大桥钢箱梁疲劳损伤评估及试验方法研究

邹建波，张啸晨

江苏润扬大桥发展有限责任公司，江苏 南京 212115

随着钢箱梁大桥建造工艺的不断成熟，其建造呈现出结构不断轻型化、桥型更加多元化、跨径不断增大等特点。随着我国交通和运输压力的逐年增大，对钢箱梁桥的荷载要求也随之提高，很多钢箱梁桥因为自身的荷载能力而难以承载更大的交通压力，形成以裂缝为代表的疲劳损伤。此外，钢箱梁桥具有构件切口多、桥面构造复杂等建造特点，有必要采取科学的试验方法对其疲劳损伤进行评估。

1 我国钢箱梁大桥应用现状及其常见疲劳损伤

我国钢箱梁大桥的建设起步较晚，在20世纪80年代才开始步入正轨。但是，在我国桥梁建设技术人员的不断努力下，我国的钢箱梁大桥建设事业飞速发展，已经取得了一定的成果。目前，世界十大钢箱梁桥中有6座位于中国。钢箱梁大桥在我国已经被越来越广泛地应用于交通事业中，对我国交通事业的发展起到了重要作用。2014年，宁波铁路枢纽北环线甬江特大桥在我国顺利落成，该桥的落成是我国钢箱梁大桥建设的一座高峰，标志着我国桥梁建设水平的逐渐成熟，此后越来越多的钢箱梁桥建成并投入使用。

钢箱梁大桥的可靠性会随着使用年限的增加产生一些不可避免的疲劳损伤，如裂纹、腐蚀、涂装劣化等，特别是主要交通干线上的钢箱梁正交异性桥面结构，其承受的疲劳应力幅远大于普通公路桥梁。钢箱梁大桥由于本身有着非常强的坚固性，只要在设计阶段符合设计规范，一般不会出现变形过大的情况，涂装劣化的问题也可以在日常的养护过程中被及时发现并处理。目前，钢箱梁桥涂装劣化的护理技术已经比较成熟，涂装劣化一般不会给钢箱梁桥的使用造成隐患。但是，钢箱梁桥内部的疲劳裂纹是日常养护过程中难以被肉眼观测到的，其隐藏程度比较深，位于钢箱梁桥的内部结构中，试验难度较大，修复难度也相对较大，是影响钢箱梁大桥使用安全的最主要因素。

2 大桥钢箱梁疲劳损伤的产生机制和评估方法

钢箱梁大桥一般具有非常优良的使用性能，其疲劳开裂必须在承受足够大的应力幅度时才会产生，在设计阶段有明显的设计缺陷或在建造施工阶段存在明显的施工问题时也会引起钢箱梁大桥的疲劳开裂[1]。钢箱梁大桥结构复杂，建造过程中的焊接位置和开孔位置较多，难免在施工过程中会存在一些因为施工疏漏造成的原始裂纹，在这些原始裂纹易出现的地方，可能存在应力集中的问题。在钢箱梁桥中，结构设置的焊接处比较容易出现钢箱梁疲劳损伤。

钢箱梁大桥在使用过程中，承受的交通压力并不是恒定的，始终承受着桥面车辆的随机荷载带来的应力幅度变化，车辆的变幅荷载会使大桥钢箱梁的稳定程度进一步降低，进一步扩大桥身内部的裂纹或者产生新的疲劳裂纹。随着车辆变幅荷载次数的增多，钢箱梁桥内部的疲劳损伤情况将会累积扩大，对桥面交通的安全形成威胁，甚至在桥身没有任何外在征兆的情况下突然发生严重损坏。因此，对大桥钢箱梁的疲劳损伤情况进行定时评估测验具有重要意义，可以有效保证钢箱梁桥的正常使用。

大桥钢箱梁疲劳寿命的计算需要依照材料特性、精确的荷载谱、构件的S-N曲线、累积损伤理论、裂纹扩展理论等主要因素。目前，我国对于大桥钢箱梁疲劳损伤评估的常用方法有以下两种：（1）通过对大桥钢箱梁关键疲劳易损伤部位的疲劳试验数据得到S-N曲线，并使用S-N曲线和Miner线性累积损伤理论对大桥钢箱梁的使用寿命和疲劳损伤情况进行评估。（2）依据断裂力学理论对大桥钢箱梁的使用寿命和疲劳损伤情况进行评估。

在大桥钢箱梁使用寿命和疲劳损伤情况评估中，比较常用的是基于S-N曲线的大桥钢箱梁使用寿命和疲劳损伤情况评估方法，这种评估方法的研究对象是钢箱梁桥在施工环节的初始材料缺陷，虽然能够对钢箱梁桥初始施工环节的材料缺陷进行准确评估，但大桥在应用过程中其真实状况会发生较大的变化，该方法不能对钢箱梁桥的实时疲劳损伤情况进行准确评估，其评估结果与钢箱梁桥的实际疲劳损伤情况往往差距较大。同时，该方法的试验结果受到施工工艺的制约。基于断裂力学的大桥钢箱梁的使用寿命和疲劳损伤情况评估方法克服了基于S-N曲线的大桥钢箱梁的使用寿命和疲劳损伤情况评估方法中的不足，将钢箱梁桥工作中的应力场作为研究对象，对钢箱梁桥内部疲劳裂纹的扩展和亚扩展进行研究，并用力学原理解释了大桥钢箱梁出现疲劳损伤情况的原因，从而对钢箱梁桥在车辆带来的随机荷载应力幅度下的疲劳使用寿命进行计算[2]。

3 大桥钢箱梁疲劳损伤试验方法

目前，模型试验法广泛应用于大桥钢箱梁疲劳损伤情况试验中，在大桥钢箱梁疲劳损伤情况的评估试验中发挥着不可替代的作用。模型试验法的试验机制是通过对节段足尺模型或者试件模型进行多点异步轮载或者加载，模拟车辆在钢箱梁桥上随机走动的情况，达到对随机应力幅度的试验效果。这种试验状态下，车辆的随机行走状态被最大限度地再现于模拟钢箱梁桥的试验过程中，从而获得大桥钢箱梁各个疲劳敏感区的损伤情况，对大桥钢箱梁的整体实际疲劳性能进行精准探究，还能对模拟钢箱梁桥的不同受力情况进行自主把控，同时可以实现一次试验，进行多种变量控制，从而对影响大桥钢箱梁使用性能的不同因素进行分别研究。模型试验法的试验结果比较具有代表性和综合性。

在模型试验法的基础上，可将试验结果和理论分析结果进行比对，采用S-N曲线和Miner线性累积损伤理论相结合的评估方法或者基于断裂力学的评估方法，对大桥钢箱梁的疲劳损伤情况进行研究。研究结果表明，车辆的变幅荷载是造成大桥钢箱梁疲劳损伤的关键因素，车辆荷载量的精准程度对大桥钢箱梁疲劳损伤情况的试验结果有直接影响。美国、英国等国家率先对大桥钢箱梁的疲劳荷载谱进行了深入研究，并且据此提出了大桥钢箱梁疲劳损伤在标准疲劳车模型下的计算方法，同时给出了相应的大桥钢箱梁的设计规范。我国在进行强度设计时标准活荷载的最不利布置作用效应方面进行了明确。

目前，我国对大桥钢箱梁疲劳损伤情况的计算方法主要是参考欧美国家已经比较完备的模型试验法数据计算规范，但是在进行数据计算时，并没有基于大量大桥钢箱梁疲劳损伤试验的有效试验数据形成的可参考的疲劳强度曲线。国内对于大量大桥钢箱梁疲劳损伤情况的试验一般是足尺模型试验，需要大型液压伺服疲劳试验机进行异步或同步加载。该方法不仅加载方式比较单一，还需要耗费较长的加载时间，对于大桥钢箱梁的某些局部部件进行疲劳损伤情况测试时，需要对多个试件进行加载，将消耗大量的能量，试验效率低，试验成本相对较高[3]。

对于大量大桥钢箱梁疲劳损伤试验中的小试件，韩国等国家采用的试验方法是通过剥离试验机的方式对裂纹发生时产生的撕裂能进行检测，据此对大桥钢箱梁疲劳损伤程度进行判断。该方法可以节约大桥钢箱梁疲劳损伤情况试验的实践成本和经济成本，是一种较为经济、高效的大桥钢箱梁疲劳损伤试验方法。日本学者设计出的大桥钢箱梁疲劳损伤试验方法是通过振动器对大桥钢箱梁的设计结构重复进行荷载测试，得出不同荷载情况下的大桥钢箱梁疲劳损伤结果。

我国对于大桥钢箱梁疲劳损伤评估和测验的研究相对不成熟，在进行大桥钢箱梁疲劳损伤评估和测试时，应借鉴国际上的优秀大桥钢箱梁疲劳损伤评估试验的经验，不断摸索出新的评估和测验方法，完善大桥钢箱梁疲劳损伤测验的相关理论，使其更具准确性。

4 结束语

大桥钢箱梁的疲劳损伤对其使用寿命具有直接影响，因此需要及时发现、精准评估钢箱梁的疲劳损伤，并有效解决，让其发挥出应有的使用价值。对于大桥钢箱梁的疲劳损伤评估有利于对其进行加固修复，这需要相关学者不断探究新的疲劳试验手段、加固手段，通过对钢箱梁大桥细节的优化，减少钢箱梁大桥使用过程中的开裂等疲劳损伤情况，进一步提升钢箱梁大桥的使用性能。