的監(jiān)測(cè)、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(guó)相比,這些研究大多處于理論階段,內(nèi)容較為宏觀,無(wú)法投入應(yīng)用。

美國(guó)的橋梁養(yǎng)護(hù)手冊(cè)[55]中比較重視橋梁耐久性不足的影響,尤其強(qiáng)調(diào)對(duì)腐蝕病害的檢測(cè)和防治。美國(guó)重視無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用,并針對(duì)較成熟的無(wú)損檢測(cè)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(guó)鋼橋所處環(huán)境迥異、材料及施工工藝也有較大不同,國(guó)外的鋼橋養(yǎng)護(hù)技術(shù)準(zhǔn)則并不一定適用于我國(guó)鋼橋。另外,我國(guó)某些公路鋼橋的過(guò)橋車流量巨大,超載情況嚴(yán)重,需要制定具有針對(duì)意義的養(yǎng)護(hù)規(guī)程。河海大學(xué)已開始有針對(duì)地就鋼箱梁病害評(píng)定、檢測(cè)、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(duì)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(jià)值。

4 結(jié) 語(yǔ)

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(guó)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(wèn)題,其中鋼箱梁疲勞損傷問(wèn)題是主要難點(diǎn)和熱點(diǎn)之一。鋼箱梁的局部疲勞損傷問(wèn)題貫穿橋梁整個(gè)運(yùn)營(yíng)階段,影響因素眾多,但無(wú)法通過(guò)設(shè)計(jì)及構(gòu)造徹底避免。目前我國(guó)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(lái)越多,我國(guó)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(shí),加強(qiáng)工程實(shí)用的疲勞理論研究,并依據(jù)國(guó)情進(jìn)行損傷檢測(cè)與修復(fù)新技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用,為制定我國(guó)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)。

[1]吳沖.現(xiàn)代鋼橋[M].北京:人民交通出版社,2006.

[2]王春生,馮亞成.正交異性鋼橋面板的疲勞研究綜述[J].鋼結(jié)構(gòu),2009,24(9):9-13.(WANG Chunsheng,FENGYacheng.Review of fatigue research for orthotropic steel bridge decks[J].Steel Construction,2009,24(9):9-13.(in Chinese))

[3]de JONG F B P.Overview fatigue phenomenon in orthotropic bridge decks in the Netherlands[EB/OL].[2014-05-22].http://www.ferroplan.com/.

[4]WOLCHUK R.Steel orthotropic decks:developments in the 1990s[DB/OL].[2014-05-02].http://trb.metapress.com/ content/a65786436m314u58.

[5]BOERSMA P D,de JONG F B P.Techniques and solutions for rehabilitation of orthotropic steel bridge decks in the Netherlands [EB/OL].[2014-05-23].http://www.confalt.de/.

[6]錢冬生.談?wù)勪摌虻钠诤蛿嗔裑J].橋梁建設(shè),2009(3):12-21.(QIAN Dongsheng.On fatigue and fracture of steel bridges[J].Bridge Construction,2009(3):12-21.(in Chinese))

[7]黨志杰.鋼橋構(gòu)造的疲勞開裂分析[J].橋梁建設(shè),2009(增刊2):23-25.(DANG Zhijie.Analysis of fatigue cracking of steel bridge structures[J].Bridge Construction,2009(Sup2):23-25.(in Chinese))

[8]徐偉,張肖寧,涂常衛(wèi).虎門大橋鋼橋面鋪裝維修方案研究與工程實(shí)施[J].公路,2010(5):67-71.(XU Wei,ZHANG Xiaoning,TU Changwei.A study on repair scheme and engineering implementation of Humen Bridge steel deck pavement[J].Highway,2010(5):67-71.(in Chinese))

[9]梁肇偉.廈門海滄大橋鋼箱梁的裝配焊接[J].鋼結(jié)構(gòu),2001,16(3):3-6.(LIANG Zhaowei.Erection and welding of steel box beam structure of Haicang Suspension Bridge in Xiamen[J].Steel Construction,2001,16(3):3-6.(in Chinese))

[10]殷愛(ài)國(guó).含局部焊接細(xì)節(jié)的橋梁鋼桁架結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力響應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究[D].南京:東南大學(xué),2006.

[11]FISHER J W,ROY S.Fatigue of steel bridge infrastructure[J].Structure and Infrastructure Engineering,2011,7(8):457-475.

[12]葛耀君,項(xiàng)海帆.橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性思考[J].預(yù)應(yīng)力技術(shù),2011(1):3-9.(GE Yaojun,XIANG Haifan.Some ideas on safety and durability of bridge structure[J].Prestress Technology,2011(1):3-9.(in Chinese))

[13]潘際炎.中國(guó)鋼橋[J].中國(guó)工程科學(xué),2007,9(7):18-26.(PAN Jiyan.Steel bridge of China[J].Engineering Science, 2007,9(7):18-26.(in Chinese))

[14]梁鵬,肖汝誠(chéng),夏旻,等.超大跨度纜索承重橋梁結(jié)構(gòu)體系[J].公路交通科技,2004,21(5):53-56.(LIANG Peng, XIAO Rucheng,XIA Min,et al.Structural systems for ultra-long span cable supported bridges[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2004,21(5):53-56.(in Chinese))

[15]XIAO Z G,YAMADA K,INOUE J,et al.Fatigue cracks in longitudinal ribs of steel orthotropic deck[J].International Journal of Fatigue,2006,28(4):409-416.

[16]YA S,YAMADA K.Fatigue durability evaluation of trough to deck plate welded joint of orthotropic steel deck[J].土木學(xué)會(huì)論文集A,2008,64(3):603-616.

[17]張?jiān)适?李法雄,熊鋒,等.正交異性鋼橋面板疲勞裂紋成因分析及控制[J].公路交通科技,2013,30(8):75-80.(ZHANG Yunshi,LI Faxiong,XIONG Feng,et al.Cause analysis and control measures of fatigue cracks in orthotropic steel deck[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2013,30(8):75-80.(in Chinese))

[18]BS 5400—10—1980 Code of practice for fatigue.Part 10:code of practice for fatigue[S].

[19]AASHTO-LRFD Bridge design specifications[S].

[20]EN 1993-1-9:2005 Eurocode 3:Design of steel structures.Part 1.9:fatigue[S].

[21]JTG D60—2004 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[22]童樂(lè)為,沈祖炎,陳忠延.城市道路橋梁的疲勞荷載譜[J].土木工程學(xué)報(bào),1997,30(5):20-27.(TONG Lewei,SHEN Zuyan,CHEN Zhongyan.Fatigue load spectrum for urban road bridges[J].China Civil Engineering Journal,1997,30(5): 20-27.(in Chinese))

[23]周泳濤,鮑衛(wèi)剛,翟輝,等.公路鋼橋疲勞設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2010,43(11):79-85.(ZHOU Yongtao,BAO Weigang,ZHAI Hui,et al.Study of standard fatigue design load for steel highway bridges[J].China Civil Engineering Journal,2010,43(11):79-85.(in Chinese))

[24]呂磊,吉伯海,馬麟,等.基于實(shí)測(cè)車流的大跨度懸索橋振動(dòng)響應(yīng)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2011,44(增刊1):102-108.(LYU Lei,JI Bohai,MA Lin,et al.Study on the vibration response of long span suspension bridge based on the measured traffic flow[J].China Civil Engineering Journal,2011,44(Sup1):102-108.(in Chinese))

[25]JI Bohai,CHEN Donghua,MA Lin,et al.Research on stress spectrum of steel decks in suspension bridge considering measured traffic flow[J].Journal of Performance of Constructed Facilities,2012,26(1):65-75.

[26]MIKI C.Bridge engineering learning from failures-fatigue and fracture control[R].Tokyo:Institute of Technology,2004.

[27]MIKI C,TOYODA Y,MORI T,et al.Fatigue of large scale welded girders under simulated highway loadings[J].Structural Engineering/Earthquake Engineering,1990,7(2):283-291.

[28]陳傳堯.疲勞與斷裂[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2002.

[29]IRWIN G R.Structural aspects of brittle fracture[J].Applied Materials Research,1964,3(2):65-81.

[30]PARIS P C,ERDOGAN F.A critical analysis of crack propagation laws[J].Journal of Fluids Engineering,1963,85(4):528-533.

[31]FISHER J W.Fatigue and fracture in steel bridges,case studies[M].New York:John Wiley&Sons,1984.

[32]FORMAN R G,KEARNEY V E,ENGLE R M.Numerical analysis of crack propagation in cyclic-loaded structures[J].Journal of Fluids Engineering,1967,89(3):459-463.

[33]INOKUCHI S.Wheel trucking test for weld of U-shaped rib and deck plate in the orthotropic steel deck[R].Tokyo:Japan Bridge Association,2006.

[34]WOLCHUK R.Lessons from weld cracks in orthotropic decks on three European bridges[J].Journal of Structural Engineering, 1990,116(1):75-84.

[35]菅沼久忠,三木千壽.鋼床版のデツキプレートとトラフリブ間の縦方向溶接部の疲労た対する eefective notch stressたよる評(píng)価[J].土木學(xué)會(huì)論文集A,2007,63(1):35-42.(SUGANUMA H,MIKI C.Fatigue strength evaluation with effective notch stress of the weld between trough rib and deck plate on orthotropic steel deck[J].Doboku Gakkai Ronbunshuu A,2007,63(1):35-42.(in Japanese))

[36]陳惟珍,ALBRECHT G,KOSTEAS D.老鋼橋剩余安全度與剩余壽命估計(jì)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2001,29 (4):384-389.(CHEN Weizhen,ALBRECHT G,KOSTEAS D.Remaining reliability and fatigue life of old steel bridges[J].Journal of Tongji University:Natural Science,2001,29(4):384-389.(in Chinese))

[37]BAIK B,YAMADA K,TOSHIYUKI I.Fatigue strength of fillet welded joint subjected to plate bending[J].Steel Structures, 2008,8(3):163-169.

[38]XIAO Z,YAMADA K.A method of determining geometric stress for fatigue strength evaluation of steel welded joints[J].International Journal of Fatigue,2004(26):1277-1293.

[39]潘春宇,童樂(lè)為.鋼結(jié)構(gòu)疲勞可靠度設(shè)計(jì)方法的研究進(jìn)展[J].鋼結(jié)構(gòu),2013,28(12):1-8.(PAN Chunyu,TONG Lewei.Research progress of fatigue reliability analysis methods for steel structures[J].Steel Construction,2013,28(12):1-8.(in Chinese))

[40]劉琪峰.無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)新工藝與應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)大全[M].北京:中國(guó)知識(shí)出版社,2006.

[41]于鳳坤,趙曉順,王希望,等.無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在焊接裂紋檢測(cè)中的應(yīng)用[J].無(wú)損檢測(cè),2007,29(6):353-355.(YU Fengkun,ZHAO Xiaoshun,WANG Xiwang,et al.Application of nondestructive testing in inspection of weld crack[J].Nondestructive Testing,2007,29(6):353-355.(in Chinese))

[42]陳剛,吳開斌.用超聲波相控陣檢測(cè)鋼箱梁橋面板U肋角焊縫熔深的試驗(yàn)研究[J].建設(shè)科技,2013(8):96-99.(CHEN Gang,WU Kaibin.Study on weld penetration of U-rib in steel box bridge deck by ultrasonic phased array inspection [J].Construction and Technology,2013(8):96-99.(in Chinese))

[43]劉貴民,馬麗麗.無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2006.

[44]ISHIKAWA T,SHIMIZU M,TOMO H,et al.Effect of compression overload on fatigue strength improved by ICR treatment[J].International Journal of Steel Structures,2013,13(1):175-181.

[45]ISHIKAWA T,YAMADA K,KAKIICHI T,et al.Extending fatigue life of cracked out-of-plane gusset by ICR treatment[J].Doboku Gakkai Ronbunshuu A/JSCE Journal of Structural and Earthquake Engineering,2010,66(2):264-272.

[46]石川敏之,山田健太郎,柿市拓巳,等.ICR処理たよる面外ガセツト溶接継手た発生した疲労き裂の壽命向上効果[J].土木學(xué)會(huì)論文集A,2010,66(2):264-272.(ISHIKAWA T,YAMADA K,KAKIICHI T,et al.Extending fatigue life of cracked out-of-plane gusset by ICR treatment[J].Doboku Gakkai Ronbunshuu A,2010,66(2):264-272.(in Japanese))

[47]王春生,聶建國(guó),陳艾榮,等.基于概率斷裂力學(xué)的老齡鋼橋使用安全評(píng)估[J].工程力學(xué),2006,23(6):102-106.(WANG Chunsheng,NIE Jianguo,CHEN Airong,et al.Probabilistic fracture mechanics assessment of service safety for old steel bridges [J].Engineering Mechanics,2006,23(6):102-106.(in Chinese))

[48]MCDIARMID D L.Fatigue under out-of-phase bending and torsion[J].Fatigue&Fracture of Engineering Materials& Structures,1987,9(6):457-475.

[49]JORDAN E H,BROWN M W,MILLER K J.Fatigue under severe nonproportional loading[J].Multiracial Fatigue,1982,23: 569-585.

[50]AKPAN U O,KOKO T S,ORISAMOLU I R,et al.Practical fuzzy finite element analysis of structures[J].Finite Elements in Analysis and Design,2001,38(2):93-111.

[51]KUANG J H.The failure of ligaments due to multiple-Site damage using interactions of dugdale-type cracks[J].Fatigue& Fracture of Engineering Materials&Structures,1998,21(9):1147-1156.

[52]MENG G P.Evening meeting-high strength steel use in Australia,Japan&the US[J].Structural Engineer,2006,84(21): 27-31.

[53]曾勇.大跨度懸索橋設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)的監(jiān)測(cè)、維護(hù)與管理策略研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2009.

[54]江陰長(zhǎng)江公路大橋管理中心.大型橋梁養(yǎng)護(hù)管理[M].北京:人民交通出版社,2001.

[55]ZOKAIE T.AASHTO-LRFD live load distribution specifications[J].Journal of Bridge Engineering,2000,5(2):131-138.

[56]姜竹生,瞿濤,呂磊,等.鋼箱梁典型病害分析及其檢測(cè)與維護(hù)技術(shù)研究[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào),2012,31(5):572-577.(JIANG Zhusheng,QU Tao,LYU Lei,et al.Research on typical defects analysis of steel box girder and its testing and maintenance technology[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2012,31(5):572-577.(in Chinese))

[57]吉伯海,趙端端,姜竹生,等.鋼箱梁腐蝕病害綜合評(píng)分制評(píng)定方法[J].世界橋梁,2013,41(6):81-85.(JI Bohai, ZHAO Duanduan,JIANG Zhusheng,et al.Integrated scoring system evaluation method of corrosion disease in steel box girder [J].World Bridges,2013,41(6):81-85.(in Chinese))

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(guó)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