焊接钢桥结构细节疲劳裂纹原因及对策分析

李 杰 任宇扬

(同济大学土木工程学院，上海 200092)

钢桥的连接处的疲劳性能是钢桥问题研究中最重要的一个方面，钢桥构件在其有限的使用寿命内需要承载大量车辆载荷，这就迫使我们必须对钢桥的疲劳性能给予高度关注，钢桥设计中必须包含完整而有效的钢桥疲劳设计。当前钢桥新型结构形式具备崭新的特点，比如设计愈加复杂，普遍使用高强度的焊接结构材料，结构构造细节以及结构工艺相对复杂，焊接钢桥所能承受的交变载荷增大等等。下面将具体分析一下焊接钢桥新型结构形式下疲劳问题的影响因素，以及疲劳易发生的典型敏感部位，最后将归纳出预防疲劳破坏的几点对策。

1 现代焊接钢桥疲劳问题

所谓疲劳即是由重复应力引起裂纹并逐渐扩展的结构部件损伤。影响钢桥疲劳的因素按照内因与外因的逻辑分类可以归结如下:内因主要有钢桥应力的集中程度和所用钢的材质，外因主要有应力幅值和循环次数。断裂力学中研究表明，焊缝的焊趾以及焊接处缺口所受应力以及裂纹应力强度三者共同决定钢桥焊接头的疲劳强度。钢桥焊接头疲劳发展经历三个阶段:裂纹萌生阶段、裂纹扩展阶段、裂纹断裂直至破坏阶段。在裂纹萌生阶段和裂纹扩展阶段，钢桥疲劳的决定因素是不同的。在裂纹萌生阶段，焊缝的焊趾以及焊接处缺口的应力状态是此阶段钢桥疲劳的主要决定因素，焊接处缺口的应力状态主要是指焊接头的形状变化和焊接缺陷的应力表现;在裂纹扩展阶段，主要受裂纹的应力强度因子的决定。理论与试验共同表明，焊接疲劳裂纹发生的主要部位是在焊趾处，这就警示我们要做好焊趾这一敏感部位的防护工作，焊接疲劳发生的速率取决于裂纹发展的速率，这在理论上也是相通的。断裂力学中明确指出:焊接接头的最大缺口应力以及应力强度因子共同决定疲劳强度。

2 现代疲劳问题的几个典型部位

焊接钢桥极易发生疲劳问题的部位就是钢桥的疲劳典型部位，而焊接钢桥的疲劳性能主要与焊缝形式、接头形式、交变载荷情况以及制造工艺等方面有密切联系。首先来分析一下斜拉桥索梁锚固区，它是斜索和钢梁的传力连接部分，该区域有其独特的结构特点，由于该区域结构复杂，所需的区域板件非常多，由此就会导致较大的应力，而且，该部位所受的交变载荷值是非常大的，大应力作用以及高载荷赋予了斜拉桥索梁锚固区双重的疲劳可能性，疲劳性能在此又难以评估和预测，又加剧了对该区域疲劳性能的挑战，因此，该区域是现代钢桥疲劳易发生的重点部位和有效控制的难点部位。此外，再重点分析一下正交异性钢桥面板，该类区域以其独特的优点被广泛应用于世界大中型现代钢桥中，该类面板常见的疲劳问题有如下几个方面:首先面板所受的应力比较复杂，交叉部位应力作用集中;其次，该区域承受的交变载荷值过大，面板易出现裂纹;再次，车辆通过面板时因为应力作用线长而易产生循环应力，危险系数因此增大;最后，很多焊接处的质量无法保证，比如U肋与横隔板角焊缝连接的地方，为此，在正交异性钢桥面板焊接处，需要注意以下几点:1)纵肋与盖板的连接;2)纵肋与横梁的连接;3)纵肋的现场连接。在实际设计与建构中要着重突出这几个方面。

3 防止钢桥疲劳破坏的几个方法

目前对疲劳性能较差的结构设计已经提出许多的改进措施，这些措施的有效性还是非常乐观的，下面，依据实际经验以及理论预测，具体介绍一下针对疲劳问题需要着重注意的几点问题:

1)焊接方式优先选择对接焊缝，尽量避免使用角焊缝，因为前者裂纹发生与发展的可能性均小于后者，安全系数较高，而对于承受反复应力的部位建议采用连续焊接，根据一系列的试验和事实证明，连续焊接可以有效分散集中应力，将应力侵蚀钢桥的可能性降到最低。2)构件连接处尽量避免刚度的突然变化，因为该变化极易加大因几何形状变化而产生的应力，增大应力的后果将会直接导致裂纹的产生和发展，在焊接时应着重注意这一点，最大限度减少焊接处的刚度变化。3)注意现实中的构造细节，应着力避免连接焊缝，避免日后雨水和杂物的侵蚀。焊接裂缝会使雨水和杂物侵蚀钢桥，因此会放大应力作用的效果。4)不建议使用偏心连接，这样会产生附加应力，同时，还要注意特别危险部位的处理方式，在特别危险部位，建议采用螺栓接头或者铸造连接件来替代焊接接头，焊接接头发生疲劳问题的可能性是比较大的。5)名义应力可以在焊接处理之后酌情采用，对于部分构造细节，在经过专业的焊接处理之后，可以考虑采用名义应力，必要时可以考虑把名义应力运用到实际设计和建构中。同时，在钢桥构造设计的过程中要依据理论有效预测应力作用，并根据应力预测结果进行有效防护，对重点敏感部位进行重点防护。6)防止钢桥疲劳最有效的举措是着力减小拉应力所引发的疲劳问题，拉应力在钢桥结构中极易引起疲劳问题，因此，要着力控制和减小构造细节中拉应力的危害。7)制定符合我国国情的公路桥梁疲劳载荷谱，在实际中要切实落实，并加大对钢桥承载车辆载荷的检查力度，严惩违规载荷车辆，有效保护钢桥，延长钢桥使用寿命。并借此来评估公路桥梁的使用寿命，在有效期限内使用可以大大减少意外发生的风险。

4 结语

当今钢桥新型形式发展迅速，疲劳性能的重要性也越来越突显，因此，探究现代钢桥建设中存在的疲劳问题，改进钢桥设计工艺，并依据钢桥设计过程中疲劳性能的影响因素，对疲劳问题出现的典型部位进行重点防护，掌握改进现代钢桥疲劳问题的相应解决对策，对提高现代钢桥安全性能可以提供有力保障。但是当前在钢桥建设实践中缺乏相应的立法规范和保障，在日后需要着力改进。

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