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引 言 正交异性钢桥面板作为现代桥梁工程重要的标志性创新成就，得到了广泛应用。但由结构体系和受力特性、环境效应、施工质量以及早期对正交异性钢桥面板疲劳特性认识不足所决定，正交异性钢桥面板疲劳开裂案例频发，严重影响桥梁结构的安全性、耐久性和服役质量，并导致中断交通等多种次生效应，造成了重大的经济损失和不良的社会影响，已成为制约钢结构桥梁应用和发展的瓶颈问题。研发有效的正交异性钢桥面板疲劳开裂加固方法，是桥梁可持续发展的重大需求，具有重要的现实意义。当前提出的正交异性钢桥面板疲劳开裂加固方法，主要包括传统方法和新型方法两类。其中，前者主要包括止裂孔法、机械修复法（主要包括超声波冲击法（Ultrasonic Impact Treatment, UIT）和裂纹闭合冲击改进技术（Impact Crack-closure Retrofit, ICR））、热修复法（较为典型者为TIG重熔法(Tungsten Inert Gas Welding, TIG)、焊补法和局部补强法等）；后者主要包括组合桥面板体系加固方法和装配式加固方法。上述方法在实桥加固中得到了成功应用，保障了既有钢桥的安全运营并改善了其服役质量，丰富和发展了桥梁养护技术。但相对于正交异性钢桥面板疲劳开裂加固的重大需求而言，当前相关研究仍较为欠缺，关于加固方法和加固体系的破坏机理、剩余疲劳寿命评估等关键问题的研究严重滞后。本部分主要探讨正交异性钢桥面板的疲劳开裂加固方法的特点、适用性以及加固研究亟需解决的关键问题。  钢桥面板疲劳开裂加固方法 针对不同构造细节的疲劳特性，国内外学者提出了多种疲劳开裂加固方法。此处扼要介绍止裂孔法、热修复法、机械修复法、组合桥面板体系加固方法以及装配式快速加固方法。 ▼ 止裂孔法 止裂孔法是目前钢结构疲劳裂纹修复常用的临时加固方法。在正式加固修复实施之前，为避免疲劳裂纹进一步扩展对结构造成更严重的影响，通过在疲劳裂纹尖端或扩展路径上钻一个光滑的圆孔，将裂纹尖端高应力集中区用曲率半径较大的圆孔代替，减小或消除裂纹尖端塑性区，从而减缓或抑制疲劳裂纹的进一步扩展，延长结构的剩余疲劳寿命。止裂孔法作为传统加固方法之一得到了广泛应用，但由于裂尖位置不易确定，止裂孔难以准确定位；同时，正交异性钢桥面板疲劳易损细节的疲劳裂纹多数属于复合型裂纹，止裂孔边缘与裂纹扩展方向相交部位母材应力集中问题突出，实际应用中裂纹对侧母材往往在荷载循环次数仅增加几万次时即出现二次开裂，难以取得较好的加固效果，这也是该方法主要作为临时加固措施的根本原因。Murdani等学者提出通过设置附加孔、侧孔等规避裂纹尖端不易精准定位的难题，以改善加固效果，如图1（a）所示。为提高止裂孔延长结构剩余疲劳寿命的加固效果，部分学者提出设置冷扩孔、在冷扩孔中置入栓钉或螺栓，在止裂孔周边引入残余压应力和塑性变形，延缓疲劳裂纹的再生和扩展，以改善传统止裂孔法的加固效果，如图1（b）所示，该技术在桥梁结构中的应用仍处于探索阶段，其实施效果仍有待于进一步验证。    （a）止裂孔加固技术  （b）冷扩孔加固技术 图1 止裂孔加固法 ▼ 机械修复法 较为典型的机械修复法主要包括超声波冲击法（UIT）和裂纹闭合冲击改进技术（ICR）。其中，超声波冲击法是一种采用超声波冲击金属表面或焊接接头，使表层局部区域产生较大的压缩塑性变形，从而引入残余压应力并改善局部残余应力场，有效改善焊趾区域的表面轮廓来降低应力集中程度，以提高钢结构疲劳抗力的技术。国内外研究学者对于超声波冲击法加固结构的残余应力分布特征和疲劳特性进行了研究，结果表明：（1）超声波冲击法处理后残余压应力场分布深度约为1.5~1.7mm，且残余压应力达到甚至超过母材的屈服强度；（2）超声波冲击能够改善焊趾的几何外形、引入残余压应力、细化表层晶粒并改善局部微观组织，从而显著提高焊接细节的疲劳抗力并有效提高疲劳裂纹的扩展阈值。 裂纹闭合冲击改进技术（ICR）采用专用设备高速冲击疲劳开裂局部区域，使材料表面产生塑性变形，并通过材料的塑性流动使疲劳裂纹的开口产生闭合效应，引入残余压应力，降低或消除焊接残余拉应力，改善疲劳裂纹表面的应力状态，降低疲劳裂纹扩展速率，以达到延长焊接细节剩余疲劳寿命的目的，如图2所示。研究表明：（1）ICR法能够显著降低垂直于疲劳裂纹扩展路径方向的应力，使疲劳裂纹闭合并有效降低疲劳裂纹的扩展速率，从而提高其剩余疲劳寿命；（2）ICR处理技术能够显著降低焊接残余拉应力，改善残余应力场分布区域，残余压应力场深度可达5.3mm。  （a）UIT法  （b）ICR法 图2 传统机械修复加固方法 上述两类方法的主要问题在于：（1）超声波冲击法（UIT）在冲击过程中能量输出不稳定，导致焊接残余拉应力的实际消除效果存在较大差异；（2）裂纹闭合冲击改进技术（ICR）对于焊根疲劳开裂无法实现可靠的加固，且目前ICR技术仍处于探索阶段，相关关键技术问题仍有待于进一步研究和探索。 ▼ 热修复法 热修复法主要包括焊补法、TIG重熔法(Tungsten Inert Gas Welding, TIG)和局部补强法等。其中，焊补法是对既有焊接细节或疲劳裂纹进行局部研磨或切削后进行重新焊接，以修复疲劳裂纹、提高局部刚度并改善其服役质量的一种加固方法。国内外学者根据钢桥面板与纵肋焊接细节的疲劳破坏机理和失效的严重程度，提出了多种加固方法，如焊接钢板、更换面板等，如图3所示。英国Severn桥在修复钢桥面板与纵肋焊接细节时，为保证焊缝的有效焊喉高度，对既有焊缝局部铣削后锤击，并采用CO2气体保护电弧焊技术重新焊接，以提高该构造细节的疲劳抗力。TIG熔修法是采用钨极惰性气体保护焊在不加焊丝的情况下重熔焊趾，最大幅度地改善焊趾的几何外形，降低局部应力集中程度，同时大幅度增加焊趾区域的硬度，提高焊接细节疲劳抗力的一种加固方法。Fisher等根据研究结果指出：采用重熔法修复深度小于5mm的疲劳裂纹能够取得较好的效果；Rodriguez-Sanchez等基于疲劳试验，建议在疲劳裂纹发生在焊缝焊趾处、且裂纹深度小于6mm的条件下，采用TIG重熔法进行加固。传统的热修复法虽然能够较好的去除疲劳裂纹，提高局部疲劳抗力，但该方法通常需中断交通，且需进行局部加热焊接，易在焊接区域引入对疲劳性能不利的残余拉应力，实桥加固时施工条件较差，焊接缺陷难以控制，焊接质量难以保证。  图3 传统热修复加固方法 ▼ 组合桥面板体系法 组合桥面板体系加固法是在钢桥面板上铺设UHPC、ECC等高性能水泥基材料或聚氨酯等复合材料结构层，通过栓钉、PBL、环氧树脂粘结层以及新型剪力连接件等与既有钢桥面板形成协同受力的组合桥面板结构体系，以加固发生疲劳开裂的正交异性钢桥面板的一类方法，如图4所示。组合桥面板体系加固法的基本原理在于：通过组合桥面板体系显著提升原有结构的局部刚度，大幅度降低正交异性钢桥面板主要疲劳易损部位的应力幅和疲劳裂纹尖端的应力强度因子幅值，从而达到抑制既有疲劳裂纹的进一步扩展、并显著提升正交异性钢桥面板重要疲劳易损部位疲劳抗力的目的。其中，现浇高性能水泥基材料，通过栓钉与既有正交异性钢桥面板组成组合桥面板是目前应用最广泛的加固方式之一。栓钉焊接在钢桥面板上可以为结构层和钢桥面板之间提供充分的抗剪能力，高性能水泥基结构层不但可以提高桥面板的局部刚度，而且具有一定的抗拉强度和良好的耐久性，结构层的厚度可控制在50-60mm之间，从而减轻结构层重量，降低对原有结构承载力的影响。但这一方法需在钢桥面板上焊接大量的剪力连接件，可能引入新的焊接缺陷；同时，需进行大面积水泥基结构层的铺设和养护，施工工艺复杂、施工条件要求高、交通中断时间长。  图4 组合桥面体系加固方法 ▼ 装配式加固法 装配式加固方法是在疲劳开裂局部区域引入钢或高性能材料（CFRP板）加固件，通过装配式方法与既有结构连接，形成由既有钢桥面板结构、加固构件和连接构造细节组成的协同受力体系，在对交通少干扰甚至零干扰、对既有结构微损伤或零损伤的条件下，实现疲劳开裂快速加固的一类加固方法。该类方法施工便捷，费用低廉，对交通干扰小，具有广阔的应用前景。典型的正交异性钢桥面板顶板与纵肋焊接细节的装配式快速加固体系如图5所示。当前关于装配式加固方法的研究仍处于探索阶段，由于正交异性钢桥面板结构涵盖多个疲劳易损部位，针对不同构造细节的疲劳特性和开裂机理，发展钢桥面板重要构造细节典型开裂模式的新型装配式快速加固方法，揭示加固协同受力体系的长期受力性能、疲劳损伤演化及破坏机理，提出基于协同受力性能劣化的剩余疲劳寿命评估方法，是装配式快速加固方法的研究重点。  （a）体系1：角钢体系 （b）体系2：倒U形肋体系 （c）体系3：纵肋钢板体系 （d）加固体系疲劳细节说明 图5顶板与纵肋焊接细节的典型装配式快速加固体系 钢桥面板疲劳开裂装配式加固试验和理论研究 对于正交异性钢桥面板疲劳破坏机理及其疲劳开裂加固方法进行的研究表明：（1）纵肋与横隔板交叉构造细节是正交异性钢桥面板最易萌生疲劳裂纹的部位，该部位的3个主要疲劳破坏模式中，疲劳裂纹萌生于焊趾并沿着纵肋腹板扩展这一疲劳破坏模式在疲劳案例中占较高比例且该疲劳破坏模式的加固较为困难；（2）局部刚度不足且应力集中问题突出是导致纵肋与横隔板交叉构造细节疲劳开裂的主要内因；在局部栓接或粘贴钢板可以有效提高该部位的局部刚度，显著降低应力集中程度，抑制该部位疲劳裂纹的进一步扩展，能够实现疲劳开裂的装配式快速加固。笔者团队以正交异性钢桥面板纵肋与横隔板交叉构造细节这一疲劳破坏模式为研究对象，在纵肋底板与横隔板交叉构造细节装配角钢加固件进行加固，进行了试验和理论研究，如图6所示。 图6 纵肋与横隔板交叉构造细节装配式快速加固 正交异性钢桥面板的疲劳开裂加固以含裂纹结构为研究对象，此处通过加固后裂纹局部区域应力及断裂力学指标评估加固效果，试验模型疲劳易损部位关键测点布置和典型的测试结果如图7所示；裂尖有效应力强度因子的变化如表1所示。研究结果表明：（1）进行装配式快速加固后，钢桥面板纵肋与横隔板交叉构造细节疲劳裂尖应力-应变测点峰值较加固前降幅达80%，且加固后稳定在较低的水平，表明加固件与既有结构协同受力性能良好，疲劳开裂部位的局部应力状态得到了显著改善；（2）加固前后表面裂纹与中裂纹的有效应力强度因子均大幅度降低，降幅分别达89.7%、86.5%和92.9%，裂纹尖端有效应力强度因子小于或略大于疲劳裂纹的扩展阈值，在循环荷载作用下疲劳裂纹的扩展被有效抑制；（3）对疲劳开裂部位加固后继续加载180万次至试验终止，既有疲劳裂纹长度基本保持不变，表明所采用的加固方法能够有效抑制局部疲劳裂纹扩展。 图7 裂纹尖端关键测点及测试结果 表1 加固前后有效应力强度因子的变化 钢桥面板疲劳开裂加固面临的主要问题 国内外学者对于正交异性钢桥面板的疲劳开裂加固问题进行了研究，提出了多种加固方法，其成功应用保障了既有钢桥的安全运营并改善了其服役质量。但相对于钢桥面板疲劳开裂加固的重大需求而言，当前关于其疲劳开裂加固方法及其疲劳性能的研究仍极为欠缺，在加固方法、破坏机理和剩余疲劳寿命评估等层面面临以下主要问题： ▼ 加固方法：对交通少干扰甚至零干扰条件下的装配式快速加固方法仍较为欠缺 当前发展的各类加固方法中，无论是以机械修复和热修复为代表的传统加固方法，还是在原有钢桥面板上铺设水泥基材料结构层的新型加固方法，均需中断交通，对加固工艺的要求较高，加固费用高昂。且前者需进行焊接，实桥应用时焊接条件差，焊接缺陷问题突出，严重影响加固局部区域的疲劳性能；后者对结构层材料性能的要求较高，实际运用中结构层开裂问题突出。相对于传统加固方法而言，装配式快速加固方法具有突出优点和广阔的应用前景。正交异性钢桥面板的疲劳问题本质上属于由多个构造细节的疲劳性能共同决定的结构体系疲劳问题，各构造细节的疲劳致损机理、疲劳破坏模式和疲劳性能均有显著差异，呈现多模式特性，亟需根据各重要疲劳易损部位的实际疲劳破坏机理提出适用有效的快速加固方法。 ▼ 破坏机理：理论和机理方面的研究亟待深化 国内外学者提出了装配式疲劳开裂加固方法，通过实验研究和理论分析验证了其有效性。但当前的研究对象主要限于既有疲劳开裂本身，研究内容限于加固对于疲劳裂纹扩展的抑制效果。由加固体系疲劳问题的基本属性所决定，无论是由加固体系中出现新的疲劳开裂导致的疲劳破坏，还是既有疲劳裂纹和加固体系其他部位的疲劳开裂同步扩展导致的疲劳破坏，均属于含裂纹加固体系的多路径、多模式体系疲劳问题，其疲劳破坏过程属于协同受力性能劣化与疲劳累积损伤演化的耦合过程。只有阐明关键疲劳易损部位疲劳损伤与加固体系协同受力性能劣化的耦合机理，才能够实现对装配式加固体系疲劳问题的深刻认识，揭示加固方法的疲劳性能提升机理，为其剩余疲劳寿命评估提供科学依据。 ▼ 剩余疲劳寿命评估：缺乏适用的加固体系剩余疲劳寿命评估方法 准确确定加固体系的剩余疲劳寿命是实现桥梁结构养护管理科学决策的重要依据和基本前提。既有研究将加固对于钢桥面板结构既有疲劳裂纹应力幅的降低程度作为主要指标，并以此作为加固后钢桥面板结构剩余疲劳寿命的评估依据，难以全面认识加固体系的疲劳特性，并准确评估其剩余疲劳寿命。通过实验和理论研究，对于加固体系进行由构造细节到结构体系的多尺度研究，确定加固体系的控制疲劳易损部位及其主导疲劳破坏模式，阐明疲劳损伤演化与协同受力性能劣化的耦合过程，提出基于协同受力性能劣化的剩余疲劳寿命评估方法，才能够准确评估加固体系的剩余疲劳寿命。 结 语 探讨了止裂孔法、超声波冲击法、裂纹闭合冲击改进技术、TIG重熔法、组合桥面板体系法、装配式加固法等在正交异性钢桥面板疲劳开裂加固中的加固效果和适用性；对于正交异性钢桥面板纵肋与横隔板交叉构造细节疲劳开裂装配式加固进行了试验和理论研究。研究表明：装配式快速加固件能够有效与既有开裂结构协同受力，改善正交异性钢桥面板的局部应力状态，降低裂纹尖端应力强度因子幅值，有效抑制局部疲劳裂纹扩展；装配式快速加固方法施工便捷，费用低廉，对交通干扰小，是具有广阔应用前景的一类正交异性钢桥面板加固方法。相对于正交异性钢桥面板疲劳开裂加固的重大需求而言，当前相关研究极为欠缺，亟需研发快速可靠的钢桥面板疲劳开裂加固新方法和模式化加固技术，阐明加固体系疲劳性能损伤演化机理，提出基于协同受力性能劣化的剩余疲劳寿命评估方法，为正交异性钢桥面板疲劳开裂加固难题提供理论、方法和技术支撑。 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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