焊接钢桥结构细节疲劳裂纹成因及解决对策

郭春华，任伟平

(1.绍兴市曹娥江袍江大桥建设工程指挥部，浙江 绍兴 311800;2.西南交通大学，成都 610031)

随着运营车辆总重和交通量的不断增加，桥梁钢结构所面临的疲劳问题正变得日趋严重。特别是20世纪60年代以来，许多钢桥出现了各种形式的疲劳裂纹，因疲劳断裂而酿成的灾难性事故也时有发生。根据美国土木工程学会疲劳与断裂分委会的调查结果，80%～90%的钢结构破坏均和疲劳有关，疲劳已成为桥梁钢结构失效的主要形式之一。对我国来说，近些年来各类形式钢桥数量正不断增加，一方面需要确保大量新建钢桥构件的疲劳设计强度满足要求，另一方面急需对大量正在运营的既有钢桥的剩余疲劳寿命做出正确判断，并对存在疲劳问题的构件采取及时有效的方案进行修复。为更好解决这些问题，就需要对焊接钢桥结构细节疲劳裂纹的产生机理及解决对策进行研究。

1 焊接钢桥易疲劳破坏的典型细节

1.1 工形钢梁盖板端部连接

对局部焊有外层盖板的工形钢梁而言，无论盖板端部有无横向焊缝，还是改变盖板端部的几何形状，盖板端部细节处的疲劳强度均很低［2-4］。大量实例和试验研究表明，在车辆荷载作用下该细节极易产生疲劳开裂破坏，且疲劳裂纹一般均萌生在盖板末端与翼缘的连接角焊缝焊趾处。20世纪70～80年代，世界上有多座钢板梁桥均出现了此类疲劳裂纹(图1)，比较典型的有美国的 Yellow Mill Pond桥，澳大利亚的King’s桥［1-2］，以及我国的京包铁路上的关沙河桥等。

图1 外层盖板端部疲劳裂纹

1.2 平纵联节点板与主梁的连接

平纵联与主梁连接处的节点板通常需焊连到主梁的翼缘(连在翼缘侧边或搭在翼缘上面)或腹板上。大量实例和试验研究表明，平纵联节点板连接焊缝端部的疲劳强度相当低，基本接近于各国规范疲劳强度分级的最低等级，稍有不甚此细节极易产生疲劳开裂破坏。美国已有多座钢桥发现此类疲劳开裂破坏(见图 2)，如美国的 Lafayette Street桥、Hoan 桥等［1］。

图2 主梁腹板上平纵联节点板焊缝处的疲劳破坏

1.3 钢板梁横梁(或横联)连接板端部连接

20世纪80年代前国内外的钢桥设计规范只允许横梁(或横联)连接板端部与受压翼缘焊接，并禁止其与主梁受拉翼缘焊接，目的是为了避免受拉翼缘产生疲劳裂纹。不幸的是，按此要求进行设计的许多钢板梁桥的横梁(或横联)连接板端部间隙区却发现了大量的疲劳裂纹［1，4，5］，其原因多为在小间隙区产生的面外变形而导致，图3为实桥中此类疲劳裂纹的照片。此类疲劳裂纹的产生位置有两处:一是腹板和翼缘间的角焊缝焊趾处，裂纹形状呈水平状;二是腹板和连接板间角焊缝的端部，裂纹形状呈马蹄形。

图3 连接板上端部平面外变形所产生的疲劳裂纹

1.4 横梁与主梁弦杆(或系杆)间连接

横梁与主梁弦杆(或系杆)间连接构造的功能是将桥面系荷载传递给主梁，其最理想的受力状态是只传递剪力而不传递弯矩，因为梁端弯矩过大可能会引起主梁弦杆(或系杆)的扭转，并导致构造设置困难。因此，仅在横梁腹板上设置一对连接角钢与主梁弦杆(或系杆)相连是国内外的普遍做法。但事实表明，此种连接方法常会导致在两个位置处出现疲劳裂纹:一是横梁上翼缘与腹板连接焊缝端部，另一处是连接角钢端部。美国已有数十座系杆拱桥和钢桁架桥在此位置处发现了大量的疲劳开裂破坏，近期我国一座钢桁梁桥中也在该处出现了普遍性的疲劳裂纹。图4为美国一座系杆拱桥在此细节处的疲劳裂纹照片［6］。

图4 横梁与弦杆连接细节处横梁腹板上的疲劳裂纹

1.5 板梁竖向加劲肋焊缝端部细节

钢板梁竖向加劲肋与腹板间连接角焊缝端部曾因设计不合理(间隙过小)而出现过大量的疲劳开裂实例，如我国京山线的北运河桥、京山线的饮马河桥、湘桂线的浪江桥等。此类疲劳裂纹产生的原因，是由于加劲肋的刚度比腹板的面外弯曲刚度大得多，腹板的面外弯曲变形集中发生在加劲肋焊缝端部与受拉翼缘之间的微小间隙处，即在该小间隙处就产生了小变形大应变。

1.6 纵横梁桥面系的梁端连接

纵横梁桥面系中纵梁与横梁梁端连接处(图5)的影响线底边长度较短，当每辆(列)车通过时可能会产生多次应力循环，此外还要直接承受车辆荷载的冲击作用，许多实桥运营表明，该连接细节极易出现疲劳破坏［4］。

图5 纵梁与横梁的连接

1.7 横梁和悬臂托架间连接板

横梁和悬臂托架间连接板(鱼形板)也是较早发现的面外位移引起疲劳开裂的一种典型细节。特别是在我国的铁路桥和欧美的一些公路叠合梁桥中，曾大量出现过此类疲劳裂纹。原因主要是如图6所示的主梁与纵梁不同变形在连接板中产生的面外变位，在连接系板中产生了很高的弯曲次应力而导致的，该类疲劳裂纹主要出现在支座上方及其附近位置。

图6 横梁和悬臂托架间连接板上的疲劳裂纹

1.8 斜拉桥索梁锚固区连接

斜拉索在钢主梁上的锚固区是斜拉桥结构中一个极其重要的部位，巨大的索力由它传递给钢主梁，该区域受力集中、结构复杂，且直接承受车辆动荷载作用。随着斜拉桥跨径的不断增加，斜拉索在钢主梁上的锚固区构造及其疲劳性能也更为桥梁研究人员所关注，国内外许多大跨度钢箱梁斜拉桥修建时都对斜拉索在钢主梁上锚固区域的疲劳性能进行了试验研究。近几年来，作者对南京长江二桥锚箱式索梁锚固结构、广东湛江海湾大桥锚拉板式索梁锚固结构等进行了足尺模型疲劳试验［7］。根据试验研究，并结合国内外其它研究成果，可得:如果构造细节设计合理，在保证加工制造工艺的情况下，目前常用的锚箱式、锚拉板式、耳板式、锚拉管式以及销铰式等索梁锚固结构的疲劳性能均能满足使用寿命的要求。但设计与制造过程中需要注意以下几点:①几何形状变化引起的应力集中;②必须制定合理的焊接工艺，特别是操作空间受限时应更加注意控制焊接质量;③强制约束、面外变形等因素引起的次应力。

1.9 正交异性钢桥面板

正交异性钢桥面板以自重轻、施工周期短等优点，已成为现代大中跨度钢桥最常采用的桥面结构形式，但正交异性钢桥面板疲劳开裂的实例已在许多国家的钢桥中出现，因此其疲劳性能格外令人关注［8-9］。关于钢桥面板出现的疲劳开裂，最早见有报道的是著名的英国Severn公路桥，该桥1966年建成通车后，分别于1971年和1977年发现了3种焊接细节的疲劳裂纹:①纵肋与横梁角焊缝连接处;②梯形纵肋下缘与浮运隔板焊接处;③纵肋腹板与盖板连接角焊缝。钢桥面板在我国使用的时间虽然不长，但在多座桥梁中仍然出现了一些疲劳裂纹。

正交异性钢桥面板疲劳问题之所以比较突出，主要有以下几个因素:①钢桥面板直接承受车辆轮荷载的反复作用;②各部位应力影响线长度较短，一辆车经过可能会产生多个应力循环;③钢桥面板应力状况比较复杂，并且交叉部位应力集中严重;④许多现场拼接接头的焊接质量不易保证［8］。

1.10 管结构焊接节点

无论是100多年前就已经出现的空心管桁架桥，还是近些年来在我国大量兴建的钢管混凝土拱桥，其中存在的空管-空管、空管 -钢管混凝土连接接头的的承载力和疲劳性能都备受关注［10］。

现代管结构多采用主支管直接相贯焊接的节点构造形式。就空心管结构而言，由于支管的轴向刚度远远大于主管的径向刚度，支主管的相贯线成为整个结构的薄弱环节。该处不仅会出现很高的应力集中，而且又存在焊接缺陷和焊接残余拉应力，多种不利因素相叠加使管节点对交变荷载的抵抗能力较低，疲劳裂纹往往起源于高应力区的初始缺陷处，然后由表面裂纹扩展并穿透管壁后导致节点产生破坏。

30余年来国际焊接学会(IIW)，美国焊接学会(AWS)以及欧洲钢结构协会(ECCS)都对管结构及其连接进行了大量的试验研究工作，形成了一系列配套完整的规范。但国内桥梁设计规范对管结构的疲劳验算尚无规定，因此对管节点疲劳问题应该引起桥梁设计者的注意。

2 防止焊接钢桥疲劳破坏的方法

2.1 焊接钢桥的疲劳设计

焊接钢桥的疲劳设计，是在完成了结构静力强度设计并确定了各构件的截面尺寸及其连接细节后，为避免结构在设计寿命期内因疲劳导致的失效或修补而必不可少的程序。由于疲劳破坏通常局限于构件或细节的局部区域，并不牵涉到整体结构，因此局部改变细节设计或工艺水准，可以明显改善结构抗疲劳破坏的性能，增加结构的疲劳寿命。实践证明，正确的疲劳设计是防止疲劳破坏的有效措施。

2.1.1 钢桥疲劳设计注意事项

焊接钢桥疲劳裂纹扩展速率呈指数增长，早期增长较慢，并占疲劳寿命的绝大部分。根据目前的技术水平，要及时对结构中的早期疲劳裂纹进行探测还存在一定的因难。因此除了在制造和施工时尽量采取措施减少因材料不连续或焊接缺陷、机械损伤形成的刻痕或擦痕等缺陷外，还应在设计时对下列可能的疲劳裂纹起始处给予足够的重视［11］:焊缝的根部(焊趾)、焊缝端部、倒角、冲孔和钻孔、构件和焊缝的局部截除等“缺口”所产生的应力集中、剪切边、周期性振动的细长杆件及其连接细节、不同方向构件连接细节处的小间隙区的面外变形、简支端部连接细节的约束作用。

除了注意这些易发生疲劳破坏的细节外，设计时通常还需要考虑下列因素:尽可能降低细节的应力集中程度，提高结构的疲劳抗力;在设计中必须详细说明设计细节的制造质量要求，诸如不连续缺陷的界限值以及相应的探测方法和探测范围等;尽可能准确地预测整个设计寿命期间完整的车辆荷载谱;对于复杂结构如何建立合适的有限元分析模型，来准确计算车辆荷载作用下的结构响应;合理考虑环境因素对构件疲劳强度的影响。

2.1.2 提高钢桥焊接细节疲劳强度的方法

在焊接钢桥的设计和制造过程中，某些疲劳强度较低的细节有时是难以避免的，若采取增大构件断面降低其名义应力的方法，来确保其疲劳寿命，从技术和经济角度来看是不合适的，特别对于目前趋向使用高强度钢材的情况更是如此。因此，采用一定的措施来提高这些焊接细节的疲劳性能对于现代焊接钢桥的进一步发展具有重要的经济意义。近些年来，人们已经研究出了多种提高焊接细节疲劳寿命的方法，概括起来可以分为三类:一是改善结构细节的几何形状，减小结构的几何应力集中(砂轮磨修、TIG重熔等);二是在容易产生裂纹缺口的位置预制残余压应力，或者消除有不利影响的焊接残余拉应力(锤击、超声波冲击等);三是覆盖特殊涂层，防止腐蚀介质的不利影响(涂装油漆、复合材料等)。

2.2 焊接钢桥疲劳裂纹的检查和修复

2.2.1 焊接钢桥疲劳裂纹检查

对运营期间的钢桥进行必要的检查和修复，与正确的疲劳设计、完善的制造质量控制一样，对防止早期疲劳裂纹的扩展和延长桥梁使用寿命具有非常重要的意义。在我国的桥梁检查和维修管理中，往往偏重于结构的静力性能检查和钢材的防腐保护等方面，而对桥梁的疲劳问题缺乏合适的检查和评定。近些年来，由于欧美、日本等国的大量钢桥已经进入“老龄”期，并且不断有钢桥出现疲劳裂纹，因此为了确保交通运输的安全和尽可能延长桥梁的使用寿命，他们已将桥梁维修管理中的钢桥疲劳问题列为重点研究对象，并在桥梁维修手册中进行了较为详细的规定和说明。例如美国AASHTO的《桥梁维修检测手册》，国际经济合作和发展组织的《桥梁检测手册》，日本技术检查协会的《公路钢桥检测手册》，欧洲钢结构协会第六技术委员会的《钢结构疲劳设计规范》等都对钢桥的运营检查和维修做出了原则性的规定。

对钢桥制造过程中的钢材和焊缝缺陷或裂纹，应由制造企业按照产品质量检验规程，使用X射线和超声波探伤等无损检测方法加以控制。对钢桥运营期间萌生的表面裂纹检测，常用方法有目视检查、着色渗透液检查和磁粉探伤检查等。目视检查就是在日常巡视检查和定期检查时，首先用肉眼观测结构中是否有漆膜开裂迹象或伴随有线状流锈等情况，这通常是裂纹的象征。若发现这些情况，就应清除油漆并用砂纸磨光，然后用10倍放大镜做进一步的观察和分析。疲劳裂纹的走向一般垂直于主应力方向，必要时应使用着色渗透液和磁粉探伤等方法做进一步检查。

2.2.2 焊接钢桥疲劳裂纹修复

由于各种桥梁结构体系和局部几何尺寸的差异，其疲劳裂纹形状也各不相同，因此疲劳开裂细节的修复方法也多种多样。下面给出一些常用修复方法:钻孔;冷膨胀;使用高强螺栓填充钻孔(与钻孔配合使用);加强腹板间隙的刚度;栓接拼接板;将连接板割短;移除横隔板和横向框架;放松部分连接螺栓;重新配置横隔板;重新焊接;锤击;TIG重熔;超声波冲击;使用组合材料等。

要对疲劳裂纹进行成功修复，首先必须通过理论分析或试验研究等方法，弄清造成细节局部应力集中或变形的真正原因，然后再综合考虑该选用哪种方法以及如何实施等，待修复完成后，还需要对修复细节进行定期检查，从而确保疲劳开裂细节的安全。

3 结语

工程界对疲劳问题的感知已有百年以上的历史，但由于结构疲劳涉及的理论和工程实际问题很广，至今仍然有许多研究工作要做。不管是已经使用多年的老龄钢桥，还是刚刚建成或即将建成投入运营的新钢桥，如果细节设计或制造不当，都可能面临严重的疲劳问题，甚至引发桥毁人亡的灾难性事故。认识焊接钢桥典型构造细节存在的疲劳问题，分析其疲劳破坏特点及主要影响因素，总结其疲劳破坏机理，掌握钢桥疲劳破坏的解决对策，不仅可以有效地防止钢桥疲劳破坏事故的发生，而且对提高我国现代钢桥的设计和制造水平具有非常重要的意义。

［1］FISHER J W.Fatigue and Fracture in Steel Bridges［M］.New York:Wiley and Sons，Inc，1984.

［2］钱冬生.钢桥疲劳设计［M］.成都:西南交通大学出版社，1986.

［3］中国机械工程学会焊接学会.焊接手册(第三卷，焊接结构)［M］.北京:机械工业出版社，2001.

［4］FISHER J W.钢桥疲劳设计解说［M］.钱冬生，译.北京:人民铁道出版社，1980.

［5］DEXTER R J，WRIGHT W J，FISHER J W.Fatigue and Fracture of Steel Girders［J］.Journal of Bridge Engineering，2004，9(3):278-286.

［6］ROEDER C W，MACRAE G，CROCKER P，et al.Dynamic Response and Fatigue of Steel Tied-Arch Bridge［J］.Journal of Bridge Engineering，ASCE，2000，5(1):14-21.

［7］任伟平，强士中，李小珍，等.斜拉桥锚拉板式索梁锚固结构传力机理及疲劳可靠性研究［J］.土木工程学报，2006，39(10):68-73.

［8］CONNOR R J，FISHER J W.Results of field measurements on the Williamsburg Bridge orthotropic deck-Final report［R］.ATLSS Rep.No.01-01，Dept.of Civil and Environmental Engineering，Lehigh Univ.，Bethlehem，Pa.2001.

［9］荣振环，张玉玲，刘晓光.苏通大桥正交异性板模型计算分析［J］.铁道建筑，2008(1):1-4.

［10］范文理.管结构节点疲劳设计［C］//第十四界全国桥梁学术会议论文集，南京:2000.

［11］陈惟珍，KOSTEAS D.钢桥疲劳设计方法研究［J］.桥梁建设，2000(2):1-3.