摘要： 针对钢桥中钢板疲劳裂纹进行了一系列疲劳裂纹修复试验研究，以确定不同修复方法下结构的疲劳性能。高弹模CFRP（碳纤维增强复合材料）修复法是通过粘贴高弹模CFRP布来增大结构刚度，以延长结构疲劳寿命，且碳纤维材料基本不会产生疲劳裂纹，具有较好的抗疲劳效果。采用数值模拟和试验研究相结合的方法，首先对修复钢板的应力分布和特点进行了详细的分析，然后通过3组对比疲劳试验，确定了不同修复方法对损伤钢板疲劳寿命的增强效果。最后利用修复试验值与各国规范规定的S-N曲线进行比较，分析已修复钢板的疲劳性能。研究结果表明：在止裂孔上覆盖粘贴高弹模CFRP布可有效减小孔边应力集中，具有延长结果疲劳寿命的效果，修复后的裂纹钢板的疲劳寿命是仅用止裂孔修复的裂纹钢板疲劳寿命的8倍以上。仅用止裂孔法修复损伤钢板不足以满足各国规范规定的疲劳强度要求，而在止裂孔法上进一步采用高弹模CFRP布修复后的损伤钢板的抗疲劳性能更优，其疲劳强度等级高于美国规范AASHTO中的A类细节等级。
关键词： 钢桥；钢板；高弹模CFRP；疲劳裂纹；修复
Abstract： In order to repair fatigue cracks of steel plates in steel bridges，a series of fatigue crack repair tests of steel plates are carried out to determine the fatigue performance of structures using different repair methods. The high modulus carbon fiber reinforced polymer （CFRP）repair method is to increase the structural stiffness by pasting high modulus CFRP strips，which can also prolong the fatigue life of the structures. Carbon fiber has an excellent anti-fatigue performance，and fatigue cracks will hardly occur. In this paper，the finite element method and experimental research method are combined to analyze the stress distribution and characteristics of the repaired steel plates. Then three sets of comparative fatigue tests are conducted to determine the enhancement effect of different repair methods on fatigue life of the damaged steel plates. Finally，the fatigue performance of the repaired steel plates is compared with the S-N curves of national standards by using the repair test values. The research result shows that covering and pasting the high elastic modulus CFRP strips on the stopping hole can effectively reduce the stress concentration on the hole edge. Comparing with the cracked steel plates strengthened only with stopping hole，the application of CFRP strips can prolong the fatigue life by more than 8 times. The method repairing the damaged steel plates with stopping hole is not enough to meet the fatigue strength requirements of various countries. But the damaged steel plates after further repairing with CFRP strips have better fatigue resistance，and the fatigue strength level is higher than the Category A of AASHTO.
Keywords： steel bridge；steel plate；high elastic modulus CFRP；fatigue crack；repair
钢结构桥梁其因轻质高强、承载能力高等优点而被广泛应用于国内外缆索承重桥梁、大跨度钢箱梁等多种类型的桥梁结构中 [1-2] 。然而随着桥梁服役年限的增加，加上设计先天不足、构造细节复杂以及重载和超载车辆增加等不利因素影响，钢桥的疲劳病害问题逐渐显露 [3-5] 。随着疲劳裂纹的不断开展，直接导致钢桥面板的寿命和耐久性降低，最终影响桥梁运营的安全性和可靠性，因此解决钢桥疲劳问题势在必行。
钢桥疲劳裂纹修复方法通常有止裂孔法 [6] 、焊补法 [7] 以及钢板补强法 [8] 。传统的钢结构疲劳裂纹修复方法虽然在一定程度上改善了原结构缺陷部位的受力状况，但同时又给结构带来了新的问题。例如采用止裂孔法会对截面产生削弱作用。另外，若无法准确在裂纹尖端定位止裂孔的位置，则裂纹会继续扩展，从而导致止裂孔的作用失效。而采用焊接法在打磨焊缝时耗时较长，施工质量要求高，且容易在焊趾部位引入对抗疲劳性能不利的残余应力。对于钢板补强法，盖板在连接过程中采用焊接连接或螺栓连接总会不可避免地产生新的局部应力集中或新的缺陷，因而容易产生新的疲劳裂纹，并且安装重型钢板或型钢会增加结构的自重，从而降低加固效率。
近些年来，碳纤维增强复合材料（carbon fiber reinforced polymer，CFRP）因其强度高、耐腐蚀和补强效果好、施工简便等特点，而成为传统修复方法之外的一个新选择 [9-11] 。国内外一些学者对CFRP加固钢结构疲劳裂纹进行了研究。WU等 [12] 对超高弹模（460GPa）CFRP加固的裂纹钢板进行了疲劳试验研究，结果表明超高弹模CFRP相较于普通CFRP具有较好的加固效果，且超高弹模CFRP的加固效果接近于预应力CFRP的加固效果。EMDAD等 [13] 研究了碳纤维片加固含中央裂纹钢板的疲劳性能，试验结果表明，相较于未加固钢板，采用CFRP板进行加固能将其疲劳寿命提高6.5倍以上，而采用预应力CFRP板进行加固能将疲劳寿命提高10倍以上，因此采用预应力CFRP板加固含中央裂纹的钢板可以显著提高其疲劳寿命。GHAFOORI等 [14] 提出采用扁平预应力无黏结加固（flat prestressed unbonded retrofit，FPUR）系统对澳大利亚的一座旧钢桥进行加固，短期和长期的监测结果表明FPUR系统对于改善钢梁疲劳性能非常有效。通常来说，CFRP加固钢桥疲劳裂纹以延长疲劳寿命的机理有两种：减小平均应力——预应力CFRP；增加结构刚度——粘贴CFRP。具体表现为通过对CFRP施加预应力来对钢结构施加预应力，可直接减小平均应力，降低应力比；粘贴CFRP是利用黏结剂将CFRP粘贴到钢结构损伤部位的表面，使一部分荷载通过黏结层传递到CFRP上，降低了结构损伤部位的应力幅。
在实际工程中，例如钢桁梁等钢桥存在许多受拉钢构件。由于结构缺陷和焊接残余应力的影响，钢构件在往复行车荷载下容易产生疲劳裂纹。而钢箱梁横隔板弧形切口最小截面处即使处于受压状态也会产生疲劳裂纹。横隔板弧形切口是由火焰切割而成，容易产生较大的残余应力 [15] ，甚至接近于钢材的屈服强度，并且在最小截面处存在显著的应力集中，故此处容易产生疲劳裂纹。现有研究大多针对3mm、6mm、8mm等薄钢板的疲劳裂纹 [16-18] ，关于钢桥中厚钢板的疲劳裂纹修复研究较少。为了弥补现有止裂孔方法作为临时止裂措施的不足以及提升构件的剩余疲劳寿命，本文在采用止裂孔加固方法的基础上进一步采用CFRP粘贴修复，实现“止裂孔+CFRP”联合修复机制。本研究首先建立止裂孔修复和CFRP修复有限元模型，分析得到已修复钢板的应力分布特征和止裂机理。其次，在进行疲劳裂纹修复试验之前，先对带缺口的标准钢板试件预制裂纹，再分别对采用不同修复方法处理后的试件进行正式疲劳试验研究，同时设置未修复组进行对照，得出加固试件的破坏形态，进而确定疲劳寿命提升效果。另外，通过研究得到已修复钢板的试验值，并与各国规范规定的相关疲劳等级曲线进行对比分析。
1 钢板修复试验
1.1 试件设计
为了研究钢桥中钢板疲劳裂纹的开展情况以及后续的修复试验，标准钢板试件的厚度取为小跨径钢与组合结构桥梁横隔板或横梁的最小厚度12mm，其平面尺寸需与试验设备MTS 647 Test Frame系统的工作空间相适应，故设计为620mm×230mm的哑铃形板件（中间部分尺寸为380mm×160mm），以使外荷载更加均匀地传递，如图1所示。对于缺口尺寸，借鉴《金属材料 疲劳试验 疲劳裂纹扩展方法》（GB/T 6398—2017） [19] 中对缺口尺寸和最小疲劳预制裂纹的要求，取缺口长度为16mm，缺口宽度为6mm。考虑到裂纹均一性及精度控制和实际可操作性等原因，利用数控线切割机床在缺口处加工出长度为14mm左右的裂纹。
图1 标准钢板试件及缺口尺寸（单位：mm）
Fig.1 Standard steel plate specimen and notch size （Unit：mm）
1.2 有限元模型
为获得适用本试件模型的最佳止裂孔孔径，利用ABAQUS软件分别建立止裂孔直径为8mm、10mm、14mm、18mm和22mm的5个钢板有限元模型。试验所用的钢板均为Q345钢材，采用实体C3D8R单元模拟。钢板模型的材料参数根据实际材性试验结果输入，弹性模量为2.105×10 5 MPa，泊松比为0.3。除止裂孔大小外，其余参数均相同，预制裂纹采用Seam模拟，边界条件及荷载如图2所示。整体单元尺寸划分精度为2mm；在关注的缺口处，有限元的网格划分精细到0.5mm。
图2 止裂孔有限元模型
Fig.2 FEM of stop-hole
计算得到5个模型在相同荷载60kN下的钢板最大主应力如图3所示。随着止裂孔孔径的增大，钢板最大主应力降低，但是降低幅度逐渐趋于平缓。止裂孔虽然消除了裂纹尖端的应力集中，但同时也减小了截面面积，因此钻止裂孔时需要选择合适的尺寸。结合分析结果并参考相关文献 [20-22] ，最终选用?14止裂孔，该尺寸的止裂孔具有较好的止裂效果，且对截面削弱少。
图3 不同止裂孔直径的钢板最大主应力
Fig.3 Maximum principal stress of steel plate with different diameters of stop-hole
高弹模CFRP布粘贴修复组模型是在止裂孔模型的基础上双面粘贴50mm×250mm的CFRP布，CFRP布采用日本东丽公司生产的UT70-30型碳纤维布，其性能指标如表1所示。结构胶采用悍马公司生产的HM-180C3P碳纤维浸渍胶，其抗拉强度为53.1MPa，抗拉弹性模量为2.49×10 3 MPa。有限元模型及局部网格如图4所示，其中CFRP布采用Composite Layup创建，层数为10，每层厚度为0.167mm，铺角均为90°。结构胶采用4节点减缩积分四边形壳单元（S4R）模拟，胶层厚度为0.55mm，其他参数均与止裂孔模型一致。
图4 高弹模CFRP布有限元模型
Fig.4 FEM of high elastic modulus CFRP strips
孔径为14mm的止裂孔模型和高弹模CFRP粘贴修复模型在60kN荷载下的钢板最大主应力分布如图5所示。以止裂孔边缘为关注点，单一止裂孔模型的钢板最大主应力为238MPa，而经过高弹模CFRP粘贴修复后，该处最大主应力降至82MPa，相比于单一止裂孔，最大主应力削减了66%，说明粘贴CFRP布可有效减小止裂孔边缘的应力集中，进一步延长裂纹钢板的疲劳寿命。结合图6~7可以看出，钢板截面刚度在缺口裂纹处发生突变，使得胶层荷载应力在此增大，因而使CFRP承担的荷载增加，单层CFRP在裂纹处发生应力集中，应力达到了328.7MPa，由此表明粘贴CFRP布可以提高结构刚度，以有效降低损伤截面的部分荷载，从而延长损伤钢板的疲劳寿命。
图5 两种修复方法下钢板的主应力分布（单位：MPa）
Fig.5 Principal stress distribution of steel plate under two repair methods（Unit：MPa）
图6 高弹模CFRP粘贴修复模型胶层应力（单位：MPa）
Fig.6 Adhesive layer stress of high elastic modulus CFRP paste repair model （Unit：MPa）
图7 单层CFRP主拉应力分布（单位：MPa）
Fig.7 Principal tensile stress distribution of single layer CFRP（Unit：MPa）
1.3 修复方法
预制裂纹后，对钢板分别采用止裂孔法、高弹模CFRP布粘贴加固止裂孔法进行修复。止裂孔修复组是以预制裂纹尖端为圆心打孔止裂，孔径为?14mm，如图8所示。高弹模CFRP布粘贴加固止裂孔法同样先在裂纹尖端处钻一个直径为14mm的止裂孔，然后再双面各粘贴10层尺寸为50mm×250mm的CFRP布，且纤维排布仅保留90°（竖直方向）。修复流程如图9所示，打磨之后需再用细砂纸增加表面粗糙度，其中刮板需反复碾压以使CFRP布平直、延展、无气泡，并使结构胶充分渗透。
图8 止裂孔修复组
Fig.8 Crack stop repair group
图9 高弹模CFRP布修复流程
Fig.9 Repair processes of high elastic modulus CFRP strips
2 钢板疲劳试验
2.1 加载方案
试验共采用9块标准钢板试件，在预制裂纹后将其分为未修复组（组别1）、止裂孔修复组（组别2）及高弹模CFRP修复组（组别3），每组3块试件。试件采用中点对称加载，静载及动载试验加载装置均采用位于苏交科结构实验室的MTS 647 Test Frame系统，上下夹具的夹持区域为100mm×126mm，下端固定，上端作动器施加荷载。具体的试验装置如图10所示。
图10 疲劳试验装置
Fig.10 Fatigue test setup
在进行正式疲劳试验之前首先对试件进行10~60kN梯级预加载，以确定应变片正常工作并验证有限元计算结果的可靠性。正式疲劳阶段采用常幅加载，疲劳荷载为正弦波，荷载频率为10Hz，应力比为0.1。结合静载试验和有限元分析结果，为提高试验加载效率，故试验设计的荷载幅较大。试验详细设计如表2所示，试件编号中的第1个数字表示组别，第2个数字表示同一组别的不同试件。
2.2 测点布置
由于试件采用预制裂纹，在单向拉伸荷载作用下可预测裂纹扩展的大致方向。因此在钢板两侧裂纹扩展方向上布置应变花与应变片。未修复组（组别1）和止裂孔修复组（组别2）的测点布置如图11a）~b）所示，其中组别1和组别2均以距试件边缘45mm应变花所测应力幅发生明显变化或尖端应变片破坏（二者基本同步）为疲劳失效标准，而组别3由于CFRP修复区域影响，去掉了应变花，仅保留分别距离钢板边缘60mm和90mm的应变片。高弹模CFRP修复组的实际测点布置如图11c）所示。
图11 正式疲劳试验阶段测点布置（单位：mm）
Fig.11 Layout of measuring points in the formal fatigue test phase（Unit：mm）
3 试验结果和分析
