主要文献和数据来源:Journal of Bridge Engineering, Journal of Structural Engineering, International Journal of Fatigue, Engineering Structures, Composite Structures, Journal of Constructional Steel Research, 土木工程学报, 中国公路学报, 西南交通大学学报等。
2.1 研究进展
在钢结构桥梁构造细节疲劳失效机理与疲劳抗力提升机制方面,周绪红等[4]-[5]和张清华等[10]针对纵肋与顶板构造细节和纵肋与横隔板交叉构造细节开展了试验和理论研究,明确了其受力特性和实际疲劳抗力。为了提升钢结构桥梁构造细节的疲劳性能,增大焊缝熔透率和镦边纵肋等方法被提出,但试验和理论研究均表明[10]-[12]:虽然引入镦边纵肋能够提高顶板焊趾开裂模式的疲劳抗力,但无法改善顶板焊根这一疲劳易损部位的疲劳抗力。为了提升纵肋与横隔板交叉构造细节的疲劳性能,优化横隔板开孔形式和设置内隔板等方法被提出,研究表明[5], [13]:优化横隔板开孔形式可以有效改善弧形开孔的局部应力集中问题,提高横隔板弧形开孔位置的疲劳抗力;设置内隔板虽能够提高纵肋腹板焊趾开裂模式的疲劳抗力,但施工困难且可能引发纵肋内焊机器人不能进入纵肋进行内侧焊缝施焊等问题。聂建国[3]和张喜刚等[7]明确指出发展高性能结构是实现我国工程结构可持续发展的必由之路。深化钢结构桥梁疲劳损伤机理的认识,并据此发展高性能新型构造细节和高性能结构,有效提升结构体系的疲劳抗力,是解决钢结构桥梁疲劳开裂问题的有效途径和当前的研究重点。
钢结构桥梁疲劳可靠度、疲劳裂纹扩展特性和服役性能劣化机理方面,李杰[14]在工程结构整体可靠性研究的基础上,建立了工程结构可靠性理论分析的新体系。李传习等[15]和李爱群等[16]基于可靠度理论对随机车辆荷载作用下钢桥面板的疲劳可靠度进行了评估,确定了运营荷载和构造细节设计等因素对钢桥面板疲劳可靠度的影响规律。卜一之等[17]和张清华等[18]建立了三维疲劳裂纹扩展模拟方法,对钢桥面板的疲劳裂纹扩展特性进行了系统研究,得到了其疲劳裂纹扩展规律。黄云等[19]针对表面缺陷对构造细节疲劳抗力劣化效应的影响问题开展了探索性研究,结果表明初始制造缺陷是决定构造细节疲劳抗力的控制性影响因素。但当前关于初始制造缺陷对钢结构桥梁疲劳抗力劣化问题研究仍较为欠缺,亟需开展深化研究。李亚东、卫星和揭志羽等[20]-[21]、Macho等[22]研究了人工预腐蚀和复杂应力场交互作用下构件连接部位的疲劳性能问题,就腐蚀对于疲劳损伤的效应机制和复合型疲劳裂纹的扩展准则进行了深入系统的实验和理论研究,结果表明:腐蚀将显著加速疲劳损伤的演化过程,进行疲劳抗力评估时必须充分考虑腐蚀的劣化效应问题。高宗余等[6]指出在海洋桥梁工程结构中,车辆荷载与复杂海洋荷载对于结构疲劳抗力的耦合劣化机理、海水腐蚀与结构疲劳损伤的交互作用机制等问题仍有待进一步研究。
2.2 团队的相关研究工作
高性能桥梁研究团队针对钢结构桥梁的疲劳损伤演化与服役性能劣化机理进行的研究,主要包括钢结构桥梁结构体系失效机理与主导疲劳开裂模式的确定、钢结构桥梁的加工制造过程与疲劳抗力的相关关系、外部腐蚀环境特性对钢结构桥梁疲劳损伤与服役性能劣化的效应机制等三个主要方面。
在钢结构桥梁结构体系失效机理与主导疲劳开裂模式的确定方面,研究表明[10]:钢结构桥梁的疲劳失效过程由各疲劳开裂模式的疲劳致损效应与其疲劳抗力的对比关系所决定,疲劳开裂首先在疲劳致损效应超过对应疲劳抗力的重要疲劳开裂模式出现,该疲劳开裂模式即为结构体系的主导疲劳开裂模式,对应的失效路径为结构体系的主导疲劳失效路径。以正交异性钢桥面板为例,其疲劳抗力由具有多疲劳开裂模式特性且疲劳抗力存在显著差异的多个构造细节共同决定;其中,纵肋与顶板焊接细节和纵肋与横隔板交叉构造细节的疲劳开裂占统计的大量疲劳开裂案例的91.2%,是决定正交异性钢桥面板疲劳性能的关键构造细节。针对上述两关键构造细节疲劳抗力不足的问题,从有效改善钢桥面板结构体系疲劳抗力的角度出发,主要完成了两方面的研究工作:(1)通过同时引入纵肋与顶板新型双面焊构造细节和多种纵肋与横隔板新型交叉细节,发展了高性能新型正交异性钢桥面板结构体系[10]。研究表明,实现结构体系主导疲劳开裂模式的迁移,是显著提高结构体系疲劳抗力的有效途径。高性能新型正交异性钢桥面板结构及其典型疲劳开裂模式如图1所示;(2)通过引入高性能混凝土结构层提高钢桥面板局部刚度、降低U肋的面外变形,提出了大纵肋正交异性钢—高性能混凝土组合桥面板结构体系,完成了普通混凝土(NC)、工程用水泥基复合材料(ECC)和超高性能混凝土(UHPC)三类结构层条件下,结构体系的力学行为和优化设计、关键传力构件的静力和疲劳性能、结构体系的疲劳失效机理等一系列的理论分析和试验研究工作,阐明了其疲劳损伤演化全过程及其疲劳失效机制,提出了考虑混凝土劣化效应的组合桥面板结构体系疲劳抗力评估方法。
图1 高性能新型正交异性钢桥面板结构及其疲劳开裂模式
在钢结构桥梁的加工制造过程与疲劳抗力的相关关系方面,高性能桥梁研究团队对于制造过程中产生的初始制造缺陷[19]和初始残余应力[24]所致的钢结构桥梁疲劳抗力劣化与失效机理问题进行了深入研究。由建造技术和方法所决定,钢结构桥梁焊接节点不可避免地存在初始制造缺陷和焊接残余应力。初始制造缺陷在细观尺度上所导致的几何不连续、应力集中和局部塑化,是显著降低疲劳裂纹萌生寿命并导致构造细节过早发生疲劳失效的关键。高性能桥梁研究团队从初始制造缺陷的细观尺度形态特性和微观金相组织形态特征出发,建立了从疲劳微裂纹成核、萌生到宏观裂纹扩展失效的大跨度钢结构桥梁焊接节点跨尺度疲劳损伤评估模型,揭示了初始制造缺陷对钢结构桥梁焊接节点疲劳抗力的劣化机理,结果表明:对于裂纹萌生寿命占绝对主导的钢结构桥梁而言,初始制造缺陷可导致疲劳抗力降低高达80%以上,典型分析结果如图2所示。对于焊接残余应力而言,研究表明,在外部车辆等交变荷载的作用下,焊接残余应力将逐步消散,消散过程由外部循环荷载幅值、应力比等参数所决定,如图3所示。总体而言,该因素对钢结构桥梁疲劳抗力的劣化效应显著小于初始制造缺陷所致劣化效应。
图2 大跨度钢结构桥梁跨尺度疲劳失效机理与评估
(a)焊接温度场仿真分析
(b)焊接残余应力场仿真分析
(c)焊接残余应力释放
(d)应力-应变滞回曲线
(e)释放过程
图3 初始焊接残余应力在外荷载作用下的耗散机制
图4 典型在役铆接钢桁梁桥疲劳性能的经时演化过程
3.1 研究进展
当前广泛采用的钢结构桥梁疲劳性能评估方法主要包括两类:基于应力幅与疲劳寿命相关关系的疲劳性能评估方法和断裂力学方法[27]-[38]。其中,基于线性累积损伤理论的名义应力法、热点应力法、结构应力法和切口应力法等在钢结构桥梁疲劳性能评估中得到了广泛使用[27]-[38]。Huang等[27]考虑钢桥面板纵肋与横肋交叉焊缝的多开裂模式和主导失效路径问题,基于热点应力法对该细节进行了寿命评估。祝志文等[28]基于实桥监测数据对钢桥面板横肋弧形开孔位置的疲劳裂纹扩展特性和失效机理进行了研究,并基于名义应力法和热点应力法对该部位的疲劳性能进行了评估,基于热点应力法确定了弧形开孔母材的疲劳强度等级(FAT125)。热点应力法能够考虑焊接结构焊趾处的应力集中效应,但计算结果易受模型有限元网格的尺寸影响。Luo等[29]采用切口应力法对钢桥面板顶板与纵肋连接构造细节的疲劳抗力评估问题进行了研究,确定了镦边纵肋与顶板焊接构造细节的疲劳抗力。Wang等[30]对钢桥面板顶板与纵肋构造细节的疲劳裂纹扩展机理进行了探究,在此基础上采用切口应力法对该构造细节的疲劳性能进行了评估。由于切口应力对焊缝部位的几何特征参数极为敏感,而在焊接过程中焊缝的尺寸在一定的范围内波动且随机性较大,实际上难以准确确定实际焊趾部位的准确几何参数,在一定程度上限制了切口应力法的应用。Li 等[31]针对钢桥面板关键构造细节多开裂模式条件下的焊接节点主导疲劳开裂模式和疲劳性能问题进行了研究。在断裂力学方法方面,陈艾荣等[32]-[33]和Cui等[34]基于断裂力学,通过非线性疲劳累积损伤理论考虑多因素的耦合致损效应,对实际交通荷载作用下的钢结构桥梁的疲劳寿命评估问题进行了研究。Sun等[35][36]基于钢材金相组织微观损伤力学理论,提出了自适应的大跨度钢结构桥梁跨尺度疲劳损伤评估方法,考虑了车辆的动态响应对实桥进行寿命评估。传统断裂力学方法用于疲劳寿命评估结果的关键问题在于评估的准确性高度依赖评估模型中参数的取值,而相关参数受外界环境和结构材料基本属性的影响而具有较大的变异性,加剧了疲劳寿命评估结果的离散性。基于断裂力学和损伤力学的疲劳性能评估方法仍有待进一步研究。
3.2 团队的相关研究工作
图5 基于主导疲劳开裂模式的结构体系疲劳抗力评估方法
4.1研究进展
4.2 团队的相关研究工作
图6 钢结构桥梁疲劳裂纹智能定位与识别方法
5.1研究进展
国内外学者针对钢结构桥梁在服役期出现的疲劳开裂加固与维护问题进行了理论和试验研究,提出了多种加固和维护方法,主要包括止裂孔法[65]、裂纹闭合冲击改进技术(Impact Crack-closure Retrofit, ICR)[66], [67]、装配式加固法(CFRP、FRP和钢构件等)[68]-[76]和组合结构体系方法[77]-[79]。吉伯海等[65]针对止裂孔的孔径和空间位置对钢桥疲劳开裂加固效果的影响问题进行了研究,并根据试验与理论分析确定了加固效果较优的止裂孔孔径等;Kinoshita等[67]和吉伯海等[66]通过模型试验研究了ICR加固方法在钢桥疲劳开裂加固中的适用性问题,对于采用ICR法加固时疲劳裂纹与冲击区域的合理距离给出了建议值;童乐为[68]、王春生[69]、Liu[70]、李传习[71]和Al-Azzawi[74][75]等通过粘贴、栓接或粘—栓混合连接等装配式连接方式与既有结构连接,提出了对既有结构微损伤或零损伤的冷维护方法;Lzadi等[76]提出了采用铁基形状记忆合金(Fe-SMA)对钢桁梁桥的疲劳开裂进行加固的方法,并通过疲劳试验验证了其适用性和可行性;邵旭东、田启贤和吴冲等[77][78]采用UHPC作为结构层,对正交异性钢板面板的轻型组合桥面结构加固方法进行了深入研究;Kolstein等[79]提出了采用夹层钢板加固纵肋与顶板焊接细节疲劳裂纹的加固方法。Kinoshita等[80]采用超声冲击方法对钢桥进行了加固,结果表明,超声冲击可有效改善焊接接头的应力集中问题,降低焊趾局部微观缺陷和焊接残余应力的不良效应,显著提高钢桥焊接接头的疲劳抗力。
高性能桥梁研究团队对钢结构桥梁疲劳开裂的加固方法进行了试验和理论研究,确定了止裂孔、激光熔敷等加固方法对加固效果的关键影响因素,阐明了关键影响因素对疲劳寿命的效应机制;发展了钢桥面板栓接钢构件的装配式加固方法并通过试验与理论分析验证了其加固效果;提出了一种基于新型智能材料——形状记忆合金(SMA)的钢结构桥梁主动加固方法,研究了主动加固方法对钢结构桥梁疲劳开裂的加固效果,阐明了SMA加固件对钢结构桥梁疲劳裂纹扩展的抑制机理,如图7所示。
图7 钢结构桥梁疲劳开裂加固与维护方法
总体而言,通过国内外学者长期艰苦卓绝的不懈努力,已建立钢桥疲劳研究领域的宏大图景和拼图的主要模块。在当前的时代背景下,站在巨人的肩膀上,紧紧抓住交通强国战略和我国大力推广钢结构桥梁的历史机遇,引入数学、力学、理论分析、试验检测技术、加工制造技术和人工智能等领域的最新成果,在基础理论和重大工程应用两方面继续努力,进一步深化对于钢结构桥梁疲劳失效机制的认识,发展新的理论与方法,根据实际需求拓展新的研究领域,通过创新性成果为钢结构桥梁的可持续发展建立更为完备的保障体系,前景光明,但仍然任重道远。笔者认为以下几个方面的研究对于深化钢结构桥梁疲劳开裂问题本质属性的认识、提高结构体系的疲劳性能具有重要的推动作用,是下一阶段的研究重点:
参考文献
高性能桥梁研究团队介绍
团队主要成员简介
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”、“唐立新优秀学者”,中国钢结构协会桥梁钢结构分会理事,国际桥梁及结构工程协会(IABSE)会员,世界交通运输大会(WTC)结构工程学部桥梁加固与维护学科技术委员会联合主席。主持完成国家自然科学基金和重大工程科技攻关项目多项,发表论文100余篇,出版专著2部。获中国公路协会科学技术奖特等奖2项、一等奖1项,四川省科技进步奖二等奖1项;获第三届中国科协优秀科技论文奖,2篇论文入选领跑者5000中国精品科技期刊顶尖学术论文(F5000)。
研究方向:大跨度高性能桥梁结构、钢结构桥梁疲劳。
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