浅谈钢桥的疲劳和断裂

浅谈钢桥的疲劳和断裂

摘要:本文针对疲劳研究的必要性、疲劳损伤机理、钢桥疲劳裂纹维修措施进行了探讨，仅供参考。

关键词:钢桥；疲劳；断裂

引言

曾经有几座老钢桥因为有疲劳开裂而没有被发现，在某一天突然断裂，造成严重事故。例如，韩国圣水大桥悬挂跨落水事故，死亡32人，受伤127人，汽车15辆落水。这些事故使人谈虎色变。

一、疲劳研究的必要性

公路钢桥的疲劳是指在车辆荷载的反复作用下构件在低于钢材屈服强度的情况下发生的脆性破坏。钢结构构件最常遇到三种破坏形式：拉构件强度破坏、压构件失稳破坏、反复拉压构件疲劳断裂。其中疲劳与断裂是钢构件失效的最可能原因。据美国1982统计结果，80%-90%钢桥的破坏与疲劳断裂有关，1967年美国西弗吉利亚州的Point Pleasant大桥在没有任何征兆的情况下突然倒塌，造成46人死亡，调查结果显示是由于一拉杆下缘产生解理断裂。警醒下，各国对疲劳给于了相当的重视，随着工程实践和研究的加深，规范也在不断的修订和更新。

由于我国公路钢桥规范的落后导致了钢桥在设计、施工与养护时，不得不参考和使用英国、日本、美国等国外的规程和技术标准，而实际这些国外的规程和技术标准又不完全适合我国的国情。进行我国公路钢桥的抗疲劳设计,保证钢桥长期安全使用是摆在桥梁工作者面前的重要研究课题。

二、疲劳损伤机理

疲劳是造成桥梁损伤，影响桥梁使用年限的主要因素。目前桥梁钢结构大多使用焊接工艺，在焊接区域，桥梁结构由于当初设计的不合理性和反复重载作用下，很容易产生应力，从而在钢结构上产生疲劳裂纹，缩短钢桥的寿命。

在钢桥结构中，由于变形引起疲劳裂纹主要分为两种：一种是腹板的呼吸疲劳，当板梁腹板的长宽比、高厚比超过一定限度时，在大于屈曲荷载的面内的荷载作用之下，腹板将会产生更宽的面外位移，而这个面外位移又将反过来在焊接板的边缘形成较高的弯曲应力。长此以往，在重复荷载的作用下，将产生疲劳裂纹，最终使得钢结构提前失去效应。另一种疲劳裂纹是由于桥梁设计时没有料想到横向与纵向构件之间相互作用而产生的，这种现象一般出现在主梁腹板的间隙细节处。

1、钢桥腹板呼吸疲劳损伤

在钢桥设计中，设计师由于采用极限能力设计法，倾向于将腹板设计的薄一些，以便获得更好的经济收益和社会效益。但是当这种高薄的腹板受到大于屈曲荷载时，会出现显著的“呼吸特征”，久而久之就会在腹板焊缝边缘产生大量的疲劳裂纹和缝隙。

早在1960年，美国学者就开始研究呼吸疲劳了。Mueller和Yen对15片主梁腹板（厚度5-10mm，翼缘厚度15-40mm，高厚比129-287，高宽比0.5-2.4的足尺板梁）进行了一系列试验。试验结果表明：其中9片主梁腹板出现疲劳裂纹的最大荷载为0.5-1.0倍的理论极限荷载；其余6片主梁腹板出现疲劳裂纹的最大荷载为0.50-0.85倍的理论极限荷载。通过对这些主梁腹板进行弯曲、剪切载荷的受力分析，得到一系列测量值，然后从实测曲线图得到疲劳裂纹位置的二次弯曲应力。

2004年，德国的Kuhlmann、Gunther用数值分析的方法分析研究了纵向加劲，观察其结构如何影响呼吸疲劳，通过一系列测量数据推得如下关系式：公路桥梁：h/t≤4L+30≤300(e0≤a/250)；铁路桥梁：h/t≤3.3L+55≤250(e0≤a/250)

式中L为梁的跨径，单位m，且L≥20m；h/t为腹板的高宽比；e0为初始缺陷。

Kuhlmann、Gunther认为在设计腹板时，采用满足公式的高厚比，能有效避免腹板的呼吸疲劳。

2、钢桥的腹板间隙变形引起的疲劳

钢桥腹板的面外变形引起的疲劳问题比腹板的呼吸疲劳更加普遍，在多种桥梁造型中都会有面外变形所引起的一系列疲劳裂纹。

1963年，Mueller、Goerg、Yen设计出了T型小试件的试验原型，用于模拟翼缘——腹板的边界条件。l977年，Fisher对试验结果进行分析研究，研究结果表明：合理评估腹板缝隙疲劳抗力的下限值为C类细节。但他们未能解决将小试件的实验结果推广到大试件，而且实验次数也不够多，对于C类细节的结论也只能用来近似评估结构的细节抵抗疲劳的情况。

1982年，FISher对美国的部分桥梁进行调查研究，在140座产生裂纹的桥梁中，在这中间，63座桥梁的疲劳裂纹是由于钢桥构件的面外变位引起的。

1988年，Catiulinni等对钢桥面外变形造成的疲劳问题进行分析，详细研究了可能造成疲劳的两个参数：腹板缝隙长度L（分别为0mm，50mm，100mm）和缝隙位置处的腹板厚度t。实验数据表明：变形方向与荷载施加方向有明显的关系，腹板间隙相对面外变形随着腹板厚度t的增大而减小，但当腹板间隙长度为50mm时，t增大会导致腹板间隙的应力急剧加大；腹板缝隙长度为100的时侯，t加大对腹板缝隙的应力作用大小很小。由上述结果得：L的变化对面外变

形影响小，但增大t可使面外变形减小。基于上述分析研究结果，笔者认为修复措施应为：适当增大腹板间隙的宽度t和长度L，来减小变形，从而减少变形引起的疲劳裂纹。

2003年，Schultz与Jajich通过利用有限元ANSYS模型分析，对横隔板交错布置的桥梁结构进行研究。研究表明：结构相邻的纵向梁的位移差所产生的连接板转角是造成面外变形的主要因素。并给出了未考虑混凝土桥面板作用的面外应力的计算公式。

三、钢桥疲劳裂纹维修措施

当钢桥出现裂纹时，应及时进行维修并估算钢桥的剩余使用寿命，尤其是那些已经使用很久的老桥，旧桥，以免给行车安全留下隐患。

现阶段，估算老旧钢桥剩余使用寿命的方法有：一是传统方法，建立在损伤积累理论上，采用韦勒曲线，通过测量积累来估算剩余寿命。但需要桥梁之前的实际受到载荷的记录数据，而很多老旧钢桥由于历史的原因所记录数据不完整，给运用传统方法带来困难。但传统方法操作叫简单，工程人员仍倾向于使用；另一种现代方法，是近年来各国学者正在探索应用的方法，建立在断裂力学方法基础上，先对目前的桥梁进行检测，从检测到的实际裂纹出发，模拟该桥梁的整个受载历程，来确定桥梁的剩余寿命，故不需要之前桥梁的受载记录。

现阶段，对钢桥疲劳裂纹的维修措施主要有：

1、设置止裂孔

维修时，在裂纹尖端设止裂孔，减小应力集中，阻止裂纹扩展。但这种维修方法仅对I型裂纹有效，现实中腹板间隙的疲劳裂纹多数又是I、Ⅲ复合型裂纹，设置止裂孔不能有效的阻止裂纹重新萌生与扩展。

2、适当增大腹板间隙长度

在上面的论述中已经提到，适当增大腹板间隙的长度L，来减小变形，从而减少变形引起的疲劳裂纹。但只有这个长度达到max（12in，20tw）时，对于控制疲劳才能起作用。在腹板间隙长度L增大的同时，腹板间隙的弯曲应力将会迅速增大，所以该维修措施要非常谨慎地使用。

将节点板、联接板用焊接或螺栓连接的方式与主梁翼缘连接。该维修措施是目前使用的维修措施中最为有效的，但在桥梁维修的过程中，会影响到车辆的通行，而且实施有一定的技术难度。

3、部分区域的横向联接结构拆除

这样就可以彻底消除形成面外变形疲劳裂纹的驱动力，但横向联接结构具有