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编者按：桥梁疲劳是我系的主要研究方向之一。今辟专栏—疲劳纵论，分期简要介绍近年来的部分研究成果，各篇相对独立，此为该系列的第一篇。 引 言 钢桥疲劳问题涉及多种结构形式、多类结构体系、多种构造细节，领域较广，随着桥梁结构向大跨、轻质、高强方向发展，新结构不断提出，新材料不断得到应用，这一研究领域也在随之不断拓展。当前大跨度桥梁的主梁多采用钢箱梁，正交异性钢桥面板则是大跨度桥梁的首选桥面板结构形式。正交异性钢桥面板具有轻质高强、适用性好、便于工厂化制造、架设速度快、气动性能优良等突出优点，但由其受力特性、结构细节设计、加工制造工艺所决定，其疲劳问题突出，正交异性钢桥面板的疲劳开裂及桥面铺装损坏等问题已成为阻碍桥梁工程可持续发展的重大难题。总结正交异性钢桥面板疲劳开裂的成因，阐明其疲劳特性，可为后续研究提供参考和借鉴。 正交异性钢桥面板的疲劳特性 正交异性钢桥面板是一类通过焊接连接将顶板、纵向加劲肋和横肋（隔）板连接成在纵向和横向满足不同受力需求的板结构，纵向刚度需求大，因此，在纵向布置纵向加劲肋。横向刚度需求相对小，不布置加紧肋，每隔一定距离布置一道横肋（隔）板，以此达到降低结构自重的目的。纵肋的两种主要形式包括开口肋和闭口肋（通常称为U形肋）。因闭口肋远较开口肋应用广泛，相关讨论以闭口肋为主。为将顶板、纵向加劲肋和横肋组成协同受力的有机整体，板件间主要通过焊接进行连接。但由此带来的问题是构造复杂、焊缝众多，局部轮载直接作用下，桥面板因纵横向刚度存在显著差异而发生鼓曲状变形，在各主要构件相互连接和相互约束等几何构型不连续部位均出现应力集中，焊接缺陷和制造误差所导致的应力集中进一步加剧了其疲劳易损性。在大量交通荷载反复作用下，疲劳裂纹在应力集中问题突出的疲劳易损部位（或称“疲劳热点”）萌生并扩展，导致正交异性钢桥面板发生疲劳开裂。对日本东京2个代表性高速公路正交异性钢桥面板中约7000个闭口纵肋疲劳病害进行的统计分析表明：正交异性钢桥面板的疲劳裂纹共17类，主要出现在焊缝部位，由于几何构型不连续导致的应力集中区域是疲劳开裂的高发区，典型的疲劳开裂类型及其比例如图1所示。  图1 正交异性钢桥面板的典型疲劳易损部位 我国的正交异性钢桥面板中所发现的主要疲劳裂纹类型及其比例与上述统计结果基本一致。值得特别说明的是，桥梁工程界对于正交异性钢桥面板疲劳问题的认识是不断深化的，当前的正交异性钢桥面板设计中已取消顶板与竖向加劲肋构造细节（编号③），纵肋对接焊缝部位（编号⑦）已改为疲劳强度更高的高栓连接。剔除这两个疲劳易损部位后的统计结果列于图2（b）中。  （a）原始数据统计分析结果  （b）剔除弃用的两类构造细节后的统计分析结果 图2疲劳裂纹类型和组成比例 研究表明：（1）正交异性钢桥面板的疲劳裂纹均发生在焊缝和几何构型不连续等局部应力集中的部位，各部位的疲劳破坏模式和疲劳性能均存在显著差异；（2）疲劳开裂首先在正交异性钢桥面板中疲劳抗力最差的易损部位出现并扩展，其疲劳裂纹扩展模式和疲劳性能决定正交异性钢桥面板的疲劳性能，该部位即为决定正交异性钢桥面板疲劳性能的控制部位；（3）顶板、纵肋和横肋（隔）板三者的受力特性相互耦合影响，正交异性钢桥面板疲劳性能控制部位出现的具体位置及其实际疲劳寿命均与结构设计参数、构造细节形式和加工制造缺陷密切相关；剔除弃用的两类构造细节后，纵肋与横肋交叉部位和纵肋与顶板焊缝部位的疲劳开裂案例分别占61.0%和30.2%，二者总比例达91.2%，是正交异性钢桥面板最为重要的疲劳易损部位；（4）作为直接承受轮载的桥面板结构，正交异性钢桥面板同时承受面内和面外荷载，其疲劳问题属于典型的空间结构体系疲劳问题，疲劳荷载谱、疲劳易损部位、疲劳开裂模式和构造细节的疲劳抗力远较主梁和主桁等以单向受力为主、以主应力效应为疲劳主要诱因的杆系结构复杂，其疲劳破坏机理、疲劳性能评估方法和抗疲劳设计等均与传统的杆系结构疲劳问题存在显著差异，杆系结构中适用的简化分析方法和疲劳性能评估方法无法实现正交异性钢桥面板疲劳性能的准确评估。 正交异性钢桥面板的疲劳性能评估 发展适用的疲劳性能评估方法，是正交异性钢桥面板疲劳问题研究面临的重要研究课题。由以上分析可知：正交异性钢桥面板疲劳问题的关键在于纵肋与横肋交叉部位和纵肋与顶板焊缝部位两个构造细节，其疲劳破坏模式如图3所示。此处以纵肋与横肋交叉部位和纵肋与顶板焊缝部位两个构造细节为例，结合其疲劳特性，扼要说明正交异性钢桥面板的疲劳性能评估问题。 纵肋与横肋交叉部位和纵肋与顶板焊缝部位两个构造细节的疲劳问题，均呈现典型的多疲劳破坏模式特性，各构造细节的疲劳性能由疲劳抗力最差的疲劳破坏模式决定。同时，两个构造细节的受力特性和疲劳破坏机理存在显著差异，其中，纵肋与顶板焊缝部位主要承受垂直于板面的轮载所导致的局部弯拉复合作用；纵肋与横肋交叉部位则既承受横隔板的面内作用，也承受由纵肋的纵向变形在横隔板连接部位受到约束而导致的局部面外作用，局部应力分布状态更为复杂。传统的名义应力法不适用于其疲劳性能评估。同时，在两类构造细节中，顶板与纵肋焊缝部位的重要疲劳破坏模式是疲劳裂纹在顶板焊根或焊趾萌生并沿顶板厚度方向扩展，检修困难，一般仅在疲劳裂纹穿透顶板、发展到一定长度并导致桥面板防水层和铺装层损坏时才能发现，此时雨水往往已渗入疲劳损伤部位并进入纵肋或箱梁内部。同时，该部位的疲劳开裂修复困难且需中断交通，是正交异性钢桥面板疲劳病害中危害最为严重的疲劳裂纹。  图3 正交异性钢桥面板两类重要疲劳易损部位疲劳破坏模式 当前常用的正交异性钢桥面板疲劳性能评估，涉及结构设计、疲劳荷载、面向疲劳性能评估的分析和计算、评估方法、材料和构造细节的疲劳性能指标、加工制造质量和疲劳试验等7个主要方面，典型的评估流程如图4所示。特殊使用环境条件下，还应考虑腐蚀等环境条件对于结构疲劳性能的影响问题。正交异性钢桥面板的疲劳性能评估的主要问题在于：（1）简化分析模型和分析方法无法准确确定正交异性钢桥面板各疲劳易损部位的名义应力、热点应力、切口应力等。同时，不同的汽车轮载作用位置可能导致同一疲劳易损部位出现不同的疲劳破坏模式，只有采用影响面加载才能确定其疲劳易损控制部位及其主导疲劳破坏模式。因此，能够准确反映结构几何构型和构造细节，单元尺度适中、形状合理的三维有限元模型是正交异性钢桥面板疲劳性能评估的基础；（2）正交异性钢桥面板各典型疲劳易损部位均存在多个疲劳破坏模式，对于具体的疲劳易损部位而言，其实际疲劳抗力等于疲劳强度最低的主导疲劳破坏模式的疲劳抗力。因此，进行正交异性钢桥面板的疲劳性能评估时，应首先对于各典型疲劳易损部位及其主导疲劳破坏模式进行系统的对比分析，将各重要疲劳易损部位的疲劳抗力由低到高排序，确定结构疲劳性能的控制部位、疲劳破坏模式和疲劳抗力，以此作为正交异性钢桥面板的疲劳抗力。如果两个或以上疲劳易损部位的疲劳抗力较为接近，且其中一个部位的疲劳开裂会导致另一部位的受力性能受到显著影响时，则需考虑耦合效应并在此基础上确定结构的疲劳破坏模式和疲劳性能，否则可能得到偏于不安全的评估结果。其中，疲劳性能评估方法是正交异性钢桥面板疲劳问题研究的重要基础。 图4正交异性钢桥面板的疲劳性能评估流程 国内外学者根据构造细节类型及焊缝处的局部力学行为特性，建立了多种疲劳性能评估方法。其中常用的名义应力法、热点应力法、切口应力法、断裂力学法和损伤力学方法等5种方法。其中，名义应力法应用简便，便于工程应用，是国内外规范中广泛采用的疲劳性能评估方法。但采用名义应力法进行正交异性钢桥面板疲劳性能评估面临S-N曲线的确定和选取问题以及名义应力的定义问题两方面的难题；热点应力法仅适用于焊接接头焊趾处的疲劳强度评估，对于疲劳裂纹起始于焊根或未溶透等处的疲劳分析暂无法应用。此外，热点应力存在单元网格敏感性问题，有限元模型的建立对求解热点应力至关重要；切口应力法同时适用于焊趾或焊根处的疲劳性能评估，但切口处受力状态与其实际受力模式息息相关，且结果受单元网格影响较大，切口效应受结构本身尺寸影响较为明显，计算工作量较大；断裂力学法给出了疲劳裂纹临界长度的明确定义，建立了描述宏观疲劳裂纹稳定扩展阶段的理论模型，为疲劳问题研究和剩余疲劳寿命评估提供了具有严谨理论基础的分析方法，当前国内外学者提出了多种正交异性钢桥面板疲劳裂纹扩展的断裂力学数值模拟方法，实现了疲劳裂纹扩展过程的准确模拟，深化了对于正交异性钢桥面板疲劳问题的理解和认识，典型的纵肋与顶板焊缝部位疲劳裂纹扩展过程的断裂力学模拟结果如图5所示；损伤力学方法在正交异性钢桥面板疲劳性能研究中得到了一定的应用，损伤参数取值、疲劳裂纹萌生寿命临界点确定以及适用的正交异性钢桥面板疲劳损伤本构模型是其下一阶段的研究重点。  图5 纵肋与顶板焊缝部位疲劳裂纹扩展过程的断裂力学模拟 结 语 正交异性钢桥面板包含多个疲劳易损部位，各疲劳易损部位具有多个疲劳破坏模式且疲劳特性存在显著差异，疲劳抗力最差的疲劳易损部位及其疲劳破坏模式决定正交异性钢桥面板的疲劳性能，正交异性钢桥面板的疲劳问题属于典型的结构体系疲劳问题；正交异性钢桥面板的疲劳裂纹均发生在焊缝和几何构型不连续等局部应力集中部位，纵肋与横肋交叉部位和纵肋与顶板焊缝部位的疲劳开裂案例分别占61.0%和30.2%，二者总比例达91.2%，是正交异性钢桥面板最为重要的疲劳易损部位；正交异性钢桥面板的疲劳破坏机理、疲劳性能评估方法和抗疲劳设计等均与传统的杆系结构疲劳问题存在显著差异，杆系结构中适用的简化分析方法和疲劳性能评估方法无法实现正交异性钢桥面板疲劳性能的准确评估，进行正交异性钢桥面板疲劳性能评估时应对各典型疲劳易损部位及其主导疲劳破坏模式进行系统的对比分析，将各重要疲劳易损部位的疲劳抗力由低到高排序，采用适用的疲劳性能评估方法确定结构疲劳性能的控制部及其疲劳抗力，以此作为正交异性钢桥面板的实际疲劳抗力。 限于篇幅，此处仅探讨正交异性钢桥面板疲劳问题的疲劳特性及其疲劳性能评估。关于正交异性钢桥面板的疲劳研究的发展方向，在下一部分中进行讨论。 作者简介：张清华，博士，西南交通大学教授，博士生导师，桥梁工程系副系主任，系党支部书记，长期致力于高性能钢与组合结构桥梁研究。四川省学术及技术带头人后备人选，西南交通大学“竢实之星”。 |
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