鋼結構橋梁疲勞2019年度研究進展

張清華 崔闖 卜一之 李喬 夏嵩

摘 要：鋼結構橋梁具有輕質、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點，是未來一段時期中國橋梁工程的重要發展方向。但由于服役環境、荷載條件和交通需求、結構體系和構造細節設計等諸多因素的影響，其疲勞問題突出，已成為制約鋼結構橋梁可持續發展的世界性難題。作為橋梁工程的熱點研究課題，學者們在鋼結構橋梁疲勞領域進行了卓有成效的研究，現聚焦鋼結構橋梁疲勞損傷演化與服役性能劣化機理、鋼結構橋梁疲勞抗力評估與預測、鋼結構橋梁疲勞裂紋監測與檢測方法、疲勞開裂加固與維護技術等方面，對2019年度的研究進展和下階段的研究重點進行扼要的梳理和總結。分析了鋼結構橋梁疲勞關鍵問題研究方面的挑戰，具體討論了在鋼結構橋梁疲勞失效機制、疲勞抗力評估新理論新方法、疲勞損傷智能監測與檢測和疲勞開裂加固關鍵技術等方面開展深入研究的迫切需求和主要問題。

關鍵詞：橋梁工程;鋼結構橋梁;疲勞;服役性能

中圖分類號：U448.36 ? 文獻標志碼：R ? 文章編號：2096-6717（2020）05-0147-12

收稿日期：2020-03-31

基金項目：國家自然科學基金（51978579、51878561、51778533）;橋梁結構健康與安全國家重點實驗室開放課題重點項目 （BHSKL19-06-KF、BHSKL18-01-KF）;廣東省重點領域研發計劃項目（2019B111106002）

作者簡介：張清華（1975-），男，教授，博士生導師，主要從事高性能鋼與組合結構橋梁研究，E-mail：swjtuzqh@126.com。

Received：2020-03-31

Foundation items：National Natural Science Foundation of China （No. 51978579， 51878561， 51778533）; The Open Key Fund Sponsored Program of State Key Laboratory for Bridge Health and Safety （No. BHSKL19-06-KF， BHSKL18-01-KF）; Research and Development Projects in Key Areas of Guangdong Province （No.2019B111106002）

Author brief：Zhang Qinghua （1975- ）， professor， doctoral supervisor， main research interests： high-performance steel and composite structure bridge， E-mail： swjtuzqh@126.com.

Abstract： Steel bridge has outstanding advantages， such as high ratio of strength to weight， large spanning ability， easy to factory manufacturing and assembly construction， which is an important direction of future development in bridge engineering in China. However， due to the effects of multiple factors such as service environment， load conditions， traffic demand， structural system and structural detail design， fatigue is a critical issueand has become a worldwide problem restricting the sustainable development of steel bridge. As a hot research topic of bridge engineering， considerable efforts from the field of steel bridge fatigue have been done. This paper focuses on reviewing the latest research progress in the aspects of fatigue damage evolution， service performance degradation mechanism， fatigue resistance assessment and prediction， fatigue crack monitoring and detection methods， fatigue crack reinforcement and maintenance technology of steel bridge made by the domestic and foreign scholars， and briefly summarizes the research progress in 2019 and research focus of the next stage of the steel bridge. The paper analyzes the challenges of research on the key fatigue problems of steel bridge， and discusses in detail the urgent needs and major problems for further development in the aspects of steel bridge fatigue failure mechanism， the new evaluation theory and method for fatigue resistance， the steel bridge fatigue damage of the intelligent monitoring and detecting， and the key technology for steel bridge fatigue cracking reinforcement.

Keywords：bridge engineering; steel bridge; fatigue; service performance

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

但由于服役環境、荷載條件和交通需求、結構體系和構造細節設計等諸多因素耦合影響，鋼結構橋梁疲勞開裂并導致結構服役性能顯著惡化甚至直接導致災難性事故的案例，在全球范圍內頻發且呈逐年上升態勢，已成為制約鋼結構橋梁服役安全和服役質量的世界難題。疲勞問題作為鋼結構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、重載的發展方向對在役和新建鋼結構橋梁的實際抗疲勞性能提出了更高的要求，大量在役鋼結構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、模型試驗和實橋監測深化對于鋼結構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計理念、制造技術和疲勞損傷監測與檢測技術，發展高疲勞抗力新結構，建立鋼結構橋梁服役過程性能劣化控制方法與智能監測系統，解決新建和在役鋼結構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鍵問題。學者們圍繞鋼結構橋梁疲勞損傷演化與服役性能劣化機理、鋼結構橋梁疲勞抗力評估與預測、鋼結構橋梁疲勞裂紋監測與檢測方法、疲勞開裂加固與維護技術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，明確當前的研究現狀、待解決的關鍵問題以及下階段的研究重點和發展方向。

1 疲勞損傷演化與服役性能劣化機理

學者們對鋼結構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，研究內容涵蓋構造細節疲勞失效機理與疲勞抗力提升機制、鋼結構橋梁疲勞可靠度、鋼結構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計疲勞抗力

在鋼結構橋梁構造細節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]針對縱肋與頂板構造細節和縱肋與橫隔板交叉構造細節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。為了提升鋼結構橋梁構造細節的疲勞性能，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造細節的疲勞性能，提出了優化橫隔板開孔形式和設置內隔板等方法，研究表明[3，11]：優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;設置內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縱肋內焊機器人不能進入縱肋進行內側焊縫施焊等問題。聶建國[1]和張喜剛等[5]明確指出發展高性能結構是實現中國工程結構可持續發展的必由之路。深化鋼結構橋梁疲勞損傷機理的認識，并據此發展高性能新型構造細節和高性能結構，有效提升結構體系的疲勞抗力，是解決鋼結構橋梁疲勞開裂問題的有效途徑和當前的研究重點。

張清華等[8]在鋼結構橋梁結構體系失效機理與主導疲勞開裂模式確定方面的研究表明：鋼結構橋梁的疲勞失效過程由各疲勞開裂模式的疲勞致損效應與其疲勞抗力的對比關系所決定，疲勞開裂首先在疲勞致損效應超過對應疲勞抗力的重要疲勞開裂模式出現，該疲勞開裂模式即為結構體系的主導疲勞開裂模式，對應的失效路徑為結構體系的主導疲勞失效路徑。以正交異性鋼橋面板為例，其疲勞抗力由具有多疲勞開裂模式特性且疲勞抗力存在顯著差異的多個構造細節共同決定;其中，縱肋與頂板焊接細節和縱肋與橫隔板交叉構造細節的疲勞開裂占統計的大量疲勞開裂案例的91.2%，是決定正交異性鋼橋面板疲勞性能的關鍵構造細節。針對上述兩關鍵構造細節疲勞抗力不足的問題，從有效改善鋼橋面板結構體系疲勞抗力的角度出發，主要完成了兩方面的研究工作：1）通過同時引入縱肋與頂板新型雙面焊構造細節和多種縱肋與橫隔板新型交叉細節，發展了高性能新型正交異性鋼橋面板結構體系。研究表明，實現結構體系主導疲勞開裂模式的遷移，是顯著提高結構體系疲勞抗力的有效途徑。高性能新型正交異性鋼橋面板結構及其典型疲勞開裂模式如圖1所示;2）通過引入高性能混凝土結構層提高鋼橋面板局部剛度、降低U肋的面外變形，提出了大縱肋正交異性鋼高性能混凝土組合橋面板結構體系，完成了普通混凝土（NC）、工程用水泥基復合材料（ECC）和超高性能混凝土（UHPC）3類結構層條件下結構體系的力學行為和優化設計、關鍵傳力構件的靜力和疲勞性能、結構體系的疲勞失效機理等一系列的理論分析和試驗研究工作，闡明了其疲勞損傷演化全過程及其疲勞失效機制，提出了考慮混凝土劣化效應的組合橋面板結構體系疲勞抗力評估方法。

另外，在鋼結構橋梁疲勞可靠度和疲勞裂紋擴展特性等方面，李杰[12]在對工程結構整體可靠性研究的基礎上，建立了工程結構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造細節設計等因素對鋼橋面板疲勞可靠度的影響規律。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研究，得到了其疲勞裂紋擴展規律。

1.2 疲勞抗力劣化機理與服役性能劣化

黃云等[17]針對表面缺陷對構造細節疲勞抗力劣化效應的影響問題開展了探索性研究，結果表明，初始制造缺陷是決定構造細節疲勞抗力的控制性影響因素。但當前關于初始制造缺陷對鋼結構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。在鋼結構橋梁的加工制造過程與疲勞抗力的相關關系方面，黃云等[17]和Cui等[18]對于制造過程中產生的初始制造缺陷和初始殘余應力所致的鋼結構橋梁疲勞抗力劣化與失效機理問題進行了深入研究。由建造技術和方法所決定，鋼結構橋梁焊接節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、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造細節過早發生疲勞失效的關鍵。Cui等[18]從初始制造缺陷的細觀尺度形態特性和微觀金相組織形態特征出發，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構橋梁焊接節點跨尺度疲勞損傷評估模型，揭示了初始制造缺陷對鋼結構橋梁焊接節點疲勞抗力的劣化機理，結果表明：對于裂紋萌生壽命占絕對主導的鋼結構橋梁，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荷載幅值、應力比等參數所決定，如圖3所示。總體而言，該因素對鋼結構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。

在外部腐蝕環境特性對鋼結構橋梁疲勞損傷與服役性能劣化的效應機制方面，衛星等[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的實驗和理論研究，結果表明：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，在海洋橋梁工程結構中，車輛荷載與復雜海洋荷載對于結構疲勞抗力的耦合劣化機理、海水腐蝕與結構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構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，鉚接鋼桁梁橋構件和節點的疲勞抗力隨服役過程的延長而不斷劣化，進而導致結構體系的疲勞性能退化和剩余壽命降低，其疲勞問題本質上屬于多尺度經時演化問題;腐蝕和疲勞累積損傷兩種經時效應的交互作用，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，構件和節點的腐蝕與疲勞損傷相互促進，二者的交互作用將在構件和節點層面導致其疲勞開裂模式遷移，并加速疲勞抗力劣化，進而導致結構體系層面的主導疲勞失效路徑遷移，疲勞性能發生經時演化，如圖4所示。關于經時演化過程、關鍵影響因素及其效應機制等方面的研究當前正在進行中。

2 鋼結構橋梁疲勞性能評估

2.1 疲勞性能評估方法

當前廣泛采用的鋼結構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關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、結構應力法和切口應力法等在鋼結構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進行了壽命評估。祝志文等[25]基于實橋監測數據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構焊趾處的應力集中效應，但計算結果易受模型有限元網格的尺寸影響。Luo等[26]采用切口應力法對鋼橋面板頂板與縱肋連接構造細節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造細節的疲勞抗力。Wang等[27]對鋼橋面板頂板與縱肋構造細節的疲勞裂紋擴展機理進行了探究，在此基礎上采用切口應力法對該構造細節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極為敏感，而在焊接過程中，焊縫的尺寸在一定的范圍內波動且隨機性較大，實際上難以準確確定實際焊趾部位的準確幾何參數，在一定程度上限制了切口應力法的應用。Li 等[28]針對鋼橋面板關鍵構造細節多開裂模式條件下的焊接節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損效應，對實際交通荷載作用下的鋼結構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構橋梁跨尺度疲勞損傷評估方法，考慮了車輛的動態響應對實橋進行壽命評估。傳統斷裂力學方法用于疲勞壽命評估結果的關鍵問題在于評估的準確性高度依賴評估模型中參數的取值，而相關參數受外界環境和結構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果的離散性。基于斷裂力學和損傷力學的疲勞性能評估方法仍有待進一步研究。

在鋼結構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構橋梁關鍵構造細節的單一開裂模式，通常不考慮結構體系的多疲勞開裂模式特性，因此無法確定結構體系的主導疲勞開裂模式和結構體系的實際疲勞抗力。為此，張清華等[8]基于鋼結構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構體系疲勞抗力評估方法，并對其在鋼結構橋梁疲勞抗力評估中應用的關鍵問題進行了系統深入的研究，證明了其適用性、先進性和優越性[8，28]，如圖5所示。

2.2 疲勞損傷狀態預后

在既有鋼結構橋梁疲勞損傷狀態預后方面，Cui等[34]結合動態稱重系統（WIM）的車輛實測數據，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構橋梁疲勞損傷概率預測方法。研究結果表明：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域的疲勞損傷遠大于非輪載作用區;不考慮焊接殘余應力將導致鋼結構橋梁疲勞損傷評估結果偏于不安全。在此基礎上，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，結合實時監測交通荷載數據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、車輛橫向分布等關鍵影響因素的效應，實現未來一段時間內鋼結構橋梁的疲勞損傷預后。在此基礎上，通過集成數據處理，特征值提取、故障診斷和損傷預后等模塊，初步建立了鋼結構橋梁疲勞損傷智能監測與評估系統。相關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項目中得到了成功應用。

3 鋼結構橋梁疲勞裂紋監測與檢測

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];通過結構響應監測信息識別結構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]通過橋梁結構健康監測系統所獲取的結構響應數據反演結構的損傷狀態并識別損傷。該類方法的損傷識別結果與傳感器的類型和布設位置有關，在高冗余度結構的局部微小損傷監測與識別方面仍面臨困難和挑戰[40-41]。在橋梁健康監測領域，為降低橋梁結構的運維成本、提高橋梁結構損傷檢測的時效性與魯棒性，深度融合新一代信息技術，發展新一代橋梁損傷監測與檢測技術是未來的重要發展方向[42-43]。李宏男等[44]和朱宏平等[45-46]分別構建了不同的神經網絡模型，建立了監測數據與結構損傷狀態之間復雜的映射關系，達到了快速識別結構狀態的目的。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構裂紋識別方法，實現了結構表面淺層疲勞裂紋的遠程智能化監測。鐘新谷等[50]發展了以無人飛機為工作平臺的橋梁結構表面裂縫形狀與寬度識別的檢測系統。為檢測結構內部或隱蔽裂紋，基于聲發射技術的無損檢測方法在橋梁結構得到了廣泛應用[51]。王介修等[52]基于超聲波在裂紋面處的反射與衍射原理，提出了鋼結構橋梁疲勞裂紋特征參數的定量檢測方法，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]研究了聲發射傳感器位置和數量等參數對疲勞裂紋回波的影響問題，通過鐵路鋼結構橋梁疲勞裂紋的實橋監測，闡明了聲發射信號與裂紋擴展之間的內在關聯機制。何燕等[54]通過試驗確定鋼絞線損傷過程的聲發射特征，以聲發射特征參數作為損傷程度指標，建立了基于聲發射技術的橋梁鋼絞線損傷演化過程監測系統。由于大多數基于聲發射技術的檢測方法易受人為操作經驗、服役環境等不穩定因素干擾，且檢測僅限于傳感器安裝位置的局部范圍內。為滿足大跨度鋼結構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，闡明了超長距離檢測條件下超聲導波關鍵特征參數對裂紋檢測結果的影響規律。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]、基于聲發射技術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]結合智能檢測技術的最新發展和鋼結構橋梁疲勞問題的基本屬性，初步探索了鋼結構橋梁疲勞裂紋定位與識別的智能化方法：1）對超聲導波鋼結構疲勞裂紋檢測問題進行了全過程數值模擬和試驗研究，結果表明，超聲導波在橋梁構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測方法進行了理論研究與數值模擬，結果表明，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的裂紋識別理論，提取了實際裂紋圖像中的形態特征，與實測值的對比結果表明，計算機視覺技術在應用于疲勞裂紋測量時有較高的可靠性;4） 將深度學習引入結構損傷狀態的模式識別中，用于識別和挖掘時域信號、圖像信號中的損傷信息，結果表明，以監測數據為基礎、以模損傷模式識別為目標的神經網絡系統在實際工程中有廣闊的應用前景。其在當前鋼結構橋梁疲勞裂紋智能定位與識別方法的主要研究內容如圖6所示。

4 鋼結構橋梁疲勞加固與維護

學者們針對鋼結構橋梁在服役期出現的疲勞開裂加固與維護問題進行了理論和試驗研究，提出了多種加固和維護方法，主要包括：止裂孔法[61]、裂紋閉合沖擊改進技術（Impact Crack-closure Retrofit， ICR）[62-63]、裝配式加固法（CFRP、FRP和鋼構件等）[64-72]和組合結構體系方法[73-75]。吉伯海等[61]針對止裂孔的孔徑和空間位置對鋼橋疲勞開裂加固效果的影響問題進行了研究，并根據試驗與理論分析確定了加固效果較優的止裂孔孔徑等;Kinoshita等[63]和吉伯海等[62]通過模型試驗研究了ICR加固方法在鋼橋疲勞開裂加固中的適用性問題，對于采用ICR法加固時疲勞裂紋與沖擊區域的合理距離給出了建議值;童樂為[64]、王春生等[65]、Liu等[66]、李傳習等[67]和Al-Azzawi等[68-69]通過粘貼、栓接或粘栓混合連接等裝配式連接方式與既有結構連接，提出了對既有結構微損傷或零損傷的冷維護方法;Lzadi等[70]提出了采用鐵基形狀記憶合金（Fe-SMA）對鋼桁梁橋的疲勞開裂進行加固的方法，并通過疲勞試驗驗證了其適用性和可行性;邵旭東、田啟賢和吳沖等[71-72]采用UHPC作為結構層，對正交異性鋼板面板的輕型組合橋面結構加固方法進行了深入研究;Kolstein等[73]提出了采用夾層鋼板加固縱肋與頂板焊接細節疲勞裂紋的加固方法。Kinoshita等[74]采用超聲沖擊方法對鋼橋進行了加固，結果表明，超聲沖擊可有效改善焊接接頭的應力集中問題，降低焊趾局部微觀缺陷和焊接殘余應力的不良效應，顯著提高鋼橋焊接接頭的疲勞抗力。卜一之等[75]對鋼結構橋梁疲勞開裂的加固方法進行了試驗和理論研究，圍繞止裂孔、激光熔敷等加固方法對加固效果的關鍵影響因素開展相關研究。張清華[76]等發展了鋼橋面板栓接鋼構件的裝配式加固方法并通過試驗與理論分析驗證了其加固效果，并提出了一種基于新型智能材料——形狀記憶合金（SMA）的鋼結構橋梁主動加固方法，研究了主動加固方法對鋼結構橋梁疲勞開裂的加固效果，闡明了SMA加固件對鋼結構橋梁疲勞裂紋擴展的抑制機理，如圖7所示。

5 結論與展望

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略和中國大力推廣鋼結構橋梁的歷史機遇，引入數學、力學、理論分析、試驗檢測技術、加工制造技術和人工智能等領域的最新成果，在基礎理論和重大工程應用兩方面繼續努力，進一步深化對于鋼結構橋梁疲勞失效機制的認識，發展新的理論與方法，根據實際需求拓展新的研究領域，通過創新性成果為鋼結構橋梁的可持續發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構橋梁疲勞開裂問題本質屬性的認識、提高結構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構橋梁中逐步得到推廣應用，在非氯離子腐蝕環境，如極寒、高海拔地區具有廣闊應用前景。近年來，中國在耐候鋼制造技術方面取得了快速發展和進步，但耐候鋼結構橋梁技術還處于起步階段。亟需探究外部腐蝕環境下多物理場作用對于耐候鋼結構橋梁的耦合疲勞致損機理;提高鋼材的強度等級并發展高強度耐候鋼，進一步推進橋梁工程的輕質、高強、大跨和耐久等多個維度的協同發展;結合高性能材料基礎理論研究成果和實際需求，發展適用的自動化、智能化焊接技術，推動耐候鋼結構橋梁產業化進程。

2）對于鋼結構橋梁疲勞失效機理等基礎科學問題的研究，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，闡明疲勞裂紋萌生和擴展過程的微觀和介觀機制，明確關鍵影響因素對于疲勞性能的效應機理;② 進一步發展評估方法，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造細節和特定的疲勞開裂模式拓展至結構體系，進一步完善結構體系的疲勞抗力評估方法;④ 揭示腐蝕等環境因素的疲勞性能效應機制，闡明服役過程構造細節和結構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，構建面向疲勞性能的鋼結構橋梁全壽命過程全息模擬和預測理論與方法。

3）在鋼結構橋梁疲勞損傷監測與檢測方面，當前仍主要以人工巡檢的方式對在役鋼結構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、保障鋼結構橋梁的服役安全和服役質量，亟需發展橋梁檢測新技術，實現鋼結構橋梁損傷狀態的實時智能監測和檢測。由于鋼結構橋梁的疲勞行為屬于典型的局部微小區域剛度退化行為，對高冗余度鋼結構橋梁整體剛度的影響極小，傳統的監測或檢測技術難以實現對于疲勞開裂早期微小裂紋的準確檢測。發展針對鋼結構橋梁疲勞微裂紋的智能化監測與檢測方法，研究并建立鋼結構橋梁疲勞損傷的智能監測與檢測系統，是下階段的關鍵研究課題。

4）在鋼結構橋梁疲勞加固與維護方面，當前關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 鋼結構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，只有闡明關鍵疲勞易損部位疲勞開裂與加固體系協同受力性能劣化的耦合機理，才能夠實現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造細節到結構體系的多維度研究，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同受力性能劣化的耦合過程，提出基于協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 關于加固技術產業化的研究嚴重滯后于實際需求。亟需根據鋼結構橋梁典型疲勞裂紋的擴展特性，對已提出的多種鋼結構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，在此基礎上，研發相應的裝配化、規格化加固結構產品并發展鋼結構橋梁疲勞開裂快速加固成套體系。參考文獻：

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（編輯 胡玲）