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把脉钢桥面板 疲劳“顽疾” [复制链接]

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weixinyu 发表于 2016-1-20 15:56:07 |显示全部楼层 |          |
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把脉钢桥面板疲劳“顽疾”——港珠澳大桥正交异性桥面板设计研究

文/张清华 卜一之 崔闯

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       港珠澳大桥在其设计和建设过程中首次提出并全面采用“大型化、工厂化、标准化、装配化”的建设理念,立项并开展了国家科技支撑计划项目“港珠澳大桥跨海集群工程建设关键技术研究与示范”研究,其中课题三“海上装配化桥梁建设关键技术—连续钢箱梁正交异性钢桥面板抗疲劳性能关键技术的研究(简称“港珠澳大桥国家科技支撑计划”),该项研究作为正交异性钢桥面板疲劳相关研究中为数不多的系统化研究,研究成果涵盖结构设计、模型试验、理论研究和关键制造加工技术,有力的支撑了港珠澳大桥工程建设,使其装配化率提高到95%以上,提升了我国海上装配化桥梁设计施工技术水平,并有力的推动了我国桥梁工程的发展。


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正交异性钢桥面板的疲劳问题


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疲劳问题的成因和表现

       正交异性钢桥面板纵向采用顶板和纵向加劲肋组合受力满足该方向的受力性能要求;横向则采用由横肋板(横梁)和顶板组成的结构;顶板与纵向加劲肋和横向加劲肋之间、横肋板与纵向加劲肋之间均通过焊接连接成整体。焊接过程中的加热及冷却使得焊缝处产生残余应力,同时在此过程中不可避免存有如空隙、夹杂等焊接初始缺陷。局部轮载直接作用下,桥面板发生鼓曲状变形,在各主要构件相互连接并相互约束的部位和几何不连续部位均出现应力集中,反复荷载作用下疲劳裂纹在上述部位出现并迅速扩展,成为典型的正交异性钢桥面板疲劳病害。上述部位即为正交异性钢桥面板的疲劳易损部位,如图1所示,典型的疲劳开裂模式如图2所示。


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图1 典型疲劳易损部位示意图


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图2 典型疲劳易损部位的疲劳裂纹扩展模式

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       研究表明:(1)纵向加劲肋与横肋板交叉部位的焊缝和开孔部位在正交异性钢桥面板病害案例中占比高达38.2%;同时,该部位是正交异性钢桥面板中构造最复杂的部位;(2)顶板与竖向加劲肋焊缝部位的疲劳损伤在所有案例中占较高比例,当前正交异性钢桥面板设计中已取消这一焊缝;(3)顶板与纵肋焊缝在所统计的疲劳损伤案例中的比例约为1/5;该部位一个重要疲劳破坏模式是疲劳裂纹出现在焊根,并向顶板方向扩展。但此类裂纹检修和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严重的疲劳裂纹;(4)纵肋对接焊缝部位的疲劳开裂占一定比例;当前正交异性钢桥面板设计中有将此处的连接改为疲劳强度更高的栓接连接的趋势。

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正交异性钢桥面板的疲劳特性

       既有研究表明,正交异性钢桥面板的疲劳问题具有以下重要特点:(1)疲劳裂纹均发生在焊缝和几何不连续等局部应力梯度急剧变化的部位,各部位疲劳裂纹扩展模式和疲劳性能存在显著差异;(2)顶板、纵向加劲肋和横肋(隔)板三者共同组成组合受力系统,各关键组成部分的受力特性相互耦合影响,正交异性钢桥面板结构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参数和构造细节设计息息相关;(3)区别于杆系结构中构件层面的疲劳问题,正交异性钢桥面板的疲劳问题属于典型的由主导疲劳破坏模式决定结构疲劳性能的一类疲劳问题。

       国内外学者研究结果表明,正交异性钢桥面板各关键疲劳易损部位疲劳性能的影响因素主要包括:结构设计参数、构造细节和加工制造质量:(1)适当增加顶板厚度有助于提高正交异性钢桥面板的疲劳性能;(2)增加桥面板的局部刚度、改善应力集中问题突出部位的受力性能的设计参数组合方案有助于提高结构的疲劳性能;(3)纵肋与横隔板交叉部位开孔型式等构造细节对相关疲劳易损部位疲劳性能的影响较大,可通过改善开孔型式和几何尺寸并尽量增大开孔半径等方式改善这一部位的疲劳性能;(4)当前基于智能化技术研发的正交异性钢桥面板板单元自动化、智能化制造和焊接技术,显著提高了正交异性钢桥面板的加工制造质量,有助于提高其疲劳性能。

       相关研究表明:正交异性钢桥面板的受力特性和疲劳特性体现出典型的结构体系的系统性和多尺度特征,即结构体系的疲劳性能由控制疲劳易损部位的疲劳强度决定;但疲劳易损部位的疲劳强度又是由结构体系和关键设计参数所决定的结构受力性能在结构构造细节和局部的具体体现。传统的由结构内力和变形等宏观力学特性入手确定结构疲劳性能的研究方法难以实现正交异性钢桥面板疲劳性能的准确评估,发展适用的疲劳性能评估方法是结构在服役期使用安全的保障。

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疲劳性能评估方法和试验研究

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疲劳性能评估方法研究

       对于结构疲劳性能认识不足是正交异性钢桥面板疲劳开裂案例频发的主要原因之一。鉴于疲劳问题的复杂性,国内外研究学者针对正交异性钢桥面板疲劳性能评估方法展开了广泛的研究,发展出诸如名义应力法、热点应力法、切口应力法、断裂力学和损伤力学等方法。

       名义应力法应用简便,在欧洲规范Eurocode3、英国规范BS5400、美国规范AASHTO中得到了广泛应用。但对于正交异性钢桥面板而言,其复杂的构造导致其名义应力难以定义且结果离散性较大。国际焊接学会推荐的基于表面

外推法的热点应力可以考虑焊接结构焊趾处的应力集中效应,但结果受有限元模型单元网格影响较大。为减弱单元网格对评价结果的影响,研究者提出了基于主S-N曲线的结构应力疲劳评价模型。但结构应力法只针对焊趾疲劳性能评估,对焊根处疲劳性能暂无法评估。Fricke等结合前人研究,考虑焊接接头部位实际的应力分布,提出了适用于复杂构造细节疲劳性能评估的切口应力法,但切口应力同样对于有限元网格尺寸较为敏感,如图3所示。基于断裂力学的疲劳性能评估方法能准确评估疲劳剩余寿命,但对于全寿命过程预测,对于复杂结构诸如正交异性钢桥面板而言,仍有较大难度。采用损伤力学方法进行疲劳寿命评估是近年来的研究热点,但仍存在疲劳损伤模型难以确定等诸多问题。

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左上:足尺模型  左下:结构应力法  右上:热点应力法  右下:切口应力法

图3 适用的疲劳评估方法


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疲劳性能试验研究

       通过对《港珠澳大桥工程可行性研究阶段交通需求分析研究报告》中实际交通荷载信息的统计分析,获取了原始荷载谱和等效标准车辆荷载谱,采用Monte Carlo方法模拟实际交通荷载。在此基础上对于各疲劳易损部位的应力谱进行了研究,确定了结构的标准疲劳车:该车为4轴车,各轴轴重均为75kN,车辆总重为300kN,各轴与最前轴的中心距分别为1.2m、7.2m和8.4m,各车轮横向中心距为2.0m,车轮分布为0.4m×0.4m。试验过程中偏于安全地取各轴轴重为80kN。以上述疲劳荷载为基础,共设计了4组足尺试件模型和2组足尺节段模型,其中试件模型每组2个共8个试件,如图4(a)所示;节段模型每组1个模型共2个试验模型如图4(b)所示,对于港珠澳大桥5类重要的正交异性钢桥面板疲劳易损部位进行了试验和理论研究,通过模型试验对研究成果进行了综合验证。

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                                                            (a) 足尺试件模型试验     (b) 足尺节段模型试验

图4 足尺疲劳模型试验

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       研究结果表明:(1)港珠澳大桥正交异性钢桥面板各疲劳易损部位的疲劳性能满足设计要求;各疲劳易损部位局部主拉应力分布特性和量值的显著差异是导致各疲劳易损部位疲劳性能差异的根本原因之一;所提出的基于理论模型和弹塑性断裂力学的疲劳损伤裂纹扩展模拟方法能够较为准确地模拟疲劳裂纹的扩展,采用此方法进行待研究疲劳易损部位的剩余疲劳寿命预测或评估是可行的;(2)对于横隔板与U肋连接焊缝这一典型疲劳易损部位所进行的疲劳损伤及性能试验表明,疲劳裂纹出现初期,对结构的受力特性的影响仅限于微裂纹周围的极小区域;只有当裂纹扩展到一定程度时,其对于结构力学特性的影响范围和影响程度才逐步加剧。因此,以应力状态的改变来判断正交异性钢桥面板是否发生疲劳开裂可能导致判别失误。疲劳裂纹出现后,其长度随着荷载循环次数的增长而不断扩展;裂纹萌生初期,扩展速度较慢;在扩展到一定长度后,其扩展速度快速增长,典型裂纹扩展如图5所示;(3)采用名义应力法对U肋与横隔板连接部位进行疲劳寿命评估时,其等效为欧洲规范Eurocode中对应名义应力幅71MPa的作用次数最小为268.0万次,其余的等效作用次数均超过330万次,最大达501.2万次,与试验结果间存在较大的偏差,且评估结果高于试验结果,基于这一方法进行结构设计,可能得到偏于不安全的结构设计结果;(4)采用热点应力法评价横隔板与U肋间焊缝的疲劳寿命,其等效为FAT90(作用200万次对应的疲劳强度为90MPa)等级

的等效作用次数最小为207.6万次,最大为294.5万次,平均等效作用次数为242.4万次,与试验结果吻合良好。表明采用FAT90作为焊趾处热点应力的疲劳强度等级,相比于Eurocode中采用FAT100作为该处的疲劳强度等级更为合理。由于热点应力法的评估过程只需采用一种疲劳强度等级即可完成,且能够有效避免复杂应力状态下名义应力难以定义的问题。因此,热点应力法更为适用于正交异性钢桥面板这类复杂结构的疲劳性能评估。

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图5 典型疲劳裂纹扩展图


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正交异性钢桥面板制造及焊接工艺的发展

       正交异性桥面板与U形肋焊缝焊接质量缺陷是导致正交异性钢桥面板疲劳问题突出的主要原因之一。正交异性钢桥面板构造复杂,其发展和应用前期在我国板单元的生产模式自动化程度较低,加工制造、组装及焊接过程基本上以人工作业为主,由人为或偶然因素导致质量缺陷的问题突出,而正交异性钢桥面板除因结构受力特性所导致疲劳开裂外,因制造加工质量不高导致的疲劳开裂也较为普遍。在港珠澳大桥国家科技支撑计划项目课题的研究中,对正交异性钢桥面板制造加工、焊接等关键工艺进行了系统研究和研发,研发了钢箱梁正交异性钢桥面板板单元制造关键技术,突破了钢箱梁U形肋与桥面板焊接熔深控制及检测的技术瓶颈;建立了钢箱梁板单元制造自动化、智能化生产线,大大提高了钢箱梁的生产效率和制造质量,典型单元的制造流程和焊接工艺如图6和图7所示。

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图6 桥面U肋制造流程


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图7 自动化焊接工艺

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新型正交异性钢桥面板的发展

       正交异性钢桥面板发展面临的主要矛盾在于:(1)高承载力与高疲劳病害风险之间的矛盾;(2)具有竞争力的建设期经济性和欠佳的全寿命周期性能及成本之间的矛盾。上述主要矛盾的根源在于正交异性钢桥面板欠佳的疲劳性能。研究表明:组合桥面板是综合解决正交异性钢桥面板桥面铺装易损和桥面板疲劳开裂两大难题的主要出路。新型组合桥面板也是当前正交异性钢桥面板疲劳研究领域研究的最具活力的热点问题。

       国际知名桥梁设计咨询公司Leonhardt, Andr & Partner提出了由大纵肋正交异性钢桥面板和钢筋混凝土结构层组成的新型组合桥面板结构,研究结果表明:该桥面板具有承载力高、耐久性和经济性突出等优点,能够同时改善桥面板的局部刚度及其关键板件的疲劳性能。为改善该桥面板混凝土结构层开裂和桥面板自重过大等问题,笔者提出了新型大纵肋正交异性钢板—活性粉末混凝土(RPC)桥面板。研究表明:该结构在有效增大桥面板局部刚度、降低纵肋腹板控制部位应力幅值的同时,能够避免结构层开裂并显著降低结构自重,从而大幅度提高桥面铺装的耐久性和钢桥面板的疲劳性能,并有效增强其适用性,为综合解决正交异性钢桥面板两类技术难题、实现结构全寿命周期性能和成本最优提供直接支撑,是具有良好发展前景的新型桥面板结构,结构示意图如图8所示。


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图8 新型大纵肋正交异性钢板—活性粉末混凝土(RPC)桥面板

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       在结构体系仍沿用传统的正交异性钢桥面板的条件下,即使引入大纵肋或在其上布置结构层,几何构型不连续部位和焊缝数量较多的问题依然存在。有鉴于此,笔者在新型大纵肋正交异性钢板—活性粉末混凝土(RPC)桥面板的基础上,将传统的平顶板改为波形顶板,在其上铺设高强材料结构层,提出了波形顶板正交异性钢板—RPC组合桥面板新结构,其概念设计如图9所示。

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图9 波形顶板正交异性钢板—RPC组合桥面板的构思


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       研究结果表明,所提出的上述两类新型组合桥面板受力性能良好,能够显著减少焊缝和几何构型不连续部位数量,显著降低结构的应力集中程度,为正交异性钢桥面板的疲劳问题提供了较好的综合解决方案,是具有良好发展前景的桥面板结构。关于上述结构的优化设计、静载极限承载力、疲劳破坏机理等的相关研究正在自然科学基金项目等多个项目的支撑下深入进行。

       港珠澳大桥国家科技支撑计划于2015年5月28日在北京顺利通过了交通运输部科技司组织的验收和鉴定,鉴定专家组认为课题紧紧围绕高品质长寿命跨海长大桥梁建设难题,形成了长寿命正交异性钢桥面板抗疲劳关键技术的多项创新性研究成果;相关成果共同组成了较为系统的正交异性钢桥面板抗疲劳关键技术体系,研究成果经济社会效益显著,应用前景广阔。

       结合上述研究,笔者认为未来一段时间,正交异性钢桥面板的主要研究方向可以扼要概括为如下3个方面:

       (1)正交异性钢桥面板疲劳可靠度评估理论与方法研究。其中,智能化制造条件下制造误差和焊接缺陷的概率特性及其对应结构疲劳性能的影响机理;融合弹塑性断裂力学和损伤力学,建立基于可靠度的正交异性钢桥面板疲劳性能评估理论与方法体系是两项重要研究课题。

       (2)焊缝细节检测和疲劳裂纹扩展过程智能监测技术。引入光栅、超声波相控阵技术、红外线热成像技术和声发射技术等先进的传感器及试验数据的实时动态采集技术,发展包括焊缝在内的关键疲劳易损部位疲劳裂纹萌生至扩展全过程的试验测试技术;利用信息挖掘与融合技术实现关键检测信息的挖掘与综合应用,可为理论研究和检测技术的工程应用奠定基础。

       (3)新型桥面板受力和疲劳性能研究。主要包括:新型镦边U肋与顶板焊缝的疲劳破坏机理及其疲劳性能可靠度研究;大纵肋正交异性钢板—组合桥面板的受力特性和疲劳性能;波形顶板正交异性钢—RPC组合桥面板的优化设计、力学性能和疲劳特性等方面。发展力学性能、经济性和疲劳性能优越的正交异性钢桥面板结构,将是正交异性钢桥面板疲劳问题研究的重要方向。

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作者单位:西南交通大学)

(编辑:江北)

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