鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞2019年度研究進展

張清華，崔闖，卜一之，李喬，夏嵩

(西南交通大學 土木工程學院，成都 610031)

鋼結(jié)構(gòu)橋梁以其輕質(zhì)高強、跨越能力大、易工廠化制造和便于裝配化施工等突出優(yōu)點，在現(xiàn)代橋梁工程中得到了廣泛應用，但中國鋼結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展和應用長期滯后于歐美和日本等發(fā)達國家。在交通強國戰(zhàn)略深入推進的時代背景下，中國將大力推廣鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)，推動鋼結(jié)構(gòu)橋梁向“綠色、環(huán)保、可持續(xù)”方向發(fā)展：國務(wù)院政府工作報告中明確提出積極推廣綠色建筑和建材，大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)；交通部在“十三五”規(guī)劃中指出加快推進鋼結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展應用。鋼結(jié)構(gòu)橋梁是未來一段時期中國橋梁工程的重要發(fā)展方向。

但由于服役環(huán)境、荷載條件和交通需求、結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)造細節(jié)設(shè)計等諸多因素耦合影響，鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞開裂并導致結(jié)構(gòu)服役性能顯著惡化甚至直接導致災難性事故的案例，在全球范圍內(nèi)頻發(fā)且呈逐年上升態(tài)勢，已成為制約鋼結(jié)構(gòu)橋梁服役安全和服役質(zhì)量的世界難題。疲勞問題作為鋼結(jié)構(gòu)橋梁的基本問題之一，一直是橋梁工程界的熱點研究課題[1-7]。高速、重載的發(fā)展方向?qū)υ谝酆托陆ㄤ摻Y(jié)構(gòu)橋梁的實際抗疲勞性能提出了更高的要求，大量在役鋼結(jié)構(gòu)橋梁的實際性能隨服役時間的延長而不斷劣化，如何通過理論研究、模型試驗和實橋監(jiān)測深化對于鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞問題基本屬性和失效機理的認識，引入先進的抗疲勞設(shè)計理念、制造技術(shù)和疲勞損傷監(jiān)測與檢測技術(shù)，發(fā)展高疲勞抗力新結(jié)構(gòu)，建立鋼結(jié)構(gòu)橋梁服役過程性能劣化控制方法與智能監(jiān)測系統(tǒng)，解決新建和在役鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞性能不足與性能需求不斷提高之間的突出矛盾，是橋梁工程界亟需解決的關(guān)鍵問題。學者們圍繞鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞損傷演化與服役性能劣化機理、鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞抗力評估與預測、鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋監(jiān)測與檢測方法、疲勞開裂加固與維護技術(shù)等諸多方面開展了卓有成效的研究，主要對2019年學者們在上述方面所取得的研究進展進行梳理和總結(jié)，明確當前的研究現(xiàn)狀、待解決的關(guān)鍵問題以及下階段的研究重點和發(fā)展方向。

1 疲勞損傷演化與服役性能劣化機理

學者們對鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞損傷演化與服役性能劣化機理開展了卓有成效的研究，研究內(nèi)容涵蓋構(gòu)造細節(jié)疲勞失效機理與疲勞抗力提升機制、鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞可靠度、鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋擴展特性和服役性能劣化機理等方面。

1.1 疲勞失效機理與提升設(shè)計疲勞抗力

在鋼結(jié)構(gòu)橋梁構(gòu)造細節(jié)疲勞失效機理與疲勞抗力提升機制方面，周緒紅等[2-3]和張清華等[8]針對縱肋與頂板構(gòu)造細節(jié)和縱肋與橫隔板交叉構(gòu)造細節(jié)開展了試驗和理論研究，明確了其受力特性和實際疲勞抗力。為了提升鋼結(jié)構(gòu)橋梁構(gòu)造細節(jié)的疲勞性能，提出了增大焊縫熔透率和鐓邊縱肋等方法，但試驗和理論研究均表明[8-10]：雖然引入鐓邊縱肋能夠提高頂板焊趾開裂模式的疲勞抗力，但無法改善頂板焊根這一疲勞易損部位的疲勞抗力。為了提升縱肋與橫隔板交叉構(gòu)造細節(jié)的疲勞性能，提出了優(yōu)化橫隔板開孔形式和設(shè)置內(nèi)隔板等方法，研究表明[3,11]：優(yōu)化橫隔板開孔形式可以有效改善弧形開孔的局部應力集中問題，提高橫隔板弧形開孔位置的疲勞抗力；設(shè)置內(nèi)隔板雖能夠提高縱肋腹板焊趾開裂模式的疲勞抗力，但施工困難且可能引發(fā)縱肋內(nèi)焊機器人不能進入縱肋進行內(nèi)側(cè)焊縫施焊等問題。聶建國[1]和張喜剛等[5]明確指出發(fā)展高性能結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)中國工程結(jié)構(gòu)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。深化鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞損傷機理的認識，并據(jù)此發(fā)展高性能新型構(gòu)造細節(jié)和高性能結(jié)構(gòu)，有效提升結(jié)構(gòu)體系的疲勞抗力，是解決鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞開裂問題的有效途徑和當前的研究重點。

圖1 高性能新型正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)及其疲勞開裂模式Fig.1 High performance new orthotropic steel bridge panel structure and its fatigue cracking mode

另外，在鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞可靠度和疲勞裂紋擴展特性等方面，李杰[12]在對工程結(jié)構(gòu)整體可靠性研究的基礎(chǔ)上，建立了工程結(jié)構(gòu)可靠性理論分析的新體系。李傳習等[13]和李愛群等[14]基于可靠度理論對隨機車輛荷載作用下鋼橋面板的疲勞可靠度進行了評估，確定了運營荷載和構(gòu)造細節(jié)設(shè)計等因素對鋼橋面板疲勞可靠度的影響規(guī)律。卜一之等[15]和張清華等[16]建立了三維疲勞裂紋擴展模擬方法，對鋼橋面板的疲勞裂紋擴展特性進行了系統(tǒng)研究，得到了其疲勞裂紋擴展規(guī)律。

1.2 疲勞抗力劣化機理與服役性能劣化

黃云等[17]針對表面缺陷對構(gòu)造細節(jié)疲勞抗力劣化效應的影響問題開展了探索性研究，結(jié)果表明，初始制造缺陷是決定構(gòu)造細節(jié)疲勞抗力的控制性影響因素。但當前關(guān)于初始制造缺陷對鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞抗力劣化問題研究仍較為欠缺，亟需開展深化研究。在鋼結(jié)構(gòu)橋梁的加工制造過程與疲勞抗力的相關(guān)關(guān)系方面，黃云等[17]和Cui等[18]對于制造過程中產(chǎn)生的初始制造缺陷和初始殘余應力所致的鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞抗力劣化與失效機理問題進行了深入研究。由建造技術(shù)和方法所決定，鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點不可避免地存在初始制造缺陷和焊接殘余應力。初始制造缺陷在細觀尺度上所導致的幾何不連續(xù)、應力集中和局部塑化，是顯著降低疲勞裂紋萌生壽命并導致構(gòu)造細節(jié)過早發(fā)生疲勞失效的關(guān)鍵。Cui等[18]從初始制造缺陷的細觀尺度形態(tài)特性和微觀金相組織形態(tài)特征出發(fā)，建立了從疲勞微裂紋成核、萌生到宏觀裂紋擴展失效的大跨度鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點跨尺度疲勞損傷評估模型，揭示了初始制造缺陷對鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點疲勞抗力的劣化機理，結(jié)果表明：對于裂紋萌生壽命占絕對主導的鋼結(jié)構(gòu)橋梁，初始制造缺陷可導致疲勞抗力降低高達80%以上，典型分析結(jié)果如圖2所示。對于焊接殘余應力，研究表明，在外部車輛等交變荷載的作用下，焊接殘余應力將逐步消散，消散過程由外部循環(huán)荷載幅值、應力比等參數(shù)所決定，如圖3所示?？傮w而言，該因素對鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞抗力的劣化效應顯著小于初始制造缺陷所致劣化效應。

圖3 初始焊接殘余應力在外荷載作用下的耗散機制Fig.3 Dissipation mechanism of initial welding residual stress under external load

在外部腐蝕環(huán)境特性對鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞損傷與服役性能劣化的效應機制方面，衛(wèi)星等[19]、Jie等[20]、Macho等[21]研究了人工預腐蝕和復雜應力場交互作用下構(gòu)件連接部位的疲勞性能問題，就腐蝕對于疲勞損傷的效應機制和復合型疲勞裂紋的擴展準則進行了深入系統(tǒng)的實驗和理論研究，結(jié)果表明：腐蝕將顯著加速疲勞損傷的演化過程，進行疲勞抗力評估時必須充分考慮腐蝕的劣化效應問題。高宗余等[4]指出，在海洋橋梁工程結(jié)構(gòu)中，車輛荷載與復雜海洋荷載對于結(jié)構(gòu)疲勞抗力的耦合劣化機理、海水腐蝕與結(jié)構(gòu)疲勞損傷的交互作用機制等問題仍有待進一步研究。賈東林針對在役鉚接鋼結(jié)構(gòu)橋梁進行的大量研究表明，在受腐蝕和反復車輛荷載的共同作用下，鉚接鋼桁梁橋構(gòu)件和節(jié)點的疲勞抗力隨服役過程的延長而不斷劣化，進而導致結(jié)構(gòu)體系的疲勞性能退化和剩余壽命降低，其疲勞問題本質(zhì)上屬于多尺度經(jīng)時演化問題；腐蝕和疲勞累積損傷兩種經(jīng)時效應的交互作用，共同決定鉚接鋼桁梁橋疲勞性能的演化過程[22-23]。隨著服役時間的延長，構(gòu)件和節(jié)點的腐蝕與疲勞損傷相互促進，二者的交互作用將在構(gòu)件和節(jié)點層面導致其疲勞開裂模式遷移，并加速疲勞抗力劣化，進而導致結(jié)構(gòu)體系層面的主導疲勞失效路徑遷移，疲勞性能發(fā)生經(jīng)時演化，如圖4所示。關(guān)于經(jīng)時演化過程、關(guān)鍵影響因素及其效應機制等方面的研究當前正在進行中。

圖4 典型在役鉚接鋼桁梁橋疲勞性能的經(jīng)時演化過程Fig.4 Time-dependent evolution process of typical fatigue performance of riveted steel truss bridges in service

2 鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞性能評估

2.1 疲勞性能評估方法

當前廣泛采用的鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞性能評估方法主要包括兩類：基于應力幅與疲勞壽命相關(guān)關(guān)系的疲勞性能評估方法和斷裂力學方法[24-35]。其中，基于線性累積損傷理論的名義應力法、熱點應力法、結(jié)構(gòu)應力法和切口應力法等在鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞性能評估中得到了廣泛使用[24-35]。Huang等[24]考慮鋼橋面板縱肋與橫肋交叉焊縫的多開裂模式和主導失效路徑問題，基于熱點應力法對該細節(jié)進行了壽命評估。祝志文等[25]基于實橋監(jiān)測數(shù)據(jù)對鋼橋面板橫肋弧形開孔位置的疲勞裂紋擴展特性和失效機理進行了研究，并基于名義應力法和熱點應力法對該部位的疲勞性能進行了評估，基于熱點應力法確定了弧形開孔母材的疲勞強度等級(FAT125)。熱點應力法能夠考慮焊接結(jié)構(gòu)焊趾處的應力集中效應，但計算結(jié)果易受模型有限元網(wǎng)格的尺寸影響。Luo等[26]采用切口應力法對鋼橋面板頂板與縱肋連接構(gòu)造細節(jié)的疲勞抗力評估問題進行了研究，確定了鐓邊縱肋與頂板焊接構(gòu)造細節(jié)的疲勞抗力。Wang等[27]對鋼橋面板頂板與縱肋構(gòu)造細節(jié)的疲勞裂紋擴展機理進行了探究，在此基礎(chǔ)上采用切口應力法對該構(gòu)造細節(jié)的疲勞性能進行了評估。由于切口應力對焊縫部位的幾何特征參數(shù)極為敏感，而在焊接過程中，焊縫的尺寸在一定的范圍內(nèi)波動且隨機性較大，實際上難以準確確定實際焊趾部位的準確幾何參數(shù)，在一定程度上限制了切口應力法的應用。Li 等[28]針對鋼橋面板關(guān)鍵構(gòu)造細節(jié)多開裂模式條件下的焊接節(jié)點主導疲勞開裂模式和疲勞性能問題進行了研究。在斷裂力學方法方面，陳艾榮等[29-30]和Cui等[18]基于斷裂力學，通過非線性疲勞累積損傷理論考慮多因素的耦合致?lián)p效應，對實際交通荷載作用下的鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞壽命評估問題進行了研究。Sun等[31-32]基于鋼材金相組織微觀損傷力學理論，提出了自適應的大跨度鋼結(jié)構(gòu)橋梁跨尺度疲勞損傷評估方法，考慮了車輛的動態(tài)響應對實橋進行壽命評估。傳統(tǒng)斷裂力學方法用于疲勞壽命評估結(jié)果的關(guān)鍵問題在于評估的準確性高度依賴評估模型中參數(shù)的取值，而相關(guān)參數(shù)受外界環(huán)境和結(jié)構(gòu)材料基本屬性的影響而具有較大的變異性，加劇了疲勞壽命評估結(jié)果的離散性?；跀嗔蚜W和損傷力學的疲勞性能評估方法仍有待進一步研究。

在鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞性能評估方法研究方面，黃云[33]對于隨機荷載作用下因荷載相互作用而導致的裂紋擴展加速或遲滯效應問題進行了研究，引入彈塑性斷裂力學理論考慮裂紋尖端塑性區(qū)的相互作用和裂紋擴展特性，建立了基于微小時間尺度的變幅疲勞裂紋擴展理論模型，提出了基于可靠度的鋼橋面板構(gòu)件疲勞抗力評估方法。當前的疲勞性能和評估方法研究主要聚焦于鋼結(jié)構(gòu)橋梁關(guān)鍵構(gòu)造細節(jié)的單一開裂模式，通常不考慮結(jié)構(gòu)體系的多疲勞開裂模式特性，因此無法確定結(jié)構(gòu)體系的主導疲勞開裂模式和結(jié)構(gòu)體系的實際疲勞抗力。為此，張清華等[8]基于鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞問題的基本屬性，以正交異性鋼橋面板為研究對象，提出了基于主導疲勞開裂模式的結(jié)構(gòu)體系疲勞抗力評估方法，并對其在鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞抗力評估中應用的關(guān)鍵問題進行了系統(tǒng)深入的研究，證明了其適用性、先進性和優(yōu)越性[8,28]，如圖5所示。

圖5 基于主導疲勞開裂模式的結(jié)構(gòu)體系疲勞抗力評估方法Fig.5 Fatigue resistance assessment method for structural systems based on the dominant fatigue cracking mode

2.2 疲勞損傷狀態(tài)預后

在既有鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞損傷狀態(tài)預后方面，Cui等[34]結(jié)合動態(tài)稱重系統(tǒng)(WIM)的車輛實測數(shù)據(jù)，建立了車輛預測隨機模型，考慮日均隨機車流和焊接殘余應力，建立了基于可靠度理論的鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞損傷概率預測方法。研究結(jié)果表明：對直接承受輪載作用的鋼橋面板而言，直接承受輪載作用區(qū)域的疲勞損傷遠大于非輪載作用區(qū)；不考慮焊接殘余應力將導致鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞損傷評估結(jié)果偏于不安全。在此基礎(chǔ)上，針對以往隨機車流模擬中未考慮不同時段早晚高峰與日夜車輛比重差異的問題，結(jié)合實時監(jiān)測交通荷載數(shù)據(jù)建立了貝葉斯綜合自回歸移動平均(ARIMA)模型[34]。基于該模型可考慮車橋耦合振動、鋪裝層溫度、車速、車輛橫向分布等關(guān)鍵影響因素的效應，實現(xiàn)未來一段時間內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞損傷預后。在此基礎(chǔ)上，通過集成數(shù)據(jù)處理，特征值提取、故障診斷和損傷預后等模塊，初步建立了鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞損傷智能監(jiān)測與評估系統(tǒng)。相關(guān)研究成果在深中通道、武漢青山長江大橋、宜昌伍家崗長江大橋、濟南長清黃河大橋、西江特大懸索橋、軍山長江大橋等重大工程建設(shè)項目中得到了成功應用。

3 鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋監(jiān)測與檢測

人工巡檢仍是當前實橋的主要檢測手段，通過目視輔以磁粉或滲透檢測進行[35]；通過結(jié)構(gòu)響應監(jiān)測信息識別結(jié)構(gòu)損傷是另一類常用方法[46-39]。Wei等[37]、李宏男等[38]和伊廷華等[39]通過橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)所獲取的結(jié)構(gòu)響應數(shù)據(jù)反演結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)并識別損傷。該類方法的損傷識別結(jié)果與傳感器的類型和布設(shè)位置有關(guān)，在高冗余度結(jié)構(gòu)的局部微小損傷監(jiān)測與識別方面仍面臨困難和挑戰(zhàn)[40-41]。在橋梁健康監(jiān)測領(lǐng)域，為降低橋梁結(jié)構(gòu)的運維成本、提高橋梁結(jié)構(gòu)損傷檢測的時效性與魯棒性，深度融合新一代信息技術(shù)，發(fā)展新一代橋梁損傷監(jiān)測與檢測技術(shù)是未來的重要發(fā)展方向[42-43]。李宏男等[44]和朱宏平等[45-46]分別構(gòu)建了不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，建立了監(jiān)測數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)之間復雜的映射關(guān)系，達到了快速識別結(jié)構(gòu)狀態(tài)的目的。鮑躍全等[47]和Xu等[48-49]提出了基于計算機視覺和人工智能的結(jié)構(gòu)裂紋識別方法，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)表面淺層疲勞裂紋的遠程智能化監(jiān)測。鐘新谷等[50]發(fā)展了以無人飛機為工作平臺的橋梁結(jié)構(gòu)表面裂縫形狀與寬度識別的檢測系統(tǒng)。為檢測結(jié)構(gòu)內(nèi)部或隱蔽裂紋，基于聲發(fā)射技術(shù)的無損檢測方法在橋梁結(jié)構(gòu)得到了廣泛應用[51]。王介修等[52]基于超聲波在裂紋面處的反射與衍射原理，提出了鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋特征參數(shù)的定量檢測方法，該方法可有效檢測淺層或隱蔽性裂紋的深度與擴展方向。Nowak等[53]研究了聲發(fā)射傳感器位置和數(shù)量等參數(shù)對疲勞裂紋回波的影響問題，通過鐵路鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋的實橋監(jiān)測，闡明了聲發(fā)射信號與裂紋擴展之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)機制。何燕等[54]通過試驗確定鋼絞線損傷過程的聲發(fā)射特征，以聲發(fā)射特征參數(shù)作為損傷程度指標，建立了基于聲發(fā)射技術(shù)的橋梁鋼絞線損傷演化過程監(jiān)測系統(tǒng)。由于大多數(shù)基于聲發(fā)射技術(shù)的檢測方法易受人為操作經(jīng)驗、服役環(huán)境等不穩(wěn)定因素干擾，且檢測僅限于傳感器安裝位置的局部范圍內(nèi)。為滿足大跨度鋼結(jié)構(gòu)橋梁長距離檢測的需要，馬宏偉等[55]基于混沌振子檢測系統(tǒng)，闡明了超長距離檢測條件下超聲導波關(guān)鍵特征參數(shù)對裂紋檢測結(jié)果的影響規(guī)律。上述方法適用于宏觀裂紋檢測，對于疲勞開裂早期微小裂紋的檢測有效性仍有待進一步驗證。

目前，疲勞裂紋的非人工檢測方法主要包括三大類：基于應變的光纖應變傳感器和薄膜傳感器檢測的間接損傷識別方法[56]、基于聲發(fā)射技術(shù)的裂紋直接檢測方法[57]以及基于計算機視覺的裂紋圖像智能識別非接觸式檢測方法[42,58-59]。崔闖等[60]結(jié)合智能檢測技術(shù)的最新發(fā)展和鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞問題的基本屬性，初步探索了鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋定位與識別的智能化方法：1)對超聲導波鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋檢測問題進行了全過程數(shù)值模擬和試驗研究，結(jié)果表明，超聲導波在橋梁構(gòu)件裂紋缺陷定位檢測方面具有良好的適用性；2)對基于納米涂層智能傳感器的裂紋監(jiān)測方法進行了理論研究與數(shù)值模擬，結(jié)果表明，納米涂層對于微小裂紋敏感度較高；3)基于計算機視覺技術(shù)的裂紋識別理論，提取了實際裂紋圖像中的形態(tài)特征，與實測值的對比結(jié)果表明，計算機視覺技術(shù)在應用于疲勞裂紋測量時有較高的可靠性；4) 將深度學習引入結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的模式識別中，用于識別和挖掘時域信號、圖像信號中的損傷信息，結(jié)果表明，以監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)、以模損傷模式識別為目標的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在實際工程中有廣闊的應用前景。其在當前鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋智能定位與識別方法的主要研究內(nèi)容如圖6所示。

圖6 鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋智能定位與識別方法Fig.6 Intelligent fatigue crack location and identification method of steel bridge

4 鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞加固與維護

圖7 鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞開裂加固與維護方法Fig.7 Reinforcement and maintenance methods of fatigue cracking of steel bridge

5 結(jié)論與展望

總體而言，通過學者們長期艱苦卓絕的不懈努力，在鋼橋疲勞研究領(lǐng)域取得了可喜進展。在當前的時代背景下，站在巨人的肩膀上，緊緊抓住交通強國戰(zhàn)略和中國大力推廣鋼結(jié)構(gòu)橋梁的歷史機遇，引入數(shù)學、力學、理論分析、試驗檢測技術(shù)、加工制造技術(shù)和人工智能等領(lǐng)域的最新成果，在基礎(chǔ)理論和重大工程應用兩方面繼續(xù)努力，進一步深化對于鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞失效機制的認識，發(fā)展新的理論與方法，根據(jù)實際需求拓展新的研究領(lǐng)域，通過創(chuàng)新性成果為鋼結(jié)構(gòu)橋梁的可持續(xù)發(fā)展建立更為完備的保障體系，前景光明，但仍然任重道遠。筆者認為以下幾個方面的研究對于深化鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞開裂問題本質(zhì)屬性的認識、提高結(jié)構(gòu)體系的疲勞性能具有重要的推動作用，是下一階段的研究重點：

1)在高性能材料應用方面，耐候鋼在中國的鋼結(jié)構(gòu)橋梁中逐步得到推廣應用，在非氯離子腐蝕環(huán)境，如極寒、高海拔地區(qū)具有廣闊應用前景。近年來，中國在耐候鋼制造技術(shù)方面取得了快速發(fā)展和進步，但耐候鋼結(jié)構(gòu)橋梁技術(shù)還處于起步階段。亟需探究外部腐蝕環(huán)境下多物理場作用對于耐候鋼結(jié)構(gòu)橋梁的耦合疲勞致?lián)p機理；提高鋼材的強度等級并發(fā)展高強度耐候鋼，進一步推進橋梁工程的輕質(zhì)、高強、大跨和耐久等多個維度的協(xié)同發(fā)展；結(jié)合高性能材料基礎(chǔ)理論研究成果和實際需求，發(fā)展適用的自動化、智能化焊接技術(shù)，推動耐候鋼結(jié)構(gòu)橋梁產(chǎn)業(yè)化進程。

2)對于鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞失效機理等基礎(chǔ)科學問題的研究，下一階段可從如下幾個方面開展研究工作：① 引入先進的試驗檢測技術(shù)，闡明疲勞裂紋萌生和擴展過程的微觀和介觀機制，明確關(guān)鍵影響因素對于疲勞性能的效應機理；② 進一步發(fā)展評估方法，將當前的宏觀尺度唯象學評估方法向介觀和微觀尺度拓展，研究并發(fā)展適用的疲勞抗力評估新理論、新指標和新方法；③ 將研究對象和評估方法由特定的構(gòu)造細節(jié)和特定的疲勞開裂模式拓展至結(jié)構(gòu)體系，進一步完善結(jié)構(gòu)體系的疲勞抗力評估方法；④ 揭示腐蝕等環(huán)境因素的疲勞性能效應機制，闡明服役過程構(gòu)造細節(jié)和結(jié)構(gòu)體系的主導疲勞開裂模式遷移機理；⑤ 充分考慮制造和服役全過程的疲勞性能影響因素并量化其實際效應，構(gòu)建面向疲勞性能的鋼結(jié)構(gòu)橋梁全壽命過程全息模擬和預測理論與方法。

3)在鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞損傷監(jiān)測與檢測方面，當前仍主要以人工巡檢的方式對在役鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋進行定期檢測，工作強度大、效率低且局限性問題突出，難以取得較好的檢測效果。為克服人工巡檢的弊端、保障鋼結(jié)構(gòu)橋梁的服役安全和服役質(zhì)量，亟需發(fā)展橋梁檢測新技術(shù)，實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)橋梁損傷狀態(tài)的實時智能監(jiān)測和檢測。由于鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞行為屬于典型的局部微小區(qū)域剛度退化行為，對高冗余度鋼結(jié)構(gòu)橋梁整體剛度的影響極小，傳統(tǒng)的監(jiān)測或檢測技術(shù)難以實現(xiàn)對于疲勞開裂早期微小裂紋的準確檢測。發(fā)展針對鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞微裂紋的智能化監(jiān)測與檢測方法，研究并建立鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞損傷的智能監(jiān)測與檢測系統(tǒng)，是下階段的關(guān)鍵研究課題。

4)在鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞加固與維護方面，當前關(guān)于加固方法及加固體系疲勞性能的研究仍極為欠缺：① 當前的研究對象主要是非貫穿型疲勞裂紋，對于實橋中大量存在的貫穿型長大疲勞裂紋加固方法的研究仍較為欠缺；② 鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞開裂加固屬于含裂紋加固體系的多路徑、多模式體系疲勞問題，其疲勞破壞過程屬于協(xié)同受力性能劣化與疲勞累積損傷演化的耦合過程，只有闡明關(guān)鍵疲勞易損部位疲勞開裂與加固體系協(xié)同受力性能劣化的耦合機理，才能夠?qū)崿F(xiàn)對裝配式加固體系疲勞問題的深刻認識，揭示加固方法的疲勞性能強化機理；③ 當前亟需對加固體系進行由構(gòu)造細節(jié)到結(jié)構(gòu)體系的多維度研究，確定加固體系的控制疲勞易損部位及其主導疲勞破壞模式，闡明疲勞損傷演化與協(xié)同受力性能劣化的耦合過程，提出基于協(xié)同受力性能劣化的剩余疲勞壽命評估方法，準確評估加固體系的剩余疲勞壽命；④ 關(guān)于加固技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的研究嚴重滯后于實際需求。亟需根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)橋梁典型疲勞裂紋的擴展特性，對已提出的多種鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞開裂加固方法進行深入研究，確定不同加固方法的適用范圍，在此基礎(chǔ)上，研發(fā)相應的裝配化、規(guī)格化加固結(jié)構(gòu)產(chǎn)品并發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞開裂快速加固成套體系。