这，是影响钢桥寿命的关键

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钢桥面板在具有突出优点的同时，其疲劳问题较为突出，呈现“普遍性、早发性、多发性、再现性”的特征，已成为困扰工程界的世界性难题和制约钢结构桥梁可持续发展的痛点问题。近年来我国桥上交通荷载呈现出“重载、高速、大流量”的重要特征，经济发达区域的钢结构桥梁更是长期处于超饱和交通流量状态，对钢桥面板的抗疲劳性能提出了更高的要求。依托先进设计理念和制造技术，发展长寿命正交异性钢桥面板，是我国钢结构桥梁可持续发展的迫切需求。

长寿命钢桥面板结构的提出
【这，是影响钢桥寿命的关键】

结构和构造细节的协同抗疲劳设计构思

系统研究表明，钢桥面板疲劳开裂是结构实际抗疲劳性能不足与实际需求较高之间矛盾的外在表现，解决这一矛盾的途径主要有二：一是从决定疲劳性能的内因入手并系统构思，发展长寿命钢桥面板结构和适用的自动化制造技术，有效提升结构的抗疲劳性能；二是从疲劳性能的控制性外因入手，构建涵盖监测与检测、开裂预后、裂后性能强化等关键内容的结构运维保障体系。本文以常用的闭口肋正交异性钢桥面板为研究对象，讨论长寿命钢桥面板设计、制造和疲劳性能的相关关键问题。

长寿命钢桥面板属于典型的面向性能的结构设计目标之一，为实现此目标，需由钢桥面板疲劳开裂问题的基本属性出发，从结构体系和构造细节两个层面系统思考，寻求综合解决方案。从结构体系层面考虑，顶板板厚、横隔板板厚和横隔板间距等结构体系设计参数共同决定了构造细节的实际受力状态。因此，优化并确定钢桥面板结构体系的合理设计参数，可有效降低疲劳荷载对于构造细节的疲劳致损效应，从而达到延长结构疲劳寿命的目的。从构造细节角度，控制闭口肋正交异性钢桥面板疲劳性能的构造细节，主要包括纵肋与顶板焊接构造细节和纵肋与横隔板交叉构造细节，由两个构造细节的疲劳失效机制出发，引入先进自动化制造技术。在传统构造细节的基础上发展纵肋与顶板新型双面焊构造细节和纵肋与横隔板新型交叉构造细节，显著提高控制疲劳易损构造细节的疲劳性能，从而达到提高结构疲劳抗力的目的。限于篇幅，此处直接依据结构体系设计参数的系统研究成果确定结构体系的设计参数，将讨论的重点放在新型构造细节的研发方面。主要构思如下——

通过先进的自动化纵肋内焊和先进制造技术，发展纵肋与顶板新型双面焊构造细节和纵肋与横隔板新型交叉构造细节，针对性地提高控制两类构造细节疲劳性能的主导疲劳失效的疲劳寿命；并在两类新型构造细节的疲劳特性，确定能够有效控制初始制造缺陷的自动化制造工艺参数，发展设计建造成套技术。主要思路如图1所示。

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图1 通过两类长寿命构造细节提高钢桥面板的疲劳性能

长寿命钢桥面板结构的疲劳性能理论分析

当前常用的疲劳抗力评估方法主要包括名义应力法、切口应力法、结构应力法、断裂力学法、损伤力学法。在进行钢桥面板疲劳性能评估时，美国学者董平沙提出的结构应力法在适用性和易用性等方面具有突出优点。该方法将结构应力视为裂纹扩展的远端驱动力，基于功的等效原理，将线弹性有限元求得的节点力、节点弯矩，转换为线力、线弯矩，并引入形函数保证其在相邻单元上的连续性，建立了等效结构应力的确定方法和通过主结构应力幅S-N曲线的疲劳强度表征方法。笔者将结构应力法引入评估正交异性钢桥面板焊接细节疲劳性能评估，发展了正交异性钢桥面板关键焊接细节结构应力法疲劳致损效应的有限元算法，并通过试验验证了结构应力法的可靠性。正交异性钢桥面板典型构造细节结构应力分解如图2所示。

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图2 正交异性钢桥面板典型构造细节结构应力分解图示

正交异性钢桥面板的疲劳问题属于构造细节层面和结构体系层面的多尺度问题，进行钢桥面板合理构造研究时，应首先从构造细节层面对顶板与纵肋焊接形式、纵肋与横隔板交叉构造细节的开孔形式进行有限元理论分析，确定合理的顶板与纵肋焊接构造细节和合理的纵肋与横隔板构造细节。在此基础上，分别研究顶板板厚、横隔板板厚和横隔板间距等结构体系设计参数对结构体系疲劳抗力的影响，进而确定合理的结构体系设计参数。借助通用有限元软件建立面向疲劳性能的正交异性钢桥面板三维实体有限元模型，进行长寿命钢桥面板疲劳性能理论分析，如图3所示。

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图3 面向疲劳性能评估的钢桥面板有限元节段模型（单位：mm）

（1）顶板与纵肋焊接细节的研究
随着自动化焊接技术的进步，我国研发了自主知识产权的闭口纵肋自动化内焊技术，发展了纵肋与顶板新型双面焊构造细节。为确定其实际疲劳抗力和关键影响因素，对焊接细节的几何参数、熔透率等因素对疲劳抗力影响开展相关研究，结果如图4所示。

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图4 纵肋与顶板焊接构造细节

理论分析结果表明：①在车辆轮载作用下，焊根起裂各疲劳失效模式的等效结构应力幅值整体处于较低水平，主要是因为纵肋内侧焊缝使焊根位置未熔透部分处于封闭区域内，有效降低了焊根部位的应力幅，使得焊根部位出现疲劳裂纹的可能性大幅较低。②随着顶板焊脚尺寸的增加，疲劳失效模式T1和T2的等效结构应力幅值明显降低，适当增加焊脚尺寸可有效改善纵肋与顶板新型双面焊构造细节的疲劳性能。③当熔透率达到75%及以上时，熔透率对焊趾起裂各疲劳失效模式的疲劳性能影响不显著，焊根起裂各疲劳失效模式在疲劳荷载作用下的等效结构应力幅值均处于较低水平。④同一桥面板结构体系中，如采用纵肋与顶板新型双面焊构造细节与传统纵肋与横隔板交叉构造细节，控制结构体系疲劳性能的构造细节为后者，两构造细节的疲劳寿命不匹配，将出现“高配低”现象。为便于表述，后文将由传统纵肋与顶板新型单面焊构造细节与传统纵肋与横隔板交叉构造细节组成的钢桥面板结构体系称为传统正交异性钢桥面板，将由至少一类新型构造细节取代传统构造细节的钢桥面板结构体系称为长寿命正交异性钢桥面板。如不特别注明，后续相关结果对比中，除构造细节不同外，结构体系的设计参数均保持一致。

当前闭口纵肋自动化内焊技术已在武汉沌口长江公路大桥、广东肇庆西江大桥、深中通道、五峰山长江大桥、宜昌伍家岗大桥等重大工程建设项目中得到了成功应用。

（2）新型纵肋与横隔板交叉构造细节
研究表明，通过优化纵肋与横隔板的连接方式和横隔板的开孔方式，增强纵肋与横隔板之间的协同受力，可有效降低焊接构造细节处应力集中程度，进而有效提高构造细节的疲劳性能。探索阶段所提出的新型纵肋与横隔板交叉构造细节如图5所示。

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图5 纵肋与横隔板交叉构造细节（单位：mm）

系统的理论分析结果表明：①在纵向移动轮载作用下，两类新型构造细节疲劳易损焊缝处的应力集中程度下降，其疲劳性能优于传统构造细节，但纵肋与横隔板新型交叉构造细节1和2在纵肋底板焊缝处均存在应力集中，引入了新的疲劳开裂模式，传统钢桥面板结构体系的主导疲劳开裂模式为纵肋腹板与横隔板交叉构造细节围焊焊趾开裂，长寿命钢桥面板的主导疲劳开裂模式为纵肋底板与横隔板交叉构造细节围焊端部焊趾开裂。②在标准疲劳车的纵向移动加载工况条件下，相较于传统钢桥面板，长寿命钢桥面板结构体系主导疲劳开裂模式的疲劳累积损伤度大幅降低，表明长寿命钢桥面板的疲劳性能显著优于传统钢桥面板。

深中通道的高抗力钢桥面板工程实践

工程背景和钢桥面板疲劳性能需求

深中通道是国家“十三五”重大工程和国务院批复的《珠江三角洲地区改革发展规划纲要（2008-2020年）》中确定实施的重大基础设施项目，是世界级的“桥、岛、隧、地下互通”集群工程，是连接广东自贸区三大片区、沟通珠三角“深莞惠”与“珠中江”两大功能组团的重要交通纽带，是粤东通往粤西乃至大西南的便捷通道，其桥梁采用正交异性钢桥面板结构。“交通量特别大”和“重载货车比例高”的两大突出特点，使得深中通道项目对于正交异性钢桥面板的疲劳性能提出了较高的要求。通过系统研究，显著提升正交异性钢桥面板的疲劳性能，是确保深中通道项目桥梁高质量建设和长寿命服役的基本前提。

模型试验研究

模型试验与理论研究相结合是进行钢桥面板疲劳性能研究的有效途径,通过合理的疲劳试验模型设计和加载方案设计,准确模拟钢桥面板关键疲劳易损部位在车辆反复作用下的实际受力状态和疲劳损伤累积过程,重现其主导疲劳开裂模式并确定其实际疲劳抗力。在此基础上，通过多个关键疲劳易损部位的对比分析，确定钢桥面板结构体系的主导疲劳开裂模式、构造细节疲劳损伤累积与结构体系受力性能劣化的相关关系,实现对于钢桥面板疲劳破坏机理的深刻认识。针对正交异性钢桥面板纵肋与顶板新型双面焊构造细节和纵肋与横隔板新型交叉构造细节,课题组开展了较为系统的疲劳破坏试验和理论研究。典型试验模型如图6所示。

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图6 钢桥面板疲劳破坏模型试验

利用不同加载模式模拟桥梁运营阶段随机车流对纵肋与顶板新型双面焊构造细节的疲劳致损效应，典型试验结果如图7所示。研究结果表明：①传统纵肋与顶板单面焊构造细节疲劳开裂模式多为内侧焊根沿顶板开裂，而纵肋与顶板新型双面焊构造细节疲劳开裂模式为顶板外侧焊趾沿顶板板厚方向开裂，双面焊构造细节疲劳抗力显著高于单面焊构造细节疲劳抗力。②电镜分析表明：传统纵肋与顶板单面焊构造细节顶板焊根的初始微裂纹尺寸基本大于200μm，且存在多条初始微裂纹；纵肋与顶板新型双面焊构造细节顶板焊趾的初始微裂纹尺寸基本小于100μm，初始微裂纹尺度的差异是两种开裂模式的疲劳抗力出现显著差异的主要原因之一。③结构体系的疲劳破坏试验验证了纵肋与顶板新型双面焊构造细节与传统纵肋与横隔板交叉构造细节的“高配低”现象,结构体系的疲劳破坏模式由传统纵肋与横隔板交叉构造细节控制。因此,长寿命正交异性钢桥面板研发过程中,须系统构思,通过构造细节疲劳寿命相容的“高配高”,实现正交异性钢桥面板长寿命的目标。

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图7 顶板与纵肋构造细节试验研究结果

在相同的疲劳荷载条件下，纵肋与横隔板构造细节疲劳试验结果如图8所示，研究结果表明：①传统纵肋与横隔板交叉细节和新型细节的疲劳开裂模式显著不同：传统构造细节的疲劳裂纹起裂于纵肋腹板焊缝端部焊趾并沿纵肋腹板扩展，新型构造细节的疲劳裂纹起裂于纵肋底板焊缝端部焊趾并沿纵肋底板扩展。②新型构造细节的起裂次数（出现宏观疲劳裂纹的作用次数）远低于传统隔板细节，但其疲劳裂纹扩展速度和长度远低于传统构造细节，该新型构造细节的疲劳性能仍有待于进一步优化改进。③钢桥面板为典型的焊接结构，初始制造缺陷难以避免，初始制造缺陷是劣化构造细节和结构体系疲劳抗力的控制性影响因素，也是导致构造细节实际疲劳抗力随机性和结构体系主导疲劳失效模式迁移的根本原因之一。

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图8 纵肋与横隔板交叉构造细节试验研究结果

长寿命钢桥面板结构的优化改进

以纵肋与横隔板新型交叉构造细节为研究重点，在上述研究的基础上，对于长寿命钢桥面板的优化改进问题进行了深入研究。根据理论分析和试验研究的新发现，在上文两类纵肋与横隔板新型交叉构造细节研究成果的基础上，提出如图9所示的新型构造细节并进行理论分析和试验验证；新型构造细节3在生产制造过程中存在较少的初始缺陷，疲劳破坏试验验证了其疲劳性能的优越性，能够和纵肋与顶板新型双面焊构造细节强强联合，延长正交异性钢桥面板结构体系的疲劳寿命。

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图9 纵肋与横隔板新型交叉构造细节研究结果（单位：mm）

研究结果表明：引入图9所示的纵肋与横隔板新型交叉构造细节后，纵肋与横隔板交叉处的刚度增强提高了纵肋抗面外变形的能力，提升了双面焊构造细节在新型体系的疲劳寿命；相对于双面焊+传统横隔板与纵肋构造的钢桥面板，新型长寿命钢桥面板体系的主导疲劳失效模式，将迁移至纵肋与顶板新型双面焊构造细节。受限于试验模型的数量，该结论仍有待于进一步的大样本模型试验验证。同时，图9所示的纵肋与横隔板新型交叉构造细节仍有进一步优化的空间。

发展长寿命钢桥面板结构是解决传统正交异性钢桥面板疲劳开裂与可持续发展客观需求之间的突出矛盾、实现结构的全寿命周期性能和成本最优、推动钢桥结构的可持续发展的有效途径，具有广阔应用前景。当前对于长寿命钢桥面板结构体系疲劳性能的研究仍处于理论探索阶段，本文仅对于闭口肋长寿命钢桥面板进行了讨论，未涉及开口肋的情况和组合桥面板的情况。关于随机初始缺陷对疲劳抗力劣化效应的量化方法、多因素耦合影响条件下结构体系重要失效模式的疲劳失效概率确定方法、结构体系主导失效模式演变机制等问题的理论和实验研究仍待进一步深入开展，钢桥面板结构疲劳性能的运维保障体系方面的研究和工程实践仍有待于进一步深入开展。在控制钢桥面板疲劳性能的内因和外因两方面着手，可望提供钢桥面板疲劳开裂难题的综合解决方案，为钢桥面板的长寿命高品质服役提供有效保障。

?本文刊载 / 《桥梁》杂志 2021年第1期总第99期

作者 / 张清华笪乐天崔闯

作者单位 / 西南交通大学土木工程学院