[分享]破解正交异性钢桥面板低龄化之困

时间: 2020-08-01 06:40 阅读:

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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。

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图1 日本早期正交异性钢桥桥面积统计
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图2 正交异性钢桥面的使用寿命与大型车辆的关系

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。

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图3 U肋焊趾裂纹扩展穿透桥面板
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图4a 裂纹端部钻圆孔
图4b 裂纹开坡口焊接封闭
图4c 裂纹区域更换钢板
图4d 顶板顶面增加钢板
图4 桥面板疲劳裂纹的修复

结构软肋:横向受力体系(第Ⅲ体系)

由桥面板和U肋组合的加劲板,以横隔板为支承,在纵向形成多跨连续结构,横向则以纵腹板为边界。由于U肋对板的横向刚度贡献不大,在荷载作用的横向主要表现为受U肋支承的单板弯曲。在集中轮压作用下,带肋板的局部弯扭表现,加重了U肋纵向焊缝处的受力。

正交异性钢桥面板的纵向抗弯能力强于横向,与纵向疲劳裂纹垂直的横向交变应力,是控制疲劳寿命的关键力学因素,称作第Ⅲ体系的结构横向布置,成为桥面板结构的软肋。

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)。

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图5 正交异性桥面板局部行为
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图6
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图7 桥面板纵向疲劳裂纹示意

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
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图8

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:
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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N,所出现的裂纹长度a与桥面板a相同时,桥面板的恒幅疲劳寿命N>N,这样可以避免桥面板疲劳裂纹的早期出现。

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图9 等损伤曲线示意

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N=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。

S<R不等式的求解

钢桥面板疲劳现象的本质是,第Ⅲ体系荷载效应与U肋焊接接头疲劳抗力的不匹配。求解该不等式,有降低荷载效应和提高接头抗力两种途径,均属结构抗疲劳的措施。

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图10 a_i 和板厚t对疲劳寿命N的影响

1.降低荷载效应的措施
降低正交异性板荷载效应属被动抗疲劳,疲劳为低应力破坏,单纯降低结构应力的方法,由于焊接接头区缺陷的存在,疲劳裂纹的发生与扩展并不能得到控制,收效甚微,结构材料的使用效率也会明显降低。

采用增加桥面板厚度,无法阻止沿厚度方向疲劳裂纹的扩展。德国著名焊接大师用断裂力学给出的解释,在日本学者对正交异性板不同板厚与U肋的组合试验中已经证明。D. Radaj所作不同板厚相同损伤与疲劳寿命关系曲线表明,增加板厚对寿命的影响很小。

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图11a 常规U肋焊缝示意
图11b 墩厚U肋焊缝示意
图11c 内外焊部分熔透焊缝示意
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图12 U肋内隔板底部疲劳裂纹

另外,试验证明,局部墩厚U肋板厚,加大焊脚尺寸,不能解决焊根缺陷的问题。受U肋坡口尺寸限制,U肋焊缝熔深已达到了(0.8~0.85)板厚,而焊根未熔透部分的缺口效应和焊趾缺陷,依然成为桥面板穿透性疲劳裂纹的重要源头。

采用U肋断面内设置内隔板的方案,不但未明显改善接头受力,反而增大了内隔板焊缝开裂的风险,也被工艺实践证明。钢-混凝土组合板的方式增强了桥面板刚度,整体名义应力虽有降低,依然不能阻止焊根缺口引发的疲劳。

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图13 不开坡口双侧分步埋弧焊缝断面
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图14a U肋内侧焊缝
图14b U肋外侧焊缝
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图15 U肋焊接接头断面

2.高疲劳抗力焊接接头
焊接结构主动抗疲劳的手段,多指提高接头疲劳抗力的有效焊后处理技术,如焊趾修磨、锤击和TIG重熔。按欧洲规范,经处理后,200万次疲劳强度可达91MPa。但对U肋焊接接头,为了抵抗超长焊缝上随机出现的疲劳裂纹,高疲劳抗力的焊接接头必须具备全熔透、低缺陷、成型好和抗疲劳性能优的特点。将疲劳规范中U肋接头S=70MPa的工作寿命N提高到500万次,依损伤累计原则,N=200万次的疲劳强度S=96MPa。按IIW疲劳分级取S=100MPa,同时也类同于日本钢桥抗疲劳规范D类细节(T形焊接接头)。

U肋的超长焊缝实现全熔透,是解决疲劳问题的突破点。它有效阻断了在复杂荷载作用下,焊根缺陷引发多种疲劳裂纹的路径,使控制U肋内侧焊趾缺陷成为焊接工艺的关键,使缺陷的可控性显著提高。

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。

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图16 焊缝超声检测

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。

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图17 节段模型疲劳试验
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图18 T形接头试验
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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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