大橋鋼箱梁疲勞損傷評估及試驗(yàn)方法研究

鄒建波，張嘯晨

江蘇潤揚(yáng)大橋發(fā)展有限責(zé)任公司，江蘇 南京 212115

隨著鋼箱梁大橋建造工藝的不斷成熟，其建造呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)不斷輕型化、橋型更加多元化、跨徑不斷增大等特點(diǎn)。隨著我國交通和運(yùn)輸壓力的逐年增大，對鋼箱梁橋的荷載要求也隨之提高，很多鋼箱梁橋因?yàn)樽陨淼暮奢d能力而難以承載更大的交通壓力，形成以裂縫為代表的疲勞損傷。此外，鋼箱梁橋具有構(gòu)件切口多、橋面構(gòu)造復(fù)雜等建造特點(diǎn)，有必要采取科學(xué)的試驗(yàn)方法對其疲勞損傷進(jìn)行評估。

1 我國鋼箱梁大橋應(yīng)用現(xiàn)狀及其常見疲勞損傷

我國鋼箱梁大橋的建設(shè)起步較晚，在20世紀(jì)80年代才開始步入正軌。但是，在我國橋梁建設(shè)技術(shù)人員的不斷努力下，我國的鋼箱梁大橋建設(shè)事業(yè)飛速發(fā)展，已經(jīng)取得了一定的成果。目前，世界十大鋼箱梁橋中有6座位于中國。鋼箱梁大橋在我國已經(jīng)被越來越廣泛地應(yīng)用于交通事業(yè)中，對我國交通事業(yè)的發(fā)展起到了重要作用。2014年，寧波鐵路樞紐北環(huán)線甬江特大橋在我國順利落成，該橋的落成是我國鋼箱梁大橋建設(shè)的一座高峰，標(biāo)志著我國橋梁建設(shè)水平的逐漸成熟，此后越來越多的鋼箱梁橋建成并投入使用。

鋼箱梁大橋的可靠性會(huì)隨著使用年限的增加產(chǎn)生一些不可避免的疲勞損傷，如裂紋、腐蝕、涂裝劣化等，特別是主要交通干線上的鋼箱梁正交異性橋面結(jié)構(gòu)，其承受的疲勞應(yīng)力幅遠(yuǎn)大于普通公路橋梁。鋼箱梁大橋由于本身有著非常強(qiáng)的堅(jiān)固性，只要在設(shè)計(jì)階段符合設(shè)計(jì)規(guī)范，一般不會(huì)出現(xiàn)變形過大的情況，涂裝劣化的問題也可以在日常的養(yǎng)護(hù)過程中被及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理。目前，鋼箱梁橋涂裝劣化的護(hù)理技術(shù)已經(jīng)比較成熟，涂裝劣化一般不會(huì)給鋼箱梁橋的使用造成隱患。但是，鋼箱梁橋內(nèi)部的疲勞裂紋是日常養(yǎng)護(hù)過程中難以被肉眼觀測到的，其隱藏程度比較深，位于鋼箱梁橋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，試驗(yàn)難度較大，修復(fù)難度也相對較大，是影響鋼箱梁大橋使用安全的最主要因素。

2 大橋鋼箱梁疲勞損傷的產(chǎn)生機(jī)制和評估方法

鋼箱梁大橋一般具有非常優(yōu)良的使用性能，其疲勞開裂必須在承受足夠大的應(yīng)力幅度時(shí)才會(huì)產(chǎn)生，在設(shè)計(jì)階段有明顯的設(shè)計(jì)缺陷或在建造施工階段存在明顯的施工問題時(shí)也會(huì)引起鋼箱梁大橋的疲勞開裂[1]。鋼箱梁大橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建造過程中的焊接位置和開孔位置較多，難免在施工過程中會(huì)存在一些因?yàn)槭┕な杪┰斐傻脑剂鸭y，在這些原始裂紋易出現(xiàn)的地方，可能存在應(yīng)力集中的問題。在鋼箱梁橋中，結(jié)構(gòu)設(shè)置的焊接處比較容易出現(xiàn)鋼箱梁疲勞損傷。

鋼箱梁大橋在使用過程中，承受的交通壓力并不是恒定的，始終承受著橋面車輛的隨機(jī)荷載帶來的應(yīng)力幅度變化，車輛的變幅荷載會(huì)使大橋鋼箱梁的穩(wěn)定程度進(jìn)一步降低，進(jìn)一步擴(kuò)大橋身內(nèi)部的裂紋或者產(chǎn)生新的疲勞裂紋。隨著車輛變幅荷載次數(shù)的增多，鋼箱梁橋內(nèi)部的疲勞損傷情況將會(huì)累積擴(kuò)大，對橋面交通的安全形成威脅，甚至在橋身沒有任何外在征兆的情況下突然發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞。因此，對大橋鋼箱梁的疲勞損傷情況進(jìn)行定時(shí)評估測驗(yàn)具有重要意義，可以有效保證鋼箱梁橋的正常使用。

大橋鋼箱梁疲勞壽命的計(jì)算需要依照材料特性、精確的荷載譜、構(gòu)件的S-N曲線、累積損傷理論、裂紋擴(kuò)展理論等主要因素。目前，我國對于大橋鋼箱梁疲勞損傷評估的常用方法有以下兩種：（1）通過對大橋鋼箱梁關(guān)鍵疲勞易損傷部位的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到S-N曲線，并使用S-N曲線和Miner線性累積損傷理論對大橋鋼箱梁的使用壽命和疲勞損傷情況進(jìn)行評估。（2）依據(jù)斷裂力學(xué)理論對大橋鋼箱梁的使用壽命和疲勞損傷情況進(jìn)行評估。

在大橋鋼箱梁使用壽命和疲勞損傷情況評估中，比較常用的是基于S-N曲線的大橋鋼箱梁使用壽命和疲勞損傷情況評估方法，這種評估方法的研究對象是鋼箱梁橋在施工環(huán)節(jié)的初始材料缺陷，雖然能夠?qū)︿撓淞簶虺跏际┕きh(huán)節(jié)的材料缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確評估，但大橋在應(yīng)用過程中其真實(shí)狀況會(huì)發(fā)生較大的變化，該方法不能對鋼箱梁橋的實(shí)時(shí)疲勞損傷情況進(jìn)行準(zhǔn)確評估，其評估結(jié)果與鋼箱梁橋的實(shí)際疲勞損傷情況往往差距較大。同時(shí)，該方法的試驗(yàn)結(jié)果受到施工工藝的制約?；跀嗔蚜W(xué)的大橋鋼箱梁的使用壽命和疲勞損傷情況評估方法克服了基于S-N曲線的大橋鋼箱梁的使用壽命和疲勞損傷情況評估方法中的不足，將鋼箱梁橋工作中的應(yīng)力場作為研究對象，對鋼箱梁橋內(nèi)部疲勞裂紋的擴(kuò)展和亞擴(kuò)展進(jìn)行研究，并用力學(xué)原理解釋了大橋鋼箱梁出現(xiàn)疲勞損傷情況的原因，從而對鋼箱梁橋在車輛帶來的隨機(jī)荷載應(yīng)力幅度下的疲勞使用壽命進(jìn)行計(jì)算[2]。

3 大橋鋼箱梁疲勞損傷試驗(yàn)方法

目前，模型試驗(yàn)法廣泛應(yīng)用于大橋鋼箱梁疲勞損傷情況試驗(yàn)中，在大橋鋼箱梁疲勞損傷情況的評估試驗(yàn)中發(fā)揮著不可替代的作用。模型試驗(yàn)法的試驗(yàn)機(jī)制是通過對節(jié)段足尺模型或者試件模型進(jìn)行多點(diǎn)異步輪載或者加載，模擬車輛在鋼箱梁橋上隨機(jī)走動(dòng)的情況，達(dá)到對隨機(jī)應(yīng)力幅度的試驗(yàn)效果。這種試驗(yàn)狀態(tài)下，車輛的隨機(jī)行走狀態(tài)被最大限度地再現(xiàn)于模擬鋼箱梁橋的試驗(yàn)過程中，從而獲得大橋鋼箱梁各個(gè)疲勞敏感區(qū)的損傷情況，對大橋鋼箱梁的整體實(shí)際疲勞性能進(jìn)行精準(zhǔn)探究，還能對模擬鋼箱梁橋的不同受力情況進(jìn)行自主把控，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)一次試驗(yàn)，進(jìn)行多種變量控制，從而對影響大橋鋼箱梁使用性能的不同因素進(jìn)行分別研究。模型試驗(yàn)法的試驗(yàn)結(jié)果比較具有代表性和綜合性。

在模型試驗(yàn)法的基礎(chǔ)上，可將試驗(yàn)結(jié)果和理論分析結(jié)果進(jìn)行比對，采用S-N曲線和Miner線性累積損傷理論相結(jié)合的評估方法或者基于斷裂力學(xué)的評估方法，對大橋鋼箱梁的疲勞損傷情況進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，車輛的變幅荷載是造成大橋鋼箱梁疲勞損傷的關(guān)鍵因素，車輛荷載量的精準(zhǔn)程度對大橋鋼箱梁疲勞損傷情況的試驗(yàn)結(jié)果有直接影響。美國、英國等國家率先對大橋鋼箱梁的疲勞荷載譜進(jìn)行了深入研究，并且據(jù)此提出了大橋鋼箱梁疲勞損傷在標(biāo)準(zhǔn)疲勞車模型下的計(jì)算方法，同時(shí)給出了相應(yīng)的大橋鋼箱梁的設(shè)計(jì)規(guī)范。我國在進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)活荷載的最不利布置作用效應(yīng)方面進(jìn)行了明確。

目前，我國對大橋鋼箱梁疲勞損傷情況的計(jì)算方法主要是參考?xì)W美國家已經(jīng)比較完備的模型試驗(yàn)法數(shù)據(jù)計(jì)算規(guī)范，但是在進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)，并沒有基于大量大橋鋼箱梁疲勞損傷試驗(yàn)的有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)形成的可參考的疲勞強(qiáng)度曲線。國內(nèi)對于大量大橋鋼箱梁疲勞損傷情況的試驗(yàn)一般是足尺模型試驗(yàn)，需要大型液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行異步或同步加載。該方法不僅加載方式比較單一，還需要耗費(fèi)較長的加載時(shí)間，對于大橋鋼箱梁的某些局部部件進(jìn)行疲勞損傷情況測試時(shí)，需要對多個(gè)試件進(jìn)行加載，將消耗大量的能量，試驗(yàn)效率低，試驗(yàn)成本相對較高[3]。

對于大量大橋鋼箱梁疲勞損傷試驗(yàn)中的小試件，韓國等國家采用的試驗(yàn)方法是通過剝離試驗(yàn)機(jī)的方式對裂紋發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的撕裂能進(jìn)行檢測，據(jù)此對大橋鋼箱梁疲勞損傷程度進(jìn)行判斷。該方法可以節(jié)約大橋鋼箱梁疲勞損傷情況試驗(yàn)的實(shí)踐成本和經(jīng)濟(jì)成本，是一種較為經(jīng)濟(jì)、高效的大橋鋼箱梁疲勞損傷試驗(yàn)方法。日本學(xué)者設(shè)計(jì)出的大橋鋼箱梁疲勞損傷試驗(yàn)方法是通過振動(dòng)器對大橋鋼箱梁的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)重復(fù)進(jìn)行荷載測試，得出不同荷載情況下的大橋鋼箱梁疲勞損傷結(jié)果。

我國對于大橋鋼箱梁疲勞損傷評估和測驗(yàn)的研究相對不成熟，在進(jìn)行大橋鋼箱梁疲勞損傷評估和測試時(shí)，應(yīng)借鑒國際上的優(yōu)秀大橋鋼箱梁疲勞損傷評估試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，不斷摸索出新的評估和測驗(yàn)方法，完善大橋鋼箱梁疲勞損傷測驗(yàn)的相關(guān)理論，使其更具準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語

大橋鋼箱梁的疲勞損傷對其使用壽命具有直接影響，因此需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)、精準(zhǔn)評估鋼箱梁的疲勞損傷，并有效解決，讓其發(fā)揮出應(yīng)有的使用價(jià)值。對于大橋鋼箱梁的疲勞損傷評估有利于對其進(jìn)行加固修復(fù)，這需要相關(guān)學(xué)者不斷探究新的疲勞試驗(yàn)手段、加固手段，通過對鋼箱梁大橋細(xì)節(jié)的優(yōu)化，減少鋼箱梁大橋使用過程中的開裂等疲勞損傷情況，進(jìn)一步提升鋼箱梁大橋的使用性能。