高強螺栓連接鋼板增強含裂紋橫隔板的疲勞壽命評估*

曾劍波， 陳卓異， 譚勝， 趙希成

(長沙理工大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410114)

橫隔板是鋼箱梁橋常用的結構形式。在車輪荷載作用下，橫隔板與橋面板連成整體，有效降低荷載橫向分布系數，提高正交異性鋼橋面板的極限承載力。但橫隔板需承擔較大的面外彎曲應力，位于弧形切口處的疲勞裂紋為橫隔板母材的主要疲勞病害之一，有效解決橫隔板弧形切口疲勞問題迫在眉睫。橫隔板弧形切口的疲勞性能受鋼橋面板細部構造、焊接工藝及重載等因素影響較大，不少學者對其優化加固開展了研究。Choi J. H.等在弧形切口疲勞裂紋尖端處設置止裂孔進行加固，但當裂紋周圍應變過大時，止裂孔并不能有效抑制裂紋的進一步擴展。祝志文等認為橫隔板厚度大于12 mm時，弧形切口處疲勞裂紋應力幅小于截止應力幅，為無限疲勞壽命。陳卓異等認為優化弧形切口的圓弧半徑、直線長度和傾角可降低其峰值應力。吳有俊等采用優化弧形切口+鋼板補強的加固方案，應力降幅明顯且加固后未產生疲勞裂紋。李傳習等通過“止裂孔+弧形切口優化+雙面補強鋼板”的處治方案，采取較大的弧形切口半徑、4 mm厚補強鋼板和細化補強鋼板參數等措施，有效提高了橫隔板弧形切口處的疲勞壽命。既有研究對橫隔板弧形切口疲勞裂紋的加固不夠系統全面，補強鋼板的位置和參數設計無相同標準，未考慮螺栓孔位對弧形切口邊緣距離的影響，不能全面分析優化細部構造的影響因素。本文以實際存在疲勞病害的鋼箱梁為研究對象，進行運營荷載動應變測試，得到局部構造細節的應力譜，基于雨流計數法預測構造細節的疲勞壽命，為后續優化加固策略制定提供依據。

1 工程背景

1.1 弧形切口疲勞裂紋概況

某自錨式懸索橋，主跨采用正交異性鋼橋面板結構，橋梁立面布置見圖1。2014年對該橋進行病害檢查，發現一定數量疲勞裂紋病害，主要包括橫隔板弧形切口處疲勞開裂、橫隔板與U肋交接處疲勞開裂、橫隔板與橋面板連接處焊縫開裂等，其中橫隔板弧形缺口疲勞開裂病害占全橋所有病害的77%。橫隔板弧形缺口疲勞開裂病害多位于非吊點處10 mm厚橫隔板的弧形切口位置，占該類病害的95%，且左幅弧形切口周邊裂紋數量多于右幅，左幅弧形切口疲勞裂紋占67.8%。橫隔板弧形缺口疲勞裂紋見圖2。

圖1 橋梁立面布置(單位：cm)

圖2 弧形切口處母材裂紋

該類疲勞裂紋從弧形切口起彎點處開始萌生擴展，主要集中于重車道對應的中室及邊室的弧形切口周邊區域，快車道對應的弧形切口位置亦存在少量疲勞裂紋，超車道及慢車道對應位置未見疲勞裂紋，說明這類病害與車輛質量、數量和橫隔板厚度緊密相關。選擇左幅鋼箱梁作為加固試驗段。

1.2 弧形切口修復方案

(1) 結合止裂孔、弧形切口優化和鋼板補強加固的優點，在距裂紋擴展端頭0.5～1.0倍板厚位置鉆止裂孔，抑制裂紋進一步擴展。止裂孔設置在裂紋擴展危險區或加固裂紋區域，距離弧形切口圓弧邊緣至少20 mm。

(2) 在橫隔板上對“優化切口形狀”進行劃線定位，并對橫隔板優化弧形切口進行切割。對橫隔板弧形切口處短小裂縫(裂縫長度L≤25 mm)進行“弧形切口優化”加固，加固方案見圖3。對橫隔板弧形切口處中長裂縫(裂縫長度L>25 mm)進行“弧形切口優化+雙面鋼板補強”加固，在弧形切口優化的基礎上，通過高強螺栓把兩塊補強板固定在橫隔板出現裂紋的區域，加固方案見圖4。

圖3 裂縫長度L≤25 mm時的加固方案

圖4 裂縫長度L>25 mm時的加固方案

1.3 橫隔板螺栓優化方案

該橋螺栓孔直徑大多為21 mm，橫隔板厚度為12 mm和10 mm，補強鋼板厚度為10 mm。根據《鋼結構設計規范》、《鐵路橋梁鋼結構設計規范》和《公路鋼結構橋梁設計規范》對螺栓孔距的規定，按照從嚴的標準，鋼箱梁橫隔板加固螺栓孔間距要求為：外排螺栓孔中心間距為63～120 mm；沿對角線方向螺栓孔中心間距≥63 mm；中間行列上螺栓孔中心間距為63～160 mm；螺栓孔中心距構件邊緣的距離為31.5～80.0 mm。

螺栓孔的放樣定位：1) 加強鋼板最下排6個φ21螺栓孔、從上至下第二排2個φ17外側螺栓孔在工廠鉆孔。2) 橫隔板母材的螺栓孔與加強鋼板匹配鉆孔。3) 加強鋼板其余孔位在橫隔板原位按設計孔位放樣。4) 放樣后檢查各孔距是否滿足規范要求，若不滿足，則適度調整孔位，必要時增減1個孔位，以滿足要求。5) 根據最終確定的放樣孔位進行橫隔板原板鉆孔和加強鋼板匹配鉆孔。

由于現場施工的原因，存在制造與加工缺陷，螺栓孔距弧形切口邊緣的距離小于10 mm時，重做補強鋼板，補強鋼板上不設止裂孔，在距離止裂孔48 mm位置設置新的螺栓孔(見圖5)。根據有限元計算結果，按照上述間距，補強鋼板弧形邊緣應力由原來的24.7 MPa增加至43.6 MPa，距邊緣較近的螺栓孔周邊應力也達到40 MPa(見圖6)。

圖5 補強鋼板螺栓孔的調整

圖6 補強鋼板應力分析結果(單位：Pa)

2 實橋裂紋修復與試驗方案

2.1 測點布置

弧形切口疲勞裂紋主要位于重車道和快車道，沿橫橋向選擇4個加固后弧形切口進行應變測試。圖7中圓圈所示為弧形切口，測點布設在橫隔板弧形切口圓弧上，粘貼于弧形切口內側(見圖8)，其中測點B用于測量運營荷載作用下動應變，其余測點用于測量弧形切口的靜應變。測點現場布置情況見圖9。

圖7 動應變測點布置方案(單位：cm)

圖8 應變測點布置局部放大(單位：mm)

圖9 應變測點現場布置

2.2 試驗結果分析

采樣頻率為100 Hz，采集一周?？紤]到現場環境的影響，先評估車輛荷載再對所采集的數據進行合理性分析。去除溫度影響后，實際運營荷載作用下應力譜見圖10～13，應力譜采用不小于29 MPa的應力循環。

從圖10～13可以看出：在車輛載荷作用下，4#弧形切口的應力為30～40 MPa，循環次數隨著應力循環的增加隨機地減小。而公路鋼橋疲勞應力譜的基本特征應為逐漸連續減少，4#弧形切口不符合該特征。

圖10 1#弧形切口的應力譜(去除溫度影響后)

圖11 2#弧形切口的應力譜(去除溫度影響后)

圖12 3#弧形切口的應力譜(去除溫度影響后)

圖13 4#弧形切口的應力譜(去除溫度影響后)

圖14、表1分別為各弧形切口的循環次數(大于29 MPa)和疲勞損傷。從圖14、表1可以看出：4#弧形切口的循環次數為174 990次，該橋一天內通過的重載卡車不可能有如此之多。因此，后續分析中主要依據1#、2#和3#弧形切口的數據。

圖14 各弧形切口的循環次數

2.3 疲勞壽命預測

根據歐洲Eurocode3規范，名義應力譜對應的疲勞強度曲線公式為：

(1)

N≤108次)

(2)

式中：ΔσR為細節承受的應力范圍；NR為對應疲勞壽命；ΔσC為細節類型；ΔσD為常幅疲勞極限；m為常數，ΔσR<ΔσD時，m由3變為5。

Eurocode3規范還確定了循環次數為108次時的應力截止限ΔσL：

(3)

ΔσR≤ΔσL時，認為該細節的疲勞壽命是無限的。因此，也可以將ΔσL視為變幅疲勞作用的應力門檻，在實際計算過程中，應將小于ΔσL的應力循環從應力譜中剔除。

表2為Eurocode3規范中疲勞細節S-N曲線參數。選取Eurocode3規范的疲勞強度曲線進行疲勞壽命評估，根據細節的受力特征和實際構造，弧形切口細節的類型為70。

表2 Eurocode3規范中疲勞細節S-N曲線參數 MPa

根據式(1)、式(2)，可將疲勞強度曲線改寫為：

(4)

ΔσR<ΔσD)

(5)

應力幅ΔσR≥ΔσD時，疲勞強度系數為KC；應力幅ΔσR<ΔσD時，疲勞強度系數為KD。對于弧形切口細節70，KC、KD分別為7.14×1011和1.88×1015。

根據式(4)、式(5)，由應力循環產生的疲勞損傷為：

(6)

(7)

式中：n為應力S的作用次數；N為與S對應的疲勞壽命。

根據線性損傷累積理論(Palmgren-Miner法則)，在變幅荷載作用下，弧形切口處的細節疲勞損傷計算公式為：

(8)

式中：ni為S>ΔσD的作用次數；nj為S≤ΔσD的作用次數。

實際運營荷載作用6 d后，所有弧形切口的循環次數和疲勞損傷的日平均值見圖15、圖16。從圖15可以看出：4#測點的循環次數日平均值為154 905次，從該橋目前運營車輛荷載的現狀來看，循環次數結果失真偏大。從圖16可以看出：受鋼箱梁頂板構造特征的影響，同一車道相互靠近的兩個動應變測點的循環次數和疲勞損傷存在較大差異。

圖15 6 d循環次數日平均值

圖16 6 d疲勞損傷日平均值

據此，可根據下式計算各弧形切口的疲勞壽命：

(9)

式中：N為弧形切口的疲勞壽命，以年表示。

表3為疲勞壽命預測結果。從表3可以看出：所有車道的壽命都由原本開裂狀態提升到30年以上的運營狀態，但都小于橋梁的設計年限，需要在后期維護管養中予以重視。

表3 所有弧形切口的疲勞壽命

3 結論

(1) 對于弧形切口疲勞裂紋，在止裂孔的基礎上，短小疲勞裂紋可采用“弧形切口優化”的加固方案，中長疲勞裂紋可采用“弧形切口優化+雙面補強鋼板”的加固方案。

(2) 補強鋼板采用工廠部分預制鉆孔、現場部分鉆孔的方法，補強鋼板的外形需圓滑過渡，避免倒角處產生應力集中效應。根據有限元分析結果，孔距太近或邊距偏小，會在兩孔之間的鄰近區域形成新的薄弱位置，容易導致螺栓孔與弧形切口邊緣之間位置應力集中，加大補強鋼板產生裂紋的可能。

(3) 施工過程中的應力監控結果表明，1#(快車道)、2#(快車道)和3#(重車道)弧形切口的預測疲勞壽命分別為30.9年、48.8年和32年，運營狀態的疲勞壽命得到有效提升。