大橋鋼箱梁疲勞損傷評估及試驗方法研究

鄒建波，張嘯晨

江蘇潤揚大橋發(fā)展有限責任公司，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)出結構不斷輕型化、橋型更加多元化、跨徑不斷增大等特點。隨著我國交通和運輸壓力的逐年增大，對鋼箱梁橋的荷載要求也隨之提高，很多鋼箱梁橋因為自身的荷載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，鋼箱梁橋具有構件切口多、橋面構造復雜等建造特點，有必要采取科學的試驗方法對其疲勞損傷進行評估。

1 我國鋼箱梁大橋應用現(xiàn)狀及其常見疲勞損傷

我國鋼箱梁大橋的建設起步較晚，在20世紀80年代才開始步入正軌。但是，在我國橋梁建設技術人員的不斷努力下，我國的鋼箱梁大橋建設事業(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的一座高峰，標志著我國橋梁建設水平的逐漸成熟，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構，其承受的疲勞應力幅遠大于普通公路橋梁。鋼箱梁大橋由于本身有著非常強的堅固性，只要在設計階段符合設計規(guī)范，一般不會出現(xiàn)變形過大的情況，涂裝劣化的問題也可以在日常的養(yǎng)護過程中被及時發(fā)現(xiàn)并處理。目前，鋼箱梁橋涂裝劣化的護理技術已經(jīng)比較成熟，涂裝劣化一般不會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)部結構中，試驗難度較大，修復難度也相對較大，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力幅度時才會產(chǎn)生，在設計階段有明顯的設計缺陷或在建造施工階段存在明顯的施工問題時也會引起鋼箱梁大橋的疲勞開裂[1]。鋼箱梁大橋結構復雜，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存在一些因為施工疏漏造成的原始裂紋，在這些原始裂紋易出現(xiàn)的地方，可能存在應力集中的問題。在鋼箱梁橋中，結構設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荷載帶來的應力幅度變化，車輛的變幅荷載會使大橋鋼箱梁的穩(wěn)定程度進一步降低，進一步擴大橋身內(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累積擴大，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)生嚴重損壞。因此，對大橋鋼箱梁的疲勞損傷情況進行定時評估測驗具有重要意義，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算需要依照材料特性、精確的荷載譜、構件的S-N曲線、累積損傷理論、裂紋擴展理論等主要因素。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鍵疲勞易損傷部位的疲勞試驗數(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行評估。（2）依據(jù)斷裂力學理論對大橋鋼箱梁的使用壽命和疲勞損傷情況進行評估。

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，雖然能夠對鋼箱梁橋初始施工環(huán)節(jié)的材料缺陷進行準確評估，但大橋在應用過程中其真實狀況會發(fā)生較大的變化，該方法不能對鋼箱梁橋的實時疲勞損傷情況進行準確評估，其評估結果與鋼箱梁橋的實際疲勞損傷情況往往差距較大。同時，該方法的試驗結果受到施工工藝的制約。基于斷裂力學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力場作為研究對象，對鋼箱梁橋內(nèi)部疲勞裂紋的擴展和亞擴展進行研究，并用力學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荷載應力幅度下的疲勞使用壽命進行計算[2]。

3 大橋鋼箱梁疲勞損傷試驗方法

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

在模型試驗法的基礎上，可將試驗結果和理論分析結果進行比對，采用S-N曲線和Miner線性累積損傷理論相結合的評估方法或者基于斷裂力學的評估方法，對大橋鋼箱梁的疲勞損傷情況進行研究。研究結果表明，車輛的變幅荷載是造成大橋鋼箱梁疲勞損傷的關鍵因素，車輛荷載量的精準程度對大橋鋼箱梁疲勞損傷情況的試驗結果有直接影響。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準疲勞車模型下的計算方法，同時給出了相應的大橋鋼箱梁的設計規(guī)范。我國在進行強度設計時標準活荷載的最不利布置作用效應方面進行了明確。

目前，我國對大橋鋼箱梁疲勞損傷情況的計算方法主要是參考歐美國家已經(jīng)比較完備的模型試驗法數(shù)據(jù)計算規(guī)范，但是在進行數(shù)據(jù)計算時，并沒有基于大量大橋鋼箱梁疲勞損傷試驗的有效試驗數(shù)據(jù)形成的可參考的疲勞強度曲線。國內(nèi)對于大量大橋鋼箱梁疲勞損傷情況的試驗一般是足尺模型試驗，需要大型液壓伺服疲勞試驗機進行異步或同步加載。該方法不僅加載方式比較單一，還需要耗費較長的加載時間，對于大橋鋼箱梁的某些局部部件進行疲勞損傷情況測試時，需要對多個試件進行加載，將消耗大量的能量，試驗效率低，試驗成本相對較高[3]。

對于大量大橋鋼箱梁疲勞損傷試驗中的小試件，韓國等國家采用的試驗方法是通過剝離試驗機的方式對裂紋發(fā)生時產(chǎn)生的撕裂能進行檢測，據(jù)此對大橋鋼箱梁疲勞損傷程度進行判斷。該方法可以節(jié)約大橋鋼箱梁疲勞損傷情況試驗的實踐成本和經(jīng)濟成本，是一種較為經(jīng)濟、高效的大橋鋼箱梁疲勞損傷試驗方法。日本學者設計出的大橋鋼箱梁疲勞損傷試驗方法是通過振動器對大橋鋼箱梁的設計結構重復進行荷載測試，得出不同荷載情況下的大橋鋼箱梁疲勞損傷結果。

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

4 結束語

大橋鋼箱梁的疲勞損傷對其使用壽命具有直接影響，因此需要及時發(fā)現(xiàn)、精準評估鋼箱梁的疲勞損傷，并有效解決，讓其發(fā)揮出應有的使用價值。對于大橋鋼箱梁的疲勞損傷評估有利于對其進行加固修復，這需要相關學者不斷探究新的疲勞試驗手段、加固手段，通過對鋼箱梁大橋細節(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，進一步提升鋼箱梁大橋的使用性能。