探究钢桥疲劳损伤及疲劳裂纹维修

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1、探究钢桥疲劳损伤及疲劳裂纹维修摘要：目前，钢结构桥梁均面临着普遍的疲劳问题以及产生疲劳裂纹带来的维修问题。阐述了钢桥疲劳损伤问题产生的机理，提出可能的维修方法及其优缺点，为钢结构桥梁的设计与维修提供依据。关键词：疲劳损伤裂纹维修中图分类号：U441文献标识码：A文章编号：1007-3973(2012)005-013-021前言人类的文明发展史中，桥梁占据有重要的地位。而中国的造桥技术为世人所公认，在过去的很长一段时间内保持着世界领先的水平。早在公元前五十年，中国就已经建成跨度近百米的铁索桥。在国外英国最早建成了钢桥。1779年，英国建筑师普理查德使用

2、铸铁建造了西方第一座铸铁桥。在此之后，建桥材料由铸铁变为锻铁，最终采用钢材料。随着当今科学技术的突飞猛进，钢桥在设计、材料、形式等方面都有了很大进步。近年来随着国民经济不断发展，交通压力不断增加，车流密度不断增大，这使得桥梁的荷载幅度越来越接近极限，钢桥的安全可靠性也越来越受到社会的关注。1995年，广州的海印大桥的斜拉索由于日常养护不合理，造成严重锈蚀，其中一根发生脆断，突然断落。1999年，重庆彩虹大桥桥梁疲劳破坏倒塌，导致55人的伤亡；2006年，墨西哥湾的一座大桥发生垮塌，导致约106人伤亡，另有8人失踪。2疲劳损伤机理疲劳是造成桥梁损伤，影

3、响桥梁使用年限的主要因素。目前桥梁钢结构大多使用焊接工艺，在焊接区域，桥梁结构由于当初设计的不合理性和反复重在作用下，很容易产生应力，从而在钢结构上产生疲劳裂纹，缩短钢桥的寿命。在钢桥结构中，由于变形引起疲劳裂纹主要分为两种：一种是腹板的呼吸疲劳，当板梁腹板的长宽比、高厚比超过一定限度时，在大于屈曲荷载的面内的荷载作用之下，腹板将会产生更宽的面外位移，而这个面外位移又将反过来在焊接板的边缘形成较高的弯曲应力。长此以往，在重复荷载的作用下，将产生疲劳裂纹，最终使得钢结构提前失去效应。另一种疲劳裂纹是由于桥梁设计时没有料想到横向与纵向构件之间相互作用而产

4、生的，这种现象一般出现在主梁腹板的间隙细节处。2.1钢桥腹板呼吸疲劳损伤在钢桥设计中，设计师由于采用极限能力设计法，倾向于将腹板设计的薄一些，以便获得更好的经济收益和社会效益。但是当这种高薄的腹板受到大于屈曲荷载时，会出现显著的“呼吸特征”，久而久之就会在腹板焊缝边缘产生大量的疲劳裂纹和缝隙。早在1960年，美国学者就开始研究呼吸疲劳了oMueller和Yen对15片主梁腹板(厚度5"10mm,翼缘厚度15~40mm,高厚比129~287,高宽比0.5〜2.4的足尺板梁)进行了一系列试验。试验结果表明：其中9片主梁腹板出现疲劳裂纹的最大荷载为0.5〜

5、1.0倍的理论极限荷载；其余6片主梁腹板出现疲劳裂纹的最大荷载为0.50~0.85倍的理论极限荷载。通过对这些主梁腹板进行弯曲、剪切载荷的受力分析，得到一系列测量值，然后从实测曲线图得到疲劳裂纹位置的二次弯曲应力。2004年，德国的Kuhlmann、Gunther用数值分析的方法分析研究了纵向加劲，观察其结构如何影响呼吸疲劳，通过一系列测量数据推得如下关系式：公路桥梁：h/tW4L+30W300(eOWa/250)铁路桥梁:h/tW3.3L+55W250(eOWa/250)式中L为梁的跨径，单位m,且L^20m；h/t为腹板的高宽比；e0为初始缺陷。

6、Kuhlmann.Gunther认为在设计腹板时，采用满足公式的高厚比，能有效避免腹板的呼吸疲劳。2.2钢桥的腹板间隙变形引起的疲劳钢桥腹板的面外变形引起的疲劳问题比腹板的呼吸疲劳更加普遍，在多种桥梁造型中都会有面外变形所引起的一系列疲劳裂纹。1963年，Mueller、Goerg、Yen设计出了T型小试件的试验原型，用于模拟翼缘一一腹板的边界条件。1977年，Fisher对试验结果进行分析研究，研究结果表明：合理评估腹板缝隙疲劳抗力的下限值为C类细节。但他们未能解决将小试件的实验结果推广到大试件，而且实验次数也不够多，对于C类细节的结论也只能用来近

7、似评估结构的细节抵抗疲劳的情况。1982年，FISher对美国的部分桥梁进行调查研究，在140座产生裂纹的桥梁中，在这中间，63座桥梁的疲劳裂纹是由于钢桥构件的面外变位引起的。1988年，Catiulinni等对钢桥面外变形造成的疲劳问题进行分析，详细研究了可能造成疲劳的两个参数：腹板缝隙长度L（分别为0mm,50mm,100mm）和缝隙位置处的腹板厚度to实验数据表明：变形方向与荷载施加方向有明显的关系，腹板间隙相对面外变形随着腹板厚度t的增大而减小,但当腹板间隙长度为50mm时，t增大会导致腹板间隙的应力急剧加大；腹板缝隙长度为100的时侯，t加

8、大对腹板缝隙的应力作用大小很小。由上述结果得：L的变化对面外变形影响小，但增大t可使面外变形减小。基于上述分