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            范文理:破解正交异性钢桥面板低龄化之困

            更新时间:2019-09-03 浏览次数:1286 返回列表>>

            预测结构寿命是工程界的难题之一。正交异性钢桥面板的工作寿命较设计预期低得多,多发性的疲劳断裂不但降低结构承载力且极难修复,成为桥梁界难解的心病。其原因是荷载效应与焊接接头疲劳抗力不匹配。

            疲劳现象是接头损伤与反复荷载相互作用的结果。一方面,正交异性钢桥面板超长大密度U肋焊缝损伤分布和类型难以确定;另一方面,作用其上的移动荷载位置、大小及频度也不明确,因此导致该类桥面板的预期寿命更难确定。

            解决问题的根本是实现低损伤、高品质的焊接接头。受U肋封闭构造空间所限,与顶板连接采用单侧部分熔透焊缝,使未熔透部分成为类裂纹缺口,大大降低了接头抗力。

            细节改善行为,损伤控制寿命,工艺决定成败。国内独创的双侧埋弧全熔透焊接工艺成功用于U肋焊接,使接头的抗疲劳可靠性大幅度提高,成为破解正交异性钢桥面板低龄化的利器。


            现状:低龄化病害成难题

            正交异性板钢桥是20世纪将焊接技术用于桥梁结构的杰出作品,它构造合理、用料经济、最大限度地满足了桥梁的复杂受力要求,广泛地应用于全球的桥梁工程超过70年。钢桥面板内焊缝长度和密集度,为所有焊接结构所不及,然而桥梁长达百年的设计服役期却是最高的焊接结构标准和要求。

            正交异性钢桥面板的低龄化,主要为超长U肋纵向焊缝区控制。运营服役期间,随机出现形态、长度、位置、数量难以控制的多发性纵向疲劳裂纹,不但过早地降低了桥梁的使用功能,而且修复成功率极低、修复成本极高。正交异性钢桥面的低龄化病害已成为桥梁界尚未解决的难题。据日本在上世纪70年代的统计——12小时通过3000辆大型车的桥梁,桥面板发生穿透裂纹的寿命约为10年。相较而言,国内出现病害的时间更短。

            疲劳裂纹扩展并穿透桥面板后,在荷载作用下会加速扩展。当长度和数量增多时,结构的承载功能显著降低。修复处理和加固桥面板的难度由图3、4可见一斑。采用焊接修复短期有效,长期尚未有过成功。


            焊接接头:浓缩结构寿命的连接

            焊接热过程不但使接头区微观金属组织粗化、综合力学性能下降,而且会形成内部和外部缺陷、咬边、未熔透未熔合等几何缺陷,也形成了接头区域的力学、化学、金属学和几何学的不连续现象。几何缺陷为断裂力学中的“类裂纹缺口”,与焊接裂纹相同,是引发疲劳裂纹和控制寿命的最重要因素。美国国家公路合作研究计划(NCHRP)147号报告中,总结了128根焊接钢梁的疲劳试验结果,表明疲劳裂纹均源于焊缝的微小缺陷。在疲劳寿命中的很大部分,疲劳裂纹呈半椭圆形,沿板厚方向扩展。裂纹穿透板厚的扩展过程,约占疲劳寿命的80%~95%,具体取决于细节。从这个方面看,力学不连续所表现的焊接残余应力影响,是远小于“缺口效应”的。

            焊接接头的疲劳抗力,与焊缝大小无直接关系,也与结构钢屈服强度无关(fy≤960MPa),而是由焊接过程对接头区域的损伤决定(类裂纹缺口)。

            德国焊接大师D.Radaj用“最好的焊接结构是没有焊缝的结构”,表明焊接接头存在缺陷的必然性。《疲劳力学》作者许金泉教授也将缺陷控制寿命的理念表述为,“万物皆有缺陷,亦皆会自行产生缺陷。缺陷生灭不息,有累积之势。其势由强弱,故万物之数各异。观其象,察其理,形其势,知其数,道其存焉。数相违,势必伪,理必悖,象必妄,故贵在知数。”

            U肋与桥面板间的焊接接头呈斜T形(70°~75°),属T形焊接接头。《美国桥梁焊接规范》(AASHTO/AWS D1.5M/D1.5)对T形接头有如下规定:承受着绕平行于接头轴线发生弯曲的角接和T形接头,其焊缝设计必须避免任何焊根部产生拉应力集中。T形接头采用双侧部分熔透焊缝时,视未熔透部分为缺陷,抗疲劳性能较熔透焊缝低,其降低系数在《美国建筑钢结构设计规范》(ANSI/AISC 360-10) 中根据未熔透长度计算,并以Rpjp<1表示。

            在封闭的U肋、狭小的空间内,对T形接头内侧施焊,焊接工艺难以实现。长期以来,世界各国的正交异性板均采用U肋外侧施焊,形成部分熔透的单面焊缝,成为违规的特例。


            预测疲劳寿命的困惑

            预测结构寿命是预测损伤扩展的过程,属工程界一大难题。桥梁设计规范对结构寿命只能用预期值。设计服役年限≥100年是结构预期寿命,以结构出现可见裂纹而无须修复为限。在明确裂纹位置和材料力学名义应力幅水平的条件下,评定结构寿命的方法用S-N曲线法。S-N曲线由典型的焊接接头疲劳实验统计确定。寿命可表述为:N=C·S-m

            S为按材料力学方法求得的单向应力幅,对于复杂受力体系,需作简化处理。

            用断裂力学方法预测疲劳寿命,由裂纹尖端的应力场强度范围ΔK和初始损伤a0求得:

            由于正交异性板上作用荷载位置和大小、频度的不确定,桥面板结构运营期的损伤分布和损伤程度也不确定,而且损伤处的名义应力难以准确计算。多种因素无法构成确定的关系,何时、何处会出现疲劳裂纹,以及寿命的预测也很难准确。

            由于正交异性桥面板第Ⅰ体系和第Ⅲ体系所发生的应力成正交,对疲劳互不影响,在疲劳寿命的预测上也会各有不同。

            疲劳寿命的失效标准是出现可见裂纹,穿透性裂纹的表面长度约为3倍板厚以上。

            依据等疲劳损伤原则确定疲劳寿命

            正交异性桥面板纵向呈多跨连续状,多轴效应使第Ⅲ体系活载作用的反复次数,大大超过第Ⅰ体系的主体结构。依据等疲劳损伤的原则,当主体结构失效时,恒幅疲劳寿命为NⅠ,所出现的裂纹长度aⅠ与桥面板aⅢ相同时,桥面板的恒幅疲劳寿命NⅢ>NⅠ,这样可以避免桥面板疲劳裂纹的早期出现。

            按国内公路规范的标准疲劳车加载,假定车过桥一次,按重车多轴效应考虑,第Ⅲ体系的加载次数为第Ⅰ体系的k倍。由于横向加载对纵向轴距的不敏感,当横隔板间距定为3m时,k=2.5,恒幅加载次数NⅢ=2.5×2×106=5×106。据此,正交异性桥面的第Ⅰ体系和第Ⅲ体系应按不同寿命进行设计,以推迟桥面板疲劳裂纹的出现时间。

            等损伤、不等寿命设计法也是飞机结构疲劳设计原则之一。


            抗疲劳的最佳对策

            焊接接头的高品质需要工艺来实现。将轧制T形钢作为标准,确定为U肋焊接接头追求的工艺目标。

            对焊接接头“不求完美无缺,但求合于使用”,是国际焊接协会(IIW)制定的设计和工艺准则,应用于U肋则可具体为“力求低缺陷,追求高品质”的工艺指标。

            采用U肋不开坡口内外侧埋弧焊接工艺,使全熔透和有效控制焊接缺陷的高品质焊接接头得以实现。U肋不开坡口焊,填充金属量小,焊接变形和残余应力相应减小。在焊剂保护下的埋弧焊,热过程稳定、成型好、缺陷少,且熔透率可达100%,对提高抗疲劳性能更为有利。带肋板采用智能型装备焊接和工厂化高效率生产,焊缝实现全长检测,使产品质量稳定可靠。


            验证性疲劳试验

            通过不同模型的疲劳试验,验证了U肋全熔透焊接接头良好的抗疲劳性能和可靠的焊接工艺,如图17、18和表1。

            细节改善行为,损伤控制寿命,工艺决定成败。是焊接接头抗疲劳的基本理念,也是焊接结构完整性设计理念的表现。

            从单侧到双侧焊,U肋焊接接头性能发生了本质的改变,全熔透双侧埋弧焊工艺的实施,使接头品质优化,抗疲劳性能得到了更大的提升。实现了超长U肋焊接接头、超长龄期服役、低维修的目标。体现了中国制造对世界桥梁发展的贡献。目前该项工艺已经正式使用于公路和铁路桥,正交异性钢桥面板抗疲劳性能的低龄化的破解,让桥梁工程师在优化桥面板厚度、横隔板间距上获得了更大的空间。使轻量化的钢结构更具国际竞争力。

            “经济指标是评定技术水准的重要标准”不会随时间推移而改变。

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