抗衰有术——钢箱梁疲劳裂纹修复后的局部应力特征分析

钢箱梁因具有自重轻、强度高、抗风性能好等优点，广泛应用于国内外大跨径桥梁。但因其构造复杂，焊缝密集交错且相互约束，受力状态复杂，在往复车辆荷载下易发生疲劳损伤，而钢箱梁疲劳损伤裂纹常出现在易产生应力集中效应的连接焊缝处。随着钢桥服役时间的增长，对实桥裂纹的维修加固需求日益迫切。

钢箱梁通常设置横隔板构造，有效提高了结构的整体刚度。根据研究，在设置横隔板后能有效减小钢箱梁的畸变效应，但随着运营时间的增加，横隔板-U肋连接焊缝处会出现大量疲劳裂纹，对桥梁结构的安全产生影响。目前针对该构造细节疲劳裂纹的维修加固方法也逐渐得到应用，其中钻孔止裂法因其操作简单、临时止裂效果较好，而被当作一种常用的维修方法。目前，众多学者已开展了针对不同孔径孔位等参数下修复效果的对比研究，而针对钻孔止裂时机以及钻孔参数变化，对构件其他部位疲劳性能影响的探索则相对较少。另一种维修方法则是通过对局部开裂部位施加补强材料以进行加固，即以冷连接钢板、超高性能纤维混凝土组合层等具有零损伤或微损伤维护技术特征的手段实施冷维护方法。钢板是目前一种常规的补强材料，但其加固主要针对混凝土结构，在钢桥结构中的应用研究并不多见。

本文针对横隔板-U肋焊缝细节，结合有限元分析和实桥应力监测来研究钻孔止裂和钢板加固的疲劳裂纹维修效果，分析不同裂纹长度下的孔边应力分布特征、止裂孔对不同侧横隔板-U肋焊缝应力的影响，以及钻孔前后裂纹尖端和孔边的应力水平。该文提取了横隔板-U肋焊趾应力、连接胶层应力及裂纹尖端应力强度因子用于研究钢板加固效果，为实桥养护提供依据。

有限元模型

为明确横隔板-U肋连接焊缝疲劳裂纹钻孔维修后的孔边应力分布情况,以及开裂细节同侧和异侧横隔板-U肋连接焊缝在钻孔前后的应力变化，采用ABAQUS有限元分析软件建立有限元实体模型进行计算分析。模型包含铺装层、顶板、横隔板及U肋等构件，各构件尺寸依照大跨径钢箱梁桥常用尺寸进行模拟，钢桥面板顶板厚度为16mm，横隔板厚度为10mm，顶板U肋厚度为8mm；顶板U肋上缘开口宽度为300mm，下缘宽度为170mm，高度280mm；相邻U肋间距取值为600mm；弧形缺口下方设置拼接缺口，缺口位于U肋正下方，缺口尺寸为：80mm×75mm。裂纹起裂点位于横隔板-U肋连接焊缝横隔板焊趾处，采用围线积分法建立横隔板-U肋连接焊缝带裂纹有限元实体模型，裂纹采用“Create cut”制备。裂纹尖端止裂孔直径为10mm，止裂孔圆心与裂纹尖端重合。

模型采用C3D8R六面体网格以及C3D10四面体网格划分，对关注横隔板-U肋连接焊缝细节、裂纹以及止裂孔附近网格进行加密，网格尺寸细化为1mm，钻孔止裂有限元模型如图1所示。

图1 钻孔止裂有限元模型

为对比横隔板-U肋连接焊缝不同长度裂纹钻孔止裂后，对同异侧细节的影响大小以及孔边应力的变化情况，分别设置不同长度的裂纹工况进行计算分析，如表1所示。

图2 钻孔后应力变化

图3 孔边应力包络图

图4 孔边应力云图

测点布置

为评估钻孔止裂对实桥裂纹的修复效果，针对实桥上现有的横隔板-U肋焊缝围焊端扩展至横隔板母材的斜裂纹已进行钻孔止裂维修的位置进行应力监测，获取裂纹尖端和止裂孔孔边应力时程和疲劳应力幅。分别选取实桥上两条不同的裂纹进行钻孔和未钻孔处理，两条裂纹虽然非同一条，但考虑到二者距离很近且都为扩展至横隔板母材的斜裂纹，可认为其疲劳特征相似。实桥应变片粘贴如图5所示。

图5 实桥应变片粘贴

孔边应力分析

通过对裂纹尖端和孔边应变片的应变数据进行采集并处理，得到两位置的应变时程曲线，如图6所示。可以看出，对疲劳裂纹进行钻孔维修后，裂纹尖端附近的应力幅从120MPa左右（相当于600με左右）降低为孔边局部应力幅80MPa左右，降幅达到了33.3%，说明钻孔止裂可显著降低裂纹尖端的应力水平，从而达到延缓裂纹扩展的目的。对两位置处应变时程曲线进行对比还可发现，在裂纹未钻孔时，局部应力波动幅度较大，高低应力交替频次较快，应变时程曲线比较稀疏，粗略估算得知应力循环区间在-85～95MPa之间，拉应力峰值较大，且高应力幅出现的次数占总时程的比例明显较大，受力状态较为不利；而在裂纹尖端钻孔之后，孔边局部应力幅波动较小，应变时程曲线较为聚集，高应力幅占比显著降低，应力循环区间在-50～60MPa之间，钻孔后的孔边应力相比于裂纹尖端应力显著降低。因此可以得知，钻孔止裂维修效果显著，在裂纹尖端钻孔可以延缓裂纹的扩展。

图6 钻孔前后应变时程对比

为进一步评估钻孔止裂对于横隔板-U肋围焊端延伸向横隔板裂纹的维修效果，探究钻孔对于钢箱梁构造细节疲劳性能的影响，采用雨流计数法对两位置的应变数据进行处理，得到其应力幅谱。考虑到裂纹尖端以及孔边应力较大，因此略去30MPa以下的应力幅，如图7所示。

图7 钻孔前后应力幅分布对比

由图7可知，横隔板母材出现裂纹后，裂纹尖端应力幅多在60MPa以内，但也有不少超过100MPa的应力幅，最大应力幅达到188MPa，整体上看高低应力幅分布差异较大；对疲劳裂纹进行钻孔处理后，孔边局部应力幅基本都在75MPa以内，最大应力幅为138MPa，但超过100MPa的应力幅很少，局部低应力幅分布更为均匀，钻孔以后局部低应力幅循环次数明显增加，高应力幅值及循环次数均大幅下降。由此可知，对裂纹尖端钻孔止裂后，能够降低结构局部应力峰值，使得结构局部稳定在低应力阶段，从而改善局部受力状况，达到抑制裂纹扩展的目的。

为研究钢板对开裂后横隔板-U肋试件的加固效果，考虑纵肋与横隔板交叉构造细节，针对疲劳裂纹建立局部足尺试件模型。其中顶板厚12mm，横隔板厚8mm，U肋厚6mm，U肋断面尺寸为320mm×240mm×6mm。以垂直于连接焊缝方向为X轴，沿连接焊缝方向为Y轴，建立参考坐标系，模型尺寸如图8所示。采用“三维实体”建模方式，即补强钢板、胶层、钢材均采用三维实体单元进行模拟。假定钢板-胶层界面、母材-胶层界面不产生滑移，胶层与钢板和母材采用Tie接触进行绑定。胶层厚度设置为2mm。基于横隔板-U肋试件裂纹扩展方向的统计，取裂纹与横隔板-U肋连接焊缝夹角为36°。考虑到加固主要针对长裂纹，且根据试验结果，裂纹长度大于40mm时，它已扩展为贯穿性裂纹。因此，取裂纹长度为40～120mm，裂纹断面简化为矩形。假定钢材和胶层为各项同性材料，钢材参照Q345q型号钢，胶层按国家A类结构胶加以设置，钢材弹性模量E=206000MPa，泊松比v=0.3；胶层弹性模量E=5596MPa，泊松比v=0.25。

图8 加固后横隔板弧形缺口细节有限元模型

角钢加固作用主要体现在协同受力和约束裂纹张开两方面，选取裂纹长度为160mm时裂纹张开位移情况，分析针对顶部-U肋焊缝细节钢板加固机理。由于模型属于对称型，所以仅显示0～80mm处张开位移，如图9所示。由图可知，角钢加固后裂纹张开位移减小了59.3%，而协同受力仅导致裂纹张开位移降低19.7%，说明顶板-U肋焊缝细节钢板加固作用主要体现在降低结构应力和约束裂纹上。以裂纹张开位移为指标，评价两种作用的加固贡献，其中协同受力作用可贡献33.1%的位移减小量，而约束裂纹作用贡献剩余的位移减小量。表明由于弧形钢板连接刚度较大，针对顶板-U肋连接焊缝细节，钢板加固效果主要取决于约束裂纹作用。

图9 裂纹张开位移比较（a=160mm）

建立带裂纹模型，了解横隔板-U肋连接焊缝焊趾应力评价受损构件钢板加固效果，加固前后焊趾应力分布分别如图10和图11所示。由图可知，疲劳开裂后横隔板-U肋焊缝逐渐失效，导致焊趾应力水平显著降低。随着裂纹长度增加，焊趾应力水平进一步降低。加固后焊趾应力并未回升，且不同裂纹长度试件焊趾应力水平接近。

图10 加固前焊趾应力分布

图11 加固后焊趾应力分布

根据钢板加固机理解释，针对横隔板弧形缺口焊缝细节，钢板加固作用主要体现在代替受损截面参与协同受力。因此在钢板全覆盖加固的情况下，无论出现多少开裂截面，受损部位均由钢板主要承载，横隔板弧形缺口细节应力分布受初始损伤情况影响较小。

胶层破坏是钢板加固失效的主要原因，本文提取加固区域胶层单元Mises应力，用以分析钢板加固胶层破坏模式。其应力状态如图12所示，由图可知正方形胶接区域中横隔板弧形缺口角点应力较大，如A点应力为24.3MPa，C点应力为17.3MPa，均因弧形缺口处应力集中较大引起。因此，可认为胶层趋于从弧形缺口处开始破坏，此结论与HUR-7试件试验现象相符。同时由胶层应力云图可知，加固区边缘胶层应力普遍大于内部胶层应力，因此可认为胶结面趋于从边缘开始破坏，加固时仅需关注加固件边缘胶层粘结情况。

图12 胶层应力状态

应力强度因子（K）是反映裂尖弹性应力场的重要参数，它与外荷载和结构特性密切相关。本研究采用单面钢板加固方案，可定义横隔板胶接GFRP面为加固端，其反面为自由端。提取裂纹尖端应力强度因子用于研究钢板加固效果，加固端和自由端变化情况分别如图13和图14所示。从图中看出钢板加固效果明显，加固后加固端和自由端应力强度因子幅显著降低。加固端等效应力强度因子幅降低95%左右，自由端的降低80%左右，加固后加固端、自由端和下降至30MPa·mm1/2左右，相比于可忽略不计，表明加固后横隔板弧形缺口裂纹为典型的I型裂纹。钢板加固裂纹尖端应力强度因子均小于应力强度因子门槛值，说明钢板加固后可有效抑制裂纹扩展。

图13 加固端ΔK随裂纹长度变化曲线

图14 自由端ΔK随裂纹长度变化曲线

将加固端与自由端的进行对比分析，如图15所示，可发现两者差异较大。由图可知，加固端约为自由端的30%，因裂纹前缘两端受钢板约束裂纹作用不同所致，钢板通过胶结与试件共同形变从而限制裂纹发展。加固端直接与钢板贴合后，使裂纹张开受到限制，自由端则由于加固端裂尖张开受限从而间接约束裂纹。因裂纹两端所受约束作用不同，导致自由端比加固端裂尖应力强度因子更大，更具有扩展趋势。实桥中应重点关注自由端裂纹扩展情况，为钢板加固效果做出及时评估。

图15 加固端与自由端ΔK对比

综上所述，钻孔止裂及钢板加固具有以下主要特点：

第一，钻孔止裂能显著减小实桥变幅荷载下的横隔板-U肋母材斜裂纹尖端高应力幅及循环次数，降低了裂纹尖端疲劳损伤累积，改善了裂纹尖端局部受力，达到延缓裂纹扩展的效果。

第二，钢板加固可改善横隔板弧形缺口-U肋焊缝细节处应力水平,有效降低裂纹尖端应力强度因子,抑制裂纹继续扩展,延长结构疲劳寿命。单面裂纹加固时自由端应力强度因子约为加固端3倍,需重点关注自由端裂纹扩展情况。