止裂 让钢桥不再衰老
面对严重影响钢桥面板服役性能和耐久性的疲劳开裂问题，研发合理、高效的加固维护技术十分必要。本文选取纵肋与横隔板焊接细节的典型疲劳开裂模式，采用栓接角钢装配式加固方法对该细节进行加固，并通过足尺疲劳试验研究该加固方法的有效性及其工程可实施性。在此基础上，采用断裂力学进行加固效果评价，以验证栓接角钢装配式加固方法，对正交异性钢桥面板纵肋与横隔板焊接细节的疲劳裂纹维护的可靠性。
有限元模型的建立
疲劳破坏模式和装配式加固
纵肋与横隔板焊接细节受力较为复杂，在装配误差、焊接残余应力及焊接缺陷等因素综合影响下，该部位成为正交异性钢桥面板中疲劳问题最为突出的部位之一。该部位典型的疲劳裂纹的失效模式主要包括以下几种：破坏模式I ：疲劳裂纹起于焊趾并沿纵肋腹板扩展；破坏模式II ：疲劳裂纹起于焊趾并沿横隔板扩展 ；破坏模式III ：疲劳裂纹起于横隔板弧形开孔并沿横隔板扩展，如图1所示。研究结果表明，模式I为疲劳破坏的主要形式，且其疲劳开裂的加固较其他模式更为困难。
图1 纵肋与横隔板焊接细节处疲劳开裂模式
正交异性钢桥面板开裂采用在局部栓接或粘贴钢板的方式，可以有效提高该部位的局部刚度，显著降低局部应力水平，从而抑制该部位疲劳裂纹的进一步扩展。因此，对于纵肋与横隔板连接部位的疲劳加固而言，其关键在于采用适当的方法降低局部应力集中程度，调整局部受力状态，从而改善该细节局部应力水平。针对纵肋与横隔板焊接细节疲劳开裂模式I，采用在纵肋底板与横隔板处栓接等边角钢加固处理，如图2所示。
图2 纵肋与横隔板焊接细节装配式加固方式
面向疲劳性能研究的有限元模型
为研究关注疲劳易损细节的疲劳特性，针对某大桥正交异性钢桥面板纵肋与横隔板焊接细节，进行装配式加固方法模型试验研究。足尺模型试件主要由顶板、纵肋、横隔板及其下翼缘板构成。疲劳试验模型轮廓尺寸为：长2.7m，宽1.4m，高0.6m，纵向设置2个横隔板，横向设置2个U肋。试件主要结构板件厚度为：顶板18mm，纵肋8mm，横隔板14mm，横隔板下翼缘20mm。纵肋截面尺寸为300mm×280mm×8mm，纵肋中心间距为600mm。疲劳试验采用分配梁纵向两点加载，在分配与试验模型之间的加载位置放置两个200mm×200mm的橡胶支座，试验模型横隔板下翼缘使用固接约束，其加载方案如图3所示。
图3 试验模型及加载方案
本研究的主要目的在于确定待研究构造细节的疲劳性能，综合考虑加载设备和加载周期等因素，制定试验方案并确定实际采用的加载荷载幅值ΔP。所确定的主要试验工况如下：
工况1（LCI）：纵肋与横隔板连接细节疲劳特性试验工况。该工况主要用于研究此处实际疲劳特性。此工况加载次数为115万次，荷载上、下限分别取ΔP 20kN与20kN，ΔP为290kN。
工况2（LCII）：纵肋与横隔板焊接细节疲劳开裂装配式快速加固试验工况。主要研究装配式快速加固方法对于纵肋与横隔板焊接细节的疲劳寿命的改善效果。此工况加载次数为180万次，荷载上、下限分别取ΔP 20kN与20kN，ΔP为348kN。
针对待研究的疲劳易损部位（纵肋与横隔板焊接细节处）开裂后栓接角钢加固效果，由于此处疲劳裂纹属于复合型裂纹，为提高应力强度因子K的求解精度，选取通用有限元软件ANSYS建立实体单元模型进行求解，除含有裂纹的子模型外都用实体单元Solid45。在纵肋与横隔板焊接细节处建立裂纹子模型，其中，裂纹前缘周围单元采用能够较精确反映裂纹尖端附近应力场奇异性的Solid95单元模拟，其余子模型部位使用Solid92单元。整个有限元模型总计257988个单元，401870个节点，如图4所示。为保证其计算结果可靠性，能准确模拟试验模型的受力状态，设定与试验相同的约束条件及加载方式，在试验结构模型重点部位布置大量测点。试验过程中采用美国MTS公司的MTS793试验系统进行疲劳试验加载、UCAM-60B静态数据采集系统进行静载试验应变测试，同时采用DH3820动态数据采集系统对疲劳易损细节关键测点的应变进行动态监测。由于篇幅限制，此处仅列出纵肋与横隔板焊接细节典型对比结果，测点位置及在试验荷载工况下实测值（M）与理论值（T）结果对比如图5所示，测点处应变片布置在焊缝端部下方纵肋腹板母材上。研究结果表明：有限元计算值与试验实测值基本吻合，所建立的有限元模型能够较为准确地模拟纵肋与横隔板焊接细节的力学特性，可作为裂纹扩展行为及加固研究的模型。
图4 有限元模型
图5 关键测点应力对比
根据相关的研究成果，本文该细节处表面初始裂纹取半圆形裂纹（a0=c0=0.5mm，其中：a0为初始裂纹深度；c0为初始裂纹长度的一半），其位于纵肋与横隔板焊接细节焊趾端部1mm处，如图4中所示。
有限元模型的试验验证
试验过程中对研究对象的纵肋与横隔板焊接细节关键点分别进行静载试验、动态应变的数据测试。试验模型关键测点应力随疲劳荷载循环次数变化关系如图6所示。
图6 关键测点主拉应力与作用循环次数间的关系
研究结果表明：（1）在LCI阶段加载过程中，当疲劳荷载作用次数达到60万次时，在测点1处出现了约6.8mm的裂纹，但各关键测点主拉应力实测值基本不变，表明裂纹尚在扩展初期，裂纹深度及长度均较小，未明显导致纵肋与横隔板焊接细节处局部区域的应力重新分布。（2）在后续60~115万次循环加载过程中，关键测点1的最大主拉应力由初始的95.6Mpa减小到51.7Mpa，降低幅度达45%，表明此阶段过程中疲劳裂纹在逐步稳定扩展，致使疲劳裂纹附近局部区域应力重新分布，从而使测点1的主拉应力逐步降低。（3）LCI阶段结束后，测点1处发现的疲劳裂纹扩展长度达到了25.8mm，典型的表面疲劳裂纹如图7所示，并将其与数值模拟裂纹扩展路径进行对比，可以发现有限元模型能够真实有效地模拟实际疲劳裂纹扩展情况，验证了数值模拟结果的精确度。
图7 裂纹扩展路径对比
为研究栓接角钢法对钢桥面板纵肋与横隔板焊接细节疲劳开裂的实际加固效果，采用10.9级M20型高强螺栓栓接角钢对待研究构造细节产生疲劳开裂的部位及另一侧非开裂部位进行加固，如图8所示。同时在开裂部位沿扩展方向上内外各布置两个单向应变片及一个应变花，通过定期检查及试验过程中监测此处的应变变化规律，来判断疲劳裂纹是否进一步扩展，裂尖区域应变测点布置如图9所示，NCT表示横隔板内侧，WCT代表横隔板外侧。
图8 试验模型装配式快速加固
图9 裂纹尖端应变测点布置
LCII工况在对纵肋与横隔板焊接细节的疲劳裂纹加固后继续进行疲劳试验。加固前后关键测点的主拉应力及裂纹尖端应变，随疲劳荷载循环次数的变化曲线如图10和图11所示。
图10 加固前后关键测点主拉应力与循环次数间的关系
图11 加固前后裂尖应变与循环次数间的关系
研究表明：（1）加固前测点1的主拉应力随疲劳裂纹的扩展逐步减小且呈非线性变化趋势，加固后其主拉应力进一步降低，降幅达56%，此后稳定保持一定的水平。未开裂焊接细节端部关键测点2的主拉应力在加固后由120MPa降至51MPa，降幅达57%，表明疲劳开裂部位局部应力状态得到显著改善，加固件与既有结构协同受力性能良好。（2）经装配式加固后，裂纹尖端应变大幅降低，以WCT-1为例，加固后其应变由908με降至159με，裂尖测点应变最大降幅达82%，加固后在后期循环荷载作用下裂尖测点应变值未出现较大变化，表明加固件与既有结构协同受力良好。（3）工况LCII中试验模型测点1处既有疲劳裂纹未进一步扩展，其他加固前尚未开裂的纵肋与横隔板焊接细节未出现新的疲劳裂纹，表明纵肋底板与横隔板使用角钢加固能够有效抑制局部疲劳裂纹扩展，延长未开裂的疲劳易损部位剩余疲劳寿命。
加固结构疲劳性能分析
基于线弹性断裂力学（Linear elastic fracture mechanics，LEFM）理论，研究栓接角钢加固方法疲劳性能强化效应评估的相关关键问题。根据该理论，应力强度因子(Stress intensity factor, SIF)是评价疲劳裂纹扩展的重要因素。因此，以钢桥面板纵肋与横隔板焊接细节疲劳开裂加固前后的应力强度因子变化为研究对象，针对栓接角钢加固对疲劳性能的改善效果展开研究。
加固后疲劳性能分析
正交异性钢桥面板纵肋与横隔板连接处的疲劳裂纹为复合型开裂。该细节处疲劳裂纹扩展模拟需同时考虑张开型（I型）、滑开型(II型）和撕开型(III型）3种开裂模式的综合作用。目前国内外针对复合型裂纹的断裂判据未有统一的规定，此处根据有关理论计算等效应力强度因子幅值，即：
公式中的ΔKeff为等效应力强度因子幅值；ΔKI、ΔKII、ΔKIII分别为I型、II型、III型裂纹应力强度因子幅值；为材料泊松比。
线弹性断裂力学中裂纹是否扩展主要是根据LEFM的应力强度因子准则，裂纹扩展判据为
式中的ΔKth为材料疲劳裂纹应力强度因子扩展阈值。即当裂纹尖端的等效应力强度因子幅值ΔKeff大于材料的应力强度因子扩展阈值ΔKth时，裂纹将继续扩展。本文计算时参考规范BS7910，焊接结构疲劳裂纹应力强度因子扩展阈值为ΔKth=63MPa·mm1/2。
试验模型中LCI工况加载完毕时疲劳裂纹长约25.8mm，根据该尺寸三维疲劳裂纹空间形态概貌，采用断裂力学方法进行装配式加固并研究加固效果，加固前后裂纹尖端应力强度因子幅值变化如表1所示。
研究表明：（1）通过加固补强前后应力变化情况可以得出，加固件与既有结构协同受力良好，有效降低加固区域所关注位置主拉应力，并且不会导致新的应力集中。（2）加固前裂纹尖端各点ΔKeff均远大于ΔKth，疲劳裂纹将会继续快速扩展，局部加固补强后裂纹尖端各点ΔKeff均显著降低，其中中裂纹处应力强度因子降幅达87%，小于应力强度扩展阈值，说明采用栓接角钢装配式加固方法能够有效抑制疲劳裂纹的扩展。
不同裂纹长度加固效果分析
在疲劳荷载作用下正交异性钢桥面板纵肋与横隔板焊接细节疲劳裂纹具有扩展性。因此，针对此处的加固也应考虑到裂纹扩展至不同长度的影响。与此同时，在一定的荷载作用下，对应于不同的疲劳荷载循环周期，裂纹扩展长度亦有差异。为深入研究角钢加固件在不同裂纹扩展周期时参与到结构受力中的情况，必须对不同的裂纹长度加固前后的应力强度因子幅值的变化进行分析。此处将针对疲劳裂纹由初始裂纹长度（表面裂纹长l0=1mm）至纵肋腹板裂穿(表面裂纹长lt=58mm)全过程中7个扩展阶段加固效果的评价，局部加固补强前后应力强度因子幅值变化情况如图12所示，经计算应力强度因子幅值ΔKII在整个阶段中变化不明显且数值很小，故在图12中仅列出ΔKI，KIII和ΔKeff 。
图12 不同裂纹长度加固前后裂尖应力强度因子幅值
根据研究结果可归纳成以下四项特点：
（1）I型断裂应力强度因子幅值ΔKI与复合型断裂等效应力强度因子幅值差异较小，随着裂纹的扩展，ΔKIII逐步增大，在纵肋与横隔板焊接细节处开裂模式有从I型开裂向I-III型复合型开裂发展趋势，但I型开裂在该细节处裂纹扩展中起控制作用。
（2）在不同裂纹扩展长度情况下采用装配式加固措施均能使裂纹尖端应力强度因子幅值ΔKI和ΔKeff得到大幅降低，降幅能够控制在60%～90%，但是对ΔKIII作用效果并不明显。
（3）随着疲劳裂纹扩展长度的增加，特别是疲劳裂纹裂深达到0.75倍纵肋腹板厚度后，该加固方法对裂纹扩展的抑制效果不断降低。
（4）基于上述计算结果，针对纵肋与横隔板焊接细节处疲劳开裂进行栓接角钢装配式加固时，应在裂纹扩展至一定长度之前进行加固，方能保障加固效果。若时机选择不当，虽也能有效降低疲劳裂纹尖端应力强度因子幅值并延长其疲劳寿命，但无法完全抑制疲劳裂纹扩展。
本文所涉及的研究，主要限于纵肋与横隔板焊接细节处疲劳开裂栓接角钢加固对裂纹扩展的抑制效果，但实际结构中疲劳裂纹产生部位及扩展特性具有多样性和复杂性，其疲劳破坏涉及既有含裂纹结构、加固件以及原结构与加固件连接细节，属于含裂纹加固体系的多路径、多模式体系疲劳问题。深化了解不同部位疲劳裂纹扩展特性及破坏机理，在此基础上发展适用的加固结构体系疲劳性能评估方法是下一阶段的研究重点。
本文刊载 / 《大桥养护与运营》杂志
2021年 第1期 总第13期
作者 / 张清华 金通 李俊
作者单位 / 西南交通大学土木工程学院
编辑 / 陈晖
美编 / 赵雯
责编 / 陈晖
审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲