焊接鋼橋結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)疲勞裂紋原因及對(duì)策分析

李 杰 任宇揚(yáng)

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092)

鋼橋的連接處的疲勞性能是鋼橋問(wèn)題研究中最重要的一個(gè)方面，鋼橋構(gòu)件在其有限的使用壽命內(nèi)需要承載大量車(chē)輛載荷，這就迫使我們必須對(duì)鋼橋的疲勞性能給予高度關(guān)注，鋼橋設(shè)計(jì)中必須包含完整而有效的鋼橋疲勞設(shè)計(jì)。當(dāng)前鋼橋新型結(jié)構(gòu)形式具備嶄新的特點(diǎn)，比如設(shè)計(jì)愈加復(fù)雜，普遍使用高強(qiáng)度的焊接結(jié)構(gòu)材料，結(jié)構(gòu)構(gòu)造細(xì)節(jié)以及結(jié)構(gòu)工藝相對(duì)復(fù)雜，焊接鋼橋所能承受的交變載荷增大等等。下面將具體分析一下焊接鋼橋新型結(jié)構(gòu)形式下疲勞問(wèn)題的影響因素，以及疲勞易發(fā)生的典型敏感部位，最后將歸納出預(yù)防疲勞破壞的幾點(diǎn)對(duì)策。

1 現(xiàn)代焊接鋼橋疲勞問(wèn)題

所謂疲勞即是由重復(fù)應(yīng)力引起裂紋并逐漸擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)部件損傷。影響鋼橋疲勞的因素按照內(nèi)因與外因的邏輯分類(lèi)可以歸結(jié)如下:內(nèi)因主要有鋼橋應(yīng)力的集中程度和所用鋼的材質(zhì)，外因主要有應(yīng)力幅值和循環(huán)次數(shù)。斷裂力學(xué)中研究表明，焊縫的焊趾以及焊接處缺口所受應(yīng)力以及裂紋應(yīng)力強(qiáng)度三者共同決定鋼橋焊接頭的疲勞強(qiáng)度。鋼橋焊接頭疲勞發(fā)展經(jīng)歷三個(gè)階段:裂紋萌生階段、裂紋擴(kuò)展階段、裂紋斷裂直至破壞階段。在裂紋萌生階段和裂紋擴(kuò)展階段，鋼橋疲勞的決定因素是不同的。在裂紋萌生階段，焊縫的焊趾以及焊接處缺口的應(yīng)力狀態(tài)是此階段鋼橋疲勞的主要決定因素，焊接處缺口的應(yīng)力狀態(tài)主要是指焊接頭的形狀變化和焊接缺陷的應(yīng)力表現(xiàn);在裂紋擴(kuò)展階段，主要受裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子的決定。理論與試驗(yàn)共同表明，焊接疲勞裂紋發(fā)生的主要部位是在焊趾處，這就警示我們要做好焊趾這一敏感部位的防護(hù)工作，焊接疲勞發(fā)生的速率取決于裂紋發(fā)展的速率，這在理論上也是相通的。斷裂力學(xué)中明確指出:焊接接頭的最大缺口應(yīng)力以及應(yīng)力強(qiáng)度因子共同決定疲勞強(qiáng)度。

2 現(xiàn)代疲勞問(wèn)題的幾個(gè)典型部位

焊接鋼橋極易發(fā)生疲勞問(wèn)題的部位就是鋼橋的疲勞典型部位，而焊接鋼橋的疲勞性能主要與焊縫形式、接頭形式、交變載荷情況以及制造工藝等方面有密切聯(lián)系。首先來(lái)分析一下斜拉橋索梁錨固區(qū)，它是斜索和鋼梁的傳力連接部分，該區(qū)域有其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，由于該區(qū)域結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所需的區(qū)域板件非常多，由此就會(huì)導(dǎo)致較大的應(yīng)力，而且，該部位所受的交變載荷值是非常大的，大應(yīng)力作用以及高載荷賦予了斜拉橋索梁錨固區(qū)雙重的疲勞可能性，疲勞性能在此又難以評(píng)估和預(yù)測(cè)，又加劇了對(duì)該區(qū)域疲勞性能的挑戰(zhàn)，因此，該區(qū)域是現(xiàn)代鋼橋疲勞易發(fā)生的重點(diǎn)部位和有效控制的難點(diǎn)部位。此外，再重點(diǎn)分析一下正交異性鋼橋面板，該類(lèi)區(qū)域以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于世界大中型現(xiàn)代鋼橋中，該類(lèi)面板常見(jiàn)的疲勞問(wèn)題有如下幾個(gè)方面:首先面板所受的應(yīng)力比較復(fù)雜，交叉部位應(yīng)力作用集中;其次，該區(qū)域承受的交變載荷值過(guò)大，面板易出現(xiàn)裂紋;再次，車(chē)輛通過(guò)面板時(shí)因?yàn)閼?yīng)力作用線長(zhǎng)而易產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)力，危險(xiǎn)系數(shù)因此增大;最后，很多焊接處的質(zhì)量無(wú)法保證，比如U肋與橫隔板角焊縫連接的地方，為此，在正交異性鋼橋面板焊接處，需要注意以下幾點(diǎn):1)縱肋與蓋板的連接;2)縱肋與橫梁的連接;3)縱肋的現(xiàn)場(chǎng)連接。在實(shí)際設(shè)計(jì)與建構(gòu)中要著重突出這幾個(gè)方面。

3 防止鋼橋疲勞破壞的幾個(gè)方法

目前對(duì)疲勞性能較差的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)提出許多的改進(jìn)措施，這些措施的有效性還是非常樂(lè)觀的，下面，依據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)以及理論預(yù)測(cè)，具體介紹一下針對(duì)疲勞問(wèn)題需要著重注意的幾點(diǎn)問(wèn)題:

1)焊接方式優(yōu)先選擇對(duì)接焊縫，盡量避免使用角焊縫，因?yàn)榍罢吡鸭y發(fā)生與發(fā)展的可能性均小于后者，安全系數(shù)較高，而對(duì)于承受反復(fù)應(yīng)力的部位建議采用連續(xù)焊接，根據(jù)一系列的試驗(yàn)和事實(shí)證明，連續(xù)焊接可以有效分散集中應(yīng)力，將應(yīng)力侵蝕鋼橋的可能性降到最低。2)構(gòu)件連接處盡量避免剛度的突然變化，因?yàn)樵撟兓瘶O易加大因幾何形狀變化而產(chǎn)生的應(yīng)力，增大應(yīng)力的后果將會(huì)直接導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，在焊接時(shí)應(yīng)著重注意這一點(diǎn)，最大限度減少焊接處的剛度變化。3)注意現(xiàn)實(shí)中的構(gòu)造細(xì)節(jié)，應(yīng)著力避免連接焊縫，避免日后雨水和雜物的侵蝕。焊接裂縫會(huì)使雨水和雜物侵蝕鋼橋，因此會(huì)放大應(yīng)力作用的效果。4)不建議使用偏心連接，這樣會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力，同時(shí)，還要注意特別危險(xiǎn)部位的處理方式，在特別危險(xiǎn)部位，建議采用螺栓接頭或者鑄造連接件來(lái)替代焊接接頭，焊接接頭發(fā)生疲勞問(wèn)題的可能性是比較大的。5)名義應(yīng)力可以在焊接處理之后酌情采用，對(duì)于部分構(gòu)造細(xì)節(jié)，在經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)的焊接處理之后，可以考慮采用名義應(yīng)力，必要時(shí)可以考慮把名義應(yīng)力運(yùn)用到實(shí)際設(shè)計(jì)和建構(gòu)中。同時(shí)，在鋼橋構(gòu)造設(shè)計(jì)的過(guò)程中要依據(jù)理論有效預(yù)測(cè)應(yīng)力作用，并根據(jù)應(yīng)力預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行有效防護(hù)，對(duì)重點(diǎn)敏感部位進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù)。6)防止鋼橋疲勞最有效的舉措是著力減小拉應(yīng)力所引發(fā)的疲勞問(wèn)題，拉應(yīng)力在鋼橋結(jié)構(gòu)中極易引起疲勞問(wèn)題，因此，要著力控制和減小構(gòu)造細(xì)節(jié)中拉應(yīng)力的危害。7)制定符合我國(guó)國(guó)情的公路橋梁疲勞載荷譜，在實(shí)際中要切實(shí)落實(shí)，并加大對(duì)鋼橋承載車(chē)輛載荷的檢查力度，嚴(yán)懲違規(guī)載荷車(chē)輛，有效保護(hù)鋼橋，延長(zhǎng)鋼橋使用壽命。并借此來(lái)評(píng)估公路橋梁的使用壽命，在有效期限內(nèi)使用可以大大減少意外發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)今鋼橋新型形式發(fā)展迅速，疲勞性能的重要性也越來(lái)越突顯，因此，探究現(xiàn)代鋼橋建設(shè)中存在的疲勞問(wèn)題，改進(jìn)鋼橋設(shè)計(jì)工藝，并依據(jù)鋼橋設(shè)計(jì)過(guò)程中疲勞性能的影響因素，對(duì)疲勞問(wèn)題出現(xiàn)的典型部位進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù)，掌握改進(jìn)現(xiàn)代鋼橋疲勞問(wèn)題的相應(yīng)解決對(duì)策，對(duì)提高現(xiàn)代鋼橋安全性能可以提供有力保障。但是當(dāng)前在鋼橋建設(shè)實(shí)踐中缺乏相應(yīng)的立法規(guī)范和保障，在日后需要著力改進(jìn)。

［1］李 俊，李小珍，任偉平，等．軌道橫梁與整體節(jié)點(diǎn)連接的疲勞試驗(yàn)［J］．西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，41(3):51-53．

［2］錢(qián)冬生．科學(xué)地對(duì)待橋渡和橋梁［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2010．

［3］范勝剛，徐文平，孫大松．中承式系桿剛拱橋設(shè)計(jì)［J］．鋼結(jié)構(gòu)，2005(11):98-100．