鋼橋板疲勞裂紋修復進展及合金貼片法研究

呂志林, 姜旭, 強旭紅

(同濟大學土木工程學院, 上海 200092)

正交異性鋼橋面板是20世紀50年代德國開發(fā)的一種橋面結(jié)構(gòu),主要包括鋼頂板、縱向加勁肋與橫隔板三大部分。其因具有輕質(zhì)高強、承載能力高等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于中外纜索承重橋梁、大跨度鋼箱梁等多種類型的橋梁結(jié)構(gòu)中[1-3]。然而隨著橋梁服役年限的增加,加上設(shè)計先天不足、構(gòu)造細節(jié)復雜以及重載和超載車輛增加等不利因素,鋼橋面板疲勞開裂案例大量涌現(xiàn)[4-6]。既有疲勞裂紋的不斷開展將直接導致鋼橋面板的壽命和耐久性降低,最終影響橋梁運營的安全性和可靠性。

相較于重建橋梁或更換構(gòu)件,采用各種加固方法修復疲勞裂紋能夠節(jié)約時間和經(jīng)濟成本,同時減少對環(huán)境資源的破壞。當前鋼橋面板疲勞裂紋主要維修加固方法可分為直接修復和間接修復兩大類。直接修復主要是在局部開裂部位采用如鉆孔止裂法、加補強板法、熱修復法、機械修復法等措施,核心思路是通過去除或降低裂紋尖端的應(yīng)力集中,增加裂紋附近的局部剛度和強度來延長鋼橋面板的使用壽命[7-8]。間接修復主要為高性能及超高性能混凝土鋪裝體系改進法,通過提高鋼橋面板整體剛度大幅降低易損細節(jié)的疲勞應(yīng)力幅,從而實現(xiàn)橋面板疲勞性能的提升[9-10]。然而,面對紛繁復雜的疲勞裂紋缺陷,各種修復方法具有其獨特的適用性,并且對結(jié)構(gòu)和構(gòu)件服役性能的影響程度也不盡相同。為此,現(xiàn)首先對正交異性鋼橋面板疲勞開裂問題進行總結(jié),然后回顧和評價中外常用的鋼橋面板疲勞修復方法,并在此基礎(chǔ)上介紹新型智能材料形狀記憶合金修復鋼結(jié)構(gòu)技術(shù),對形狀記憶合金修復技術(shù)在鋼橋面板疲勞修復和性能提升領(lǐng)域的應(yīng)用提出展望,以加深對鋼橋面板疲勞裂紋修復機理的認識和探究更為高效延壽的修復方法。

1 正交異性鋼橋面板疲勞開裂特征

鋼橋面板疲勞裂紋主要呈現(xiàn)鋼板母材裂紋和交叉焊縫裂紋兩種形式。根據(jù)對相關(guān)文獻鋼箱梁疲勞裂紋分布的調(diào)查[4,11],盡管正交異性鋼橋面板在構(gòu)造形式上存在部分差異,經(jīng)過對比后總結(jié)出3種典型的疲勞裂紋,主要包括:①縱肋與頂板焊接處疲勞裂紋;②縱肋與橫隔板焊接處疲勞裂紋;③橫隔板弧形切口母材處疲勞裂紋。這3種類型約占總疲勞裂紋的60%以上,如圖1所示。

圖1 正交異性鋼橋面板典型疲勞裂紋Fig.1 Typical fatigue cracks in OSDs

圖2 不同軸型車輛沿車道分布[12]Fig.2 Distribution of vehicle lanes on each axle[12]

圖3 頂板-U肋裂紋橫橋向分布[12]Fig.3 Transverse distribution of rib-to-deck cracks[12]

總體說來,決定鋼橋面板疲勞開裂的因素包括內(nèi)因和外因兩類,其中內(nèi)因主要是構(gòu)造細節(jié)存在應(yīng)力集中和焊接缺陷,外因是車輛往復荷載,特別是重載及超載車輛占比較大。以某大橋近一年運營交通流數(shù)據(jù)和疲勞損傷情況為例進行相關(guān)統(tǒng)計研究[12],大橋總體呈現(xiàn)交通量大、貨車載重高及超載現(xiàn)象普遍的特征。圖2記錄了車重大于30 kN下不同軸型車流量沿車道分布。重車道和中間車道的車流量對疲勞損傷貢獻較大,其中六軸車占比最大。因而頂板-U肋裂紋沿橫橋向主要集中分布在重車道與中間車道的輪跡正下方,其中62.5%裂紋集中在重車道范圍內(nèi)(圖3)。另外,該裂紋在縱橋向主要集中分布在剛度變化過渡區(qū)(即頂板厚度變化處)。與航空、機械和船舶等工程領(lǐng)域相比,鋼橋面板存在焊縫數(shù)量眾多、構(gòu)造細節(jié)復雜以及外部運營環(huán)境惡劣的特點,且裂紋所處位置可操作空間較小,這使得疲勞裂紋處治工作具有一定的難度。因此,鋼橋面板疲勞裂紋的修復必須充分考慮疲勞裂紋萌生和擴展的時空特性,針對不同部位裂紋開展針對性修復工作。

2 中外鋼橋面板疲勞裂紋修復方法概述

2.1 鉆孔止裂法

鉆孔止裂法是在裂紋尖端處鉆一個合適的圓孔,進而降低尖端應(yīng)力集中程度從而延緩或遏止裂紋的擴展,達到延長疲勞壽命的目的[13-14]。該修復方法操作簡便,廣泛適用于裂紋長度小于80 mm的平板母材貫穿裂紋。然而鉆孔止裂法并不總是發(fā)揮有效作用,實橋橫隔板弧形開口發(fā)現(xiàn)了二次開裂的現(xiàn)象[15],如圖4所示。究其原因在于止裂孔徑不合理、裂紋尖端無法準確定位以及維修時機選擇不當。除此之外,由于該方法存在降低結(jié)構(gòu)剛度、削弱構(gòu)件承載力等負面影響,現(xiàn)如今主要作為臨時性止裂措施,并在虎門大橋、江陰長江大橋、蘇通大橋等多座橋梁現(xiàn)場應(yīng)用。Yao等[16]通過數(shù)值分析和試驗研究了止裂孔法對橫隔板-U肋焊縫延伸裂紋的止裂效果,建議止裂孔直徑為24 mm,并且止裂孔邊緣應(yīng)與裂紋延伸線相交。另外,許多學者通過優(yōu)化、補強單一止裂孔的方式來提高止裂效果。如對止裂孔置入施加預緊力的高強螺栓[17]、粘貼較高彈性模量的碳纖維布[18]來降低孔邊應(yīng)力集中從而提高止裂作用。文獻[19]的結(jié)果表明橫隔板足尺模型的弧形開口處裂紋經(jīng)高強螺栓止裂加固后疲勞壽命達到200萬次以上,具有優(yōu)異的抗疲勞性能。因此將止裂孔法與其他維護方法綜合使用,可適用于裂紋長度較長的疲勞裂紋。

圖4 橫隔板弧形切口二次開裂[15]Fig.4 Secondary cracking of diaphragm cutouts[15]

2.2 加補強板法

加補強板法通常是采用焊接、栓接或粘接的方式將補強材料覆蓋在疲勞裂紋區(qū)域,其本質(zhì)是補強板覆蓋在裂紋上方協(xié)助開裂的板件受力,通過減小局部應(yīng)力并限制裂紋表面在疲勞荷載下的變形從而改善疲勞性能。該方法適用于尺寸相對較大、擴展能力較強的裂紋。

當補強材料采用鋼板或型鋼時,按照連接方式可分為3種修復方式,修復特點如表1所示。焊接連接由于容易引入焊接殘余應(yīng)力,焊接質(zhì)量不易控制而較少被采用。螺栓連接因其施工便利而成為另一種行之有效的選擇。為了修復橫隔板-U肋交叉處裂紋,研究者通過在U肋腹板或底板與橫隔板栓接角鋼來限制兩者之間的相對變形[20],從而遏制裂紋擴展。但由于補強鋼板尚未直接覆蓋裂紋表面,因而對穿透型長裂紋修復效果有限[21]。目前多座實橋現(xiàn)場均采用螺栓加強板覆蓋橫隔板弧形切口裂紋進行修復,現(xiàn)場應(yīng)力監(jiān)測表明弧形切口的應(yīng)力水平明顯降低[22-23]。粘貼鋼板技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,但在鋼箱梁裂紋處治中鮮有嘗試。Wang等[24]利用粘接角鋼修復某實橋U肋橫隔板圍焊裂紋,驗證了粘鋼冷維護技術(shù)的工程可實施性。De Freitas等[25]在12 mm厚頂板上方粘貼厚度為6 mm的鋼板,頂板-縱肋焊縫附近的應(yīng)力降低了55%～70%。當然加補強鋼板法也存在一定的局限性,如增加原結(jié)構(gòu)自重、使用螺栓制孔引入新的應(yīng)力集中以及重型鋼板不易運輸安裝等。

表1 加補強鋼板法

圖5 CFRP板加固橫隔板弧形切口裂紋[32]Fig.5 Cracks of diaphragm cutouts repaired by CFRP plates[32]

相對于粘貼鋼板,纖維增強復合材料(fiber reinforced polymer,FRP)因質(zhì)輕高強、耐腐蝕和抗疲勞性能好等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于工程加固領(lǐng)域,在金屬表面外貼FRP材料可有效改善鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能[26-29]。目前常用碳纖維(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)板或布對含裂紋平鋼板、帶缺陷鋼梁進行粘貼修復,通過限制裂紋張開位移和減小裂紋尖端強度因子來延長疲勞壽命,并且采用高彈性模量CFRP[29]或預應(yīng)力CFRP[30]擁有更好的補強效果。當鋼橋面板疲勞裂紋所處位置較為平整,可采用粘貼CFRP板法[31]。Ke等[32]利用3 mm厚CFRP補強板修復橫隔板弧形切口裂紋,研究結(jié)果表明:粘貼CFRP板可有效抑制裂紋擴展,加固試件的疲勞壽命為未加固的14.5倍以上,并應(yīng)用于實橋鋼箱梁裂紋處治(圖5)。Jiang等[33]采用碳纖維板修復橫隔板處延伸至U肋的疲勞裂紋,試驗結(jié)果表明該處疲勞應(yīng)力幅下降30%,且平均裂紋擴展速率降低了97%。鄧楊等[34]在試件頂板表面粘貼4 mm厚CFRP板,通過增加局部剛度降低細節(jié)應(yīng)力水平,從而使頂板的疲勞壽命提高了87%。不同于碳纖維板,碳纖維布由于可彎曲纏繞粘貼于曲面、焊接接頭等復雜結(jié)構(gòu)形式,因而更適用于修復頂板-U肋焊縫細節(jié)[35-36]。另外,文獻[37-38]提出一種在頂板-U肋細節(jié)外貼GFRP角撐的修復方法,并在實橋裂紋修復進行了有效嘗試。通常粘貼FRP失效模式表現(xiàn)為FRP與鋼板局部脫膠破壞,一定程度上可起到預警作用。但裂紋修復效果依賴于粘貼質(zhì)量,對結(jié)構(gòu)膠性能和粘貼工藝要求較高。

2.3 熱修復法

當前熱修復法主要包括焊補法和鎢極氬弧(tungsten inert gas,TIG)重熔法,其修復原理及特點如表2所示。焊補法一般用于裂紋僅沿焊縫開展,尤其適用于數(shù)量較少、長度較短和深度較淺的裂紋。當裂紋為頂板貫穿裂紋時,則可對開裂部位碳弧氣刨開坡口后進行補焊修復。焊補法雖然可以消除裂紋尖端應(yīng)力集中,但會降低原結(jié)構(gòu)補焊位置金屬和熱影響區(qū)材料韌性,必須采用合理的焊接工藝和質(zhì)量控制措施,必要時可和其他方法(如拋光、熱處理、粘貼CFRP等)結(jié)合使用[39]。而TIG重熔法是一種提高焊接接頭疲勞性能的方法,修復效果取決于重熔區(qū)的熔透率,適用于裂紋深度小于5 mm的焊縫焊趾處裂紋[41]。然而,焊補法和重熔法均為現(xiàn)場施焊,其焊接質(zhì)量及焊接后的焊縫處理不及工廠操作,最終留存的復雜殘余應(yīng)力對疲勞不利,修復效果較難評估。

2.4 機械修復法

超聲沖擊法和氣動沖擊法是在錘擊法和噴丸的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的典型機械修復法,其核心本質(zhì)均是利用高速沖擊對金屬母材或焊縫進行塑性沖擊,引入較大的殘余壓應(yīng)力,起到延緩裂紋擴展和提高疲勞壽命的作用[42-43]。超聲沖擊法以大功率超聲波為驅(qū)動力,是一種用于強化焊接接頭表面的處理方法;而氣動沖擊法則是以壓縮空氣驅(qū)動沖擊頭高速沖擊裂紋兩側(cè)的母材,使裂紋開口表面閉合,由此改善開裂部位的疲勞性能,修復示意如圖6所示。文獻[44-45]圍繞氣動沖擊法修復鋼橋面板疲勞細節(jié)展開大量的研究,驗證了該方法對頂板-縱肋細節(jié)和橫隔板-縱肋細節(jié)疲勞裂紋的修復效果,相關(guān)技術(shù)成果已納入江蘇省的地方標準[46]。綜合來看,相比長度較長的貫穿型裂紋,氣動沖擊法更適用于鋼箱梁內(nèi)數(shù)量較多的短淺表面細裂紋,特別是橫隔板與縱肋圍焊處長度小于50 mm的短裂紋。

表2 熱修復法

圖6 氣動沖擊法修復步驟Fig.6 Steps of pneumatic impact repairing

2.5 組合橋面鋪裝改進法

組合橋面鋪裝改進法的修復機理在于采用加筋水泥基材料或者高性能混凝土作為鋼橋面鋪裝層進行修復,替代原有剛度較小的瀝青混凝土鋪裝,通過剪力釘或結(jié)構(gòu)膠與下層既有鋼橋面板形成組合橋面板共同受力,以降低焊縫處疲勞應(yīng)力幅[47-48]。Shao等[47]提出鋼-UHPC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)對海河大橋進行間接修復,如圖7所示。Wang等[9]在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化,提出新型鋼板條-UHPC組合橋面板結(jié)構(gòu)并用于重度疲勞開裂的武漢軍山長江大橋,結(jié)果表明經(jīng)鋼板條與超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)組合作用后,UHPC底面的抗裂強度顯著提高。現(xiàn)場測試表明[49]鋼橋面板疲勞易損細節(jié)的應(yīng)力幅降幅明顯,疲勞壽命有望延長。另外,天津海河大橋橋面板經(jīng)過UHPC整體加固后在實際運行條件下沒有發(fā)現(xiàn)新的裂紋和裂紋擴展[50],表明該技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢。組合橋面鋪裝改進法適用于重度疲勞開裂的鋼橋面板,然而該方法需要對現(xiàn)有鋪裝進行破除,施工復雜且成本較高,另需長時間封閉交通,一定程度上限制了該方法的選用。

圖7 鋼-UHPC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)[47]Fig.7 Configurational drawing of steel-UHPC lightweight composite deck[47]

3 形狀記憶合金修復法的提出

3.1 形狀記憶合金修復機理

在FRP加固領(lǐng)域中,相對于直接粘貼CFRP材料,采用預應(yīng)力CFRP主動加固鋼構(gòu)件具有明顯的優(yōu)勢。它能夠降低鋼材的最大拉應(yīng)力和裂紋尖端的應(yīng)力水平,從而有效提升加固構(gòu)件的疲勞性能[51]。然而在實際操作中,采用機械張拉CFRP需要相應(yīng)的設(shè)備及必要的操作空間,難以應(yīng)用于狹小空間和局部的疲勞敏感部位,這顯然限制了預應(yīng)力CFRP的應(yīng)用和發(fā)展。為此,研究者開始考慮在CFRP引入形狀記憶合金(shape memory alloys,SMAs)來提供預應(yīng)力。形狀記憶合金是一種新型智能材料,對低溫冷拉產(chǎn)生塑性變形后的SMA材料加熱至特定溫度,由于內(nèi)部相變發(fā)生轉(zhuǎn)化(馬氏體→奧氏體),因而能夠恢復為初始形狀。通過有效約束其形狀恢復,SMA產(chǎn)生回復力即對損傷構(gòu)件進行自修復[52-54]。形狀記憶合金材料主要包括鎳鈦形狀記憶合金(NiTi-SMA)和鐵基形狀記憶合金(Fe-SMA)。其中NiTi-SMA主要為絲材,Fe-SMA為板材。筆者所在團隊曾對NiTi-SMA和Fe-SMA兩種不同材料進行回復力學性能試驗[54],結(jié)果如圖8所示。兩者材料的恢復力溫度曲線不同,在加熱至170 ℃后冷卻至室溫發(fā)現(xiàn)NiTi-SMA的恢復應(yīng)力較Fe-SMA的大。

圖8 形狀記憶合金恢復力恢復應(yīng)力-溫度變化曲線[54]Fig.8 Recovery stress versus temperaturecurves with heating temperature of 170 ℃[54]

由于NiTi-SMA絲由于自身剛度小,對截面剛度特性貢獻有限。為彌補這一不足,文獻[52,55]開發(fā)了一種用于修復疲勞損傷鋼構(gòu)件的SMA-CFRP補片。該貼片系統(tǒng)由SMA絲和CFRP覆蓋層組成,如圖9所示。對張拉后的SMA絲保持兩端約束,先加熱至165 ℃后冷卻至室溫。結(jié)果表明,對預應(yīng)變?yōu)?.11的NiTi-SMA絲加熱至記憶形變完全釋放后冷卻至室溫,能夠得到約390 MPa的穩(wěn)定預應(yīng)力,且40 ℃內(nèi)的冷熱循環(huán)對預應(yīng)力幾乎無影響。在應(yīng)力幅155 MPa作用下,SMA-CFRP補強單邊缺口鋼板的疲勞壽命分別是未加固試件和僅用CFRP布增強試件的26.4倍和8倍。當采用高彈性模量的CFRP與SMA絲進行組合且對粘貼表面進行噴砂處理,疲勞修復效果能進一步提升[56-57]。總體來說,采用SMA和CFRP組合加固的機理為兩個途徑:①SMA施加預應(yīng)力使鋼結(jié)構(gòu)局部平均應(yīng)力整體下移(圖10),以期抵消鋼結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)下局部鋼板內(nèi)的部分拉應(yīng)力;②粘貼CFRP增加鋼結(jié)構(gòu)局部剛度,使一部分荷載通過黏結(jié)層傳遞到CFRP上,通過協(xié)同受力降低鋼結(jié)構(gòu)損傷部位的應(yīng)力幅值。顯然,如能對CFRP粘貼區(qū)域高效施加預應(yīng)力,將大大提高其對鋼橋面板疲勞裂紋的修復效率。

圖9 SMA-CFRP組合貼片修復示意Fig.9 Schematic drawing of SMA-CFRP patch

然而采用SMA-CFRP對結(jié)構(gòu)補強施工步驟較為復雜,且常用的NiTi-SMA絲成本較高,一定程度上限制了該方法的應(yīng)用。鐵基形狀記憶合金(Fe-SMA)因價格低廉、恢復力和彈性模量較高而被學者引進鋼結(jié)構(gòu)裂紋修復領(lǐng)域[58]。由于片狀材料的截面剛度較大,因此Fe-SMA可以兼顧施加預應(yīng)力和提高截面剛度的作用。Izadi等[59]設(shè)計了不同寬度Fe-SMA栓接加固含裂紋鋼板的試件。試驗結(jié)果表明激活溫度為260 ℃時Fe-SMA中的預應(yīng)力水平范圍能達330～410 MPa,并且在損傷鋼板中產(chǎn)生35～72 MPa的壓應(yīng)力,從而減少了鋼板受拉應(yīng)力和裂紋尖端應(yīng)力強度因子。為了避免栓接打孔帶來的不利影響,Wang等[60]研究了粘接Fe-SMA板補強裂紋鋼板的新方法,試驗結(jié)果表明粘貼Fe-SMA板比粘貼CFRP板擁有更佳的補強效果,疲勞裂紋擴展壽命得以延長3.51倍。

圖10 修復機理Fig.10 Repairing mechanism

3.2 SMA修復法在鋼橋面板中的應(yīng)用展望

對于局部疲勞開裂的正交異性鋼橋面板,預應(yīng)力的有效施加受限于實際狹小的可操作空間,因而采用自應(yīng)力的形狀記憶合金(SMA)修復法具有前瞻性。雖然目前在正交異性鋼橋面板中尚未有實際應(yīng)用,但通過這一系列基礎(chǔ)性能研究可以看出采用SMA進行疲勞加固具有較好的應(yīng)用前景。利用形狀記憶合金可以在裂紋表面提供預應(yīng)力,通過改變裂紋尖端應(yīng)力場強分布來減小甚至遏制裂紋擴展,達到修復裂紋的目的。分別針對鋼橋面板橫隔板弧形切口部位和U肋對接焊縫兩種典型疲勞裂紋提出修復設(shè)想,主要是在開裂部位粘貼SMA-CFRP補片或Fe-SMA補強板實現(xiàn)對裂紋的無損加固,修復示意如圖11和圖12所示。另外,張清華等[61]提出通過栓接鐵基形狀記憶合金板并采用通電熱激勵方式使其產(chǎn)生預應(yīng)力,旨在實現(xiàn)縱肋對接焊縫疲勞開裂的主動加固,但目前該方法尚處在理論研究和有限元分析階段,止裂效果需進一步試驗驗證。

雖然SMA修復法在鋼橋面板疲勞修復領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力,但從長遠來看,還需對一些方面進行深入研究:①SMA的基礎(chǔ)力學行為尚處于起步階段,如何構(gòu)建完善的本構(gòu)關(guān)系還需大量基礎(chǔ)試驗數(shù)據(jù)支撐;②粘接界面是鋼-SMA粘接加固體系的薄弱環(huán)節(jié),因此有必要研究界面粘結(jié)機理、破壞準則以及環(huán)境影響來確保鋼材與SMA之間的長期可靠粘結(jié);③SMA的恢復應(yīng)力需通過加熱激勵獲得,因此加熱溫度對膠層力學性能的影響機理有待深入研究,且規(guī)范有效的加熱技術(shù)需進行完善。

圖11 SMA修復橫隔板弧形切口裂紋示意Fig.11 Schematic drawing of SMA repairing cutout cracks in diaphragms

圖12 SMA修復U肋對接焊縫裂紋示意Fig.12 Schematic drawing of SMA repairing U-rib butt weld cracks

4 結(jié)論

正交異性鋼橋面板疲勞開裂修復已經(jīng)成為鋼橋面板疲勞開裂問題的主要研究方向之一。首先從正交異性鋼橋面板的疲勞開裂特征出發(fā),重點闡述了中外傳統(tǒng)鋼橋面板疲勞裂紋修復技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用與研究,最后展望了智能材料形狀記憶合金在未來鋼橋面板疲勞裂紋修復中的可行性,得出如下結(jié)論。

(1)鋼橋面板疲勞裂紋修復方法可分為直接修復和間接修復,若需對實橋疲勞裂紋實現(xiàn)無損或微損修復,可根據(jù)不同疲勞開裂部位綜合選用止裂孔法、粘貼補強板法和氣動沖擊法。當裂紋延伸至母材時,可綜合選用止裂孔法+粘貼補強板法;對于焊縫處數(shù)量較多的短裂紋,可選擇氣動沖擊法。

(2)與傳統(tǒng)修復方法相比,在鋼橋面板中粘貼CFRP具有對原結(jié)構(gòu)零損傷、不引入殘余應(yīng)力等優(yōu)勢,而在CFRP中引入形狀記憶合金實現(xiàn)預應(yīng)力主動修復可以提高裂紋修復效率。因而兩種新型材料的應(yīng)用可為鋼橋面板疲勞裂紋修復提供了新的思路,具有一定的前景和應(yīng)用價值。由于采用外貼加固材料,未來有必要在構(gòu)造上和耐久性問題上進行深入研究。