焊接鋼橋結構細節疲勞裂紋原因及對策分析

李 杰 任宇揚

(同濟大學土木工程學院，上海 200092)

鋼橋的連接處的疲勞性能是鋼橋問題研究中最重要的一個方面，鋼橋構件在其有限的使用壽命內需要承載大量車輛載荷，這就迫使我們必須對鋼橋的疲勞性能給予高度關注，鋼橋設計中必須包含完整而有效的鋼橋疲勞設計。當前鋼橋新型結構形式具備嶄新的特點，比如設計愈加復雜，普遍使用高強度的焊接結構材料，結構構造細節以及結構工藝相對復雜，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構形式下疲勞問題的影響因素，以及疲勞易發生的典型敏感部位，最后將歸納出預防疲勞破壞的幾點對策。

1 現代焊接鋼橋疲勞問題

所謂疲勞即是由重復應力引起裂紋并逐漸擴展的結構部件損傷。影響鋼橋疲勞的因素按照內因與外因的邏輯分類可以歸結如下:內因主要有鋼橋應力的集中程度和所用鋼的材質，外因主要有應力幅值和循環次數。斷裂力學中研究表明，焊縫的焊趾以及焊接處缺口所受應力以及裂紋應力強度三者共同決定鋼橋焊接頭的疲勞強度。鋼橋焊接頭疲勞發展經歷三個階段:裂紋萌生階段、裂紋擴展階段、裂紋斷裂直至破壞階段。在裂紋萌生階段和裂紋擴展階段，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力狀態是此階段鋼橋疲勞的主要決定因素，焊接處缺口的應力狀態主要是指焊接頭的形狀變化和焊接缺陷的應力表現;在裂紋擴展階段，主要受裂紋的應力強度因子的決定。理論與試驗共同表明，焊接疲勞裂紋發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工作，焊接疲勞發生的速率取決于裂紋發展的速率，這在理論上也是相通的。斷裂力學中明確指出:焊接接頭的最大缺口應力以及應力強度因子共同決定疲勞強度。

2 現代疲勞問題的幾個典型部位

焊接鋼橋極易發生疲勞問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系。首先來分析一下斜拉橋索梁錨固區，它是斜索和鋼梁的傳力連接部分，該區域有其獨特的結構特點，由于該區域結構復雜，所需的區域板件非常多，由此就會導致較大的應力，而且，該部位所受的交變載荷值是非常大的，大應力作用以及高載荷賦予了斜拉橋索梁錨固區雙重的疲勞可能性，疲勞性能在此又難以評估和預測，又加劇了對該區域疲勞性能的挑戰，因此，該區域是現代鋼橋疲勞易發生的重點部位和有效控制的難點部位。此外，再重點分析一下正交異性鋼橋面板，該類區域以其獨特的優點被廣泛應用于世界大中型現代鋼橋中，該類面板常見的疲勞問題有如下幾個方面:首先面板所受的應力比較復雜，交叉部位應力作用集中;其次，該區域承受的交變載荷值過大，面板易出現裂紋;再次，車輛通過面板時因為應力作用線長而易產生循環應力，危險系數因此增大;最后，很多焊接處的質量無法保證，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:1)縱肋與蓋板的連接;2)縱肋與橫梁的連接;3)縱肋的現場連接。在實際設計與建構中要著重突出這幾個方面。

3 防止鋼橋疲勞破壞的幾個方法

目前對疲勞性能較差的結構設計已經提出許多的改進措施，這些措施的有效性還是非常樂觀的，下面，依據實際經驗以及理論預測，具體介紹一下針對疲勞問題需要著重注意的幾點問題:

1)焊接方式優先選擇對接焊縫，盡量避免使用角焊縫，因為前者裂紋發生與發展的可能性均小于后者，安全系數較高，而對于承受反復應力的部位建議采用連續焊接，根據一系列的試驗和事實證明，連續焊接可以有效分散集中應力，將應力侵蝕鋼橋的可能性降到最低。2)構件連接處盡量避免剛度的突然變化，因為該變化極易加大因幾何形狀變化而產生的應力，增大應力的后果將會直接導致裂紋的產生和發展，在焊接時應著重注意這一點，最大限度減少焊接處的剛度變化。3)注意現實中的構造細節，應著力避免連接焊縫，避免日后雨水和雜物的侵蝕。焊接裂縫會使雨水和雜物侵蝕鋼橋，因此會放大應力作用的效果。4)不建議使用偏心連接，這樣會產生附加應力，同時，還要注意特別危險部位的處理方式，在特別危險部位，建議采用螺栓接頭或者鑄造連接件來替代焊接接頭，焊接接頭發生疲勞問題的可能性是比較大的。5)名義應力可以在焊接處理之后酌情采用，對于部分構造細節，在經過專業的焊接處理之后，可以考慮采用名義應力，必要時可以考慮把名義應力運用到實際設計和建構中。同時，在鋼橋構造設計的過程中要依據理論有效預測應力作用，并根據應力預測結果進行有效防護，對重點敏感部位進行重點防護。6)防止鋼橋疲勞最有效的舉措是著力減小拉應力所引發的疲勞問題，拉應力在鋼橋結構中極易引起疲勞問題，因此，要著力控制和減小構造細節中拉應力的危害。7)制定符合我國國情的公路橋梁疲勞載荷譜，在實際中要切實落實，并加大對鋼橋承載車輛載荷的檢查力度，嚴懲違規載荷車輛，有效保護鋼橋，延長鋼橋使用壽命。并借此來評估公路橋梁的使用壽命，在有效期限內使用可以大大減少意外發生的風險。

4 結語

當今鋼橋新型形式發展迅速，疲勞性能的重要性也越來越突顯，因此，探究現代鋼橋建設中存在的疲勞問題，改進鋼橋設計工藝，并依據鋼橋設計過程中疲勞性能的影響因素，對疲勞問題出現的典型部位進行重點防護，掌握改進現代鋼橋疲勞問題的相應解決對策，對提高現代鋼橋安全性能可以提供有力保障。但是當前在鋼橋建設實踐中缺乏相應的立法規范和保障，在日后需要著力改進。

［1］李 俊，李小珍，任偉平，等．軌道橫梁與整體節點連接的疲勞試驗［J］．西南交通大學學報，2010，41(3):51-53．

［2］錢冬生．科學地對待橋渡和橋梁［M］．北京:中國鐵道出版社，2010．

［3］范勝剛，徐文平，孫大松．中承式系桿剛拱橋設計［J］．鋼結構，2005(11):98-100．