摘要
为探究钢桥面板U肋对接焊缝的疲劳开裂机理与修复加固方法,设计了2个带嵌补段的足尺单U肋试件模型,通过模型试验研究了该细节的疲劳破坏模式和实际疲劳抗力。随后,基于线弹性断裂力学方法建立碳纤维增强复合材料(CFRP)加固对接焊缝裂纹模型,通过数值模拟分别研究了CFRP布层数、CFRP布尺寸对疲劳性能的影响。最后,针对U肋对接焊缝介绍粘贴CFRP布无损修复方法和施工工艺流程,并对CFRP布粘贴修复后的裂纹试件进行疲劳测试。结果表明:U肋对接焊缝的疲劳易损点均出现在U肋圆弧过渡处,平均疲劳强度仅为59.7 MPa。经3层CFRP布修复后,不同损伤程度的焊缝疲劳强度约为未加固试件的0.8~2.6倍。粘贴CFRP布能够有效改善钢桥面板U肋对接焊缝的疲劳性能,且满足实桥无损修复的需求。
正交异性钢桥面板因其结构自重轻、承载力高和施工快速等优点,已经成为国内外大跨径桥梁桥面板结构形式的第一选
当前纵向加劲肋连接形式一般为钢衬垫对接焊和高强螺栓连接。早期建成的钢桥面板纵肋对接形式多采用焊接连接,其嵌补段一般位于2个横隔板间1/5~1/4处,即纵肋反弯点位
传统的钢桥疲劳裂纹修复方法包括钻孔止裂法、裂纹焊补法和钢板补强
近年来,碳纤维增强复合材料(CFRP)由于轻质高强、良好的耐腐蚀和抗疲劳性能以及可设计性好等优点而受到工程加固领域设计者的青睐。国内外大量研
目前国内外学者针对CFRP加固损伤钢构件或焊接接头主要是采用小尺寸的平钢板或狗骨式试件进行试验研
以某悬索桥(跨径布置为470 m+1 490 m+470 m)钢箱梁对接焊缝为工程背景,共设计2个足尺单U肋试验模型。试件沿桥梁纵轴截取一个横隔板间距,垂直轴线方向取各300 mm部分,并使U肋嵌补段一侧对接焊缝处于试件正中;同时,支承处受到较大支反力,有可能导致支承板屈曲,为此在试件两端处各设置两道横隔

图1 试件三维模型(单位:mm)
Fig.1 Three-dimensional model of the specimen(unit:mm)
本试验采用同济大学结构实验室的PMS‒500液压脉动疲劳试验机,加载频率为4 Hz。试件采用跨中单点加载方式,车轮加载面积为600 mm×200 mm,并在作动器和顶板之间放入橡胶垫板来模拟车轮轮胎与顶板的接触作用。模型试验共分为2个阶段,阶段Ⅰ为疲劳开裂试验,阶段Ⅱ为疲劳加固试验,相关加载装置如

图2 加载装置
Fig.2 Loading device
模型测试内容主要为应变测量。测点布置应选择受力最为明显、疲劳裂纹易于萌生的部位。本试验分别在嵌补段底端焊缝两侧以及顶板U肋疲劳易损部位布置应变测点以观察疲劳应力变化特征。同时,为了避免焊缝处应力集中效应,在远离焊缝的位置即嵌补段中心以及四分之一跨截面底部也布置测点。焊缝处测点取距离焊趾约15 mm的位置,具体各测点布置见下文。除此之外,采用辅助设备高清摄像头对细节位置进行实时监测,用以判断试验疲劳开裂情况。
结合确定的加载方案和仿真分析结果,2个试件所关注区域内各个应变测点的位置和编号如

图3 应变测点布置
Fig.3 Arrangement of strain gauges
按照应力等效原则同时兼顾试验效率,疲劳开裂试验的荷载幅取为产生规范规定的疲劳细
试件编号 | 疲劳荷载/kN | 停机循环次数/1 |
---|---|---|
U1 | 25~75 | 49 |
U2 | 20~80 | 3 |

图4 疲劳开裂区域关键测点应力幅与循环次数关系
Fig.4 Relationship between stress amplitude and cycle number at key points in fatigue cracking area
最终U1试件在荷载幅50 kN作用下经39万次便在C焊缝腹板表面过渡圆弧处发现了80 mm长的疲劳裂纹,随后继续加载约10万次,原有C焊缝表面裂纹继续向两侧扩展了265 mm,同时在跨中A焊缝腹板过渡圆弧表面处也发现了90 mm长的疲劳裂纹。试件U2在荷载幅60 kN作用下仅加载3万次便在纵肋底部圆弧过渡处焊缝出现一条肉眼清晰可见的疲劳裂纹,长度为70 mm。2个试件最终裂纹形态如

图5 焊缝疲劳裂纹
Fig.5 Fatigue cracks at weld joints
根据前述对焊缝应力幅变化历程的分析,以率先开裂点处焊缝两侧测点平均应力为参考名义应力,取观测到裂纹时的加载次数为试件疲劳寿命,然后基于Miner损伤准则计算得到一个与原构造细节损伤度相等的等幅循环应力幅。同时,按照Eurocode规定的疲劳强度曲
试件编号 | 加载至开裂次数/1 | 等效应力幅/MPa | 200万次疲劳强度/MPa |
---|---|---|---|
U1焊缝C | 39 | 118.1 | 68.5 |
U1焊缝A | 49 | 110.9 | 69.4 |
U2焊缝A | 3 | 166.5 | 41.1 |

图6 试件焊接缺陷
Fig.6 Welding defects of the specimen
为了分析CFRP布相关加固参数对含裂纹试件疲劳性能改善的影响,基于U2试验结果,采用Abaqus软件建立含裂纹的加固模型。其中,裂纹采用静态裂纹“seam”模拟,裂纹长度为70 mm。由于裂尖应力具有奇异性,因此裂纹前缘单元考虑采用退化的三角形单元S3模拟,其余单元均采用S4R模拟。全局网格为10 mm,其中裂纹尖端处网格为0.5 mm,并在附近采用2 mm网格进行过渡,如

图7 有限元计算模型
Fig.7 Finite element model
材料特性 | 厚度/mm | 屈服强度/MPa | 抗拉强度/MPa | 弹性模量/MPa | 剪切模量/MPa | 泊松比 |
---|---|---|---|---|---|---|
Q345钢板 | ≥345 | 206 000 | 0.3 | |||
HM‒30 CFRP布 | 0.167(单层) | 3 668.0 | 240 000 | 13 000 | 0.3 | |
纤维浸渍胶 | 0.55 | 53.1 | 2 490 | 0.3 |
为方便比较,引入量纲一的疲劳加固系数Rk来表征加固材料的疲劳加固效果,计算式如下所示:
(1) |
式中:KI,U为试件加固前裂纹尖端的应力强度因子;KI,S为试件加固后裂纹尖端的应力强度因子。分析可知,加固系数Rk越接近于100,加固效果越好。若Rk大于100,则表明加固后应力强度因子存在负值,裂纹处于受压闭合状态,加固效果最佳。
考察CFRP布相关加固参数对加固系数的影响,如

图8 CFRP布加固参数对加固系数影响
Fig.8 Effect of CFRP strengthening parameters on strengthening coefficient
CFRP布可弯曲缠绕成型,因此对各类曲面结构或复杂结构的加固优势明显。CFRP布加固试件分别命名为SU1和SU2。结合有限元参数分析,选择3层CFRP布,确定粘贴长度为250 mm。针对U1嵌补段一侧较长的疲劳裂纹,由于CFRP的常见最长模数宽度仅为500 mm,因此采用多块CFRP布搭接交叉包覆粘贴;对试件U2底部较短的疲劳裂纹,选择局部粘贴,如

图9 CFRP加固方式(单位:mm)
Fig.9 CFRP strengthening mode(unit: mm)
CFRP布加固U肋对接焊缝主要包含以下施工步骤:①表面处理,用角磨机打磨焊缝除锈后用酒精棉擦拭钢结构表面;②利用电动剪刀按照设定尺寸裁剪CFRP布;③配制搅拌纤维浸渍胶,涂抹底胶后粘贴CFRP布;④粘贴每一层CFRP布时,用金属压轮沿纤维方向进行滚压压实处理,消除气泡并使纤维布充分浸润在浸渍胶中;⑤覆盖聚氨酯薄膜,常温养护一周以上。施工时严格控制粘贴质量,避免粘贴时出现空鼓、夹杂气泡等问题。CFRP布加固试件如

图10 CFRP布加固试件
Fig.10 Specimen strengthened by CFRP strips
在2.1节基础上对加固试件部分测点进行调整,均在原有裂纹延展方向上距离尖端1 cm处各布置一个测点,以观测裂纹是否继续扩展。SU1试件在A截面埋入测点1和5,而SU2试件在A截面埋入测点1、5、7和C截面测点11和12。为尽可能小地减轻埋入导线对CFRP布粘贴性能的影响,选择外径为0.6 mm的细导线进行应变片外接。经CFRP布粘贴后,在包裹焊缝的CFRP布底端布置3个测点以获得CFRP布的受载应变。加载过程中定期观察CFRP布边缘是否脱开,并用小锤通过CFRP布表面敲击辨别是否有试件空鼓声,以检查内部是否脱开。
根据荷载等效原则,SU1和SU2的阶段Ⅱ加载历程及相应的换算应力幅如
试件编号 | 焊缝编号 | 荷载/kN | 应力幅/MPa | 循环次数/1 |
---|---|---|---|---|
SU1 | 焊缝C | 15~35 | 48.0 | 200 |
20~50 | 71.9 | 20 | ||
焊缝A | 15~35 | 56.8 | 200 | |
20~50 | 85.2 | 50 | ||
SU2 | 焊缝A | 15~35 | 66.9 | 200 |
20~50 | 100.4 | 50 | ||
25~75 | 167.4 | 26 |

图 11 试件SU1关键测点应力幅历程
Fig.11 Stress amplitude history at key points in SU1
前200万次加载时,所有测点应力值基本维持不变,包括位于裂纹尖端前缘的测点。从外观上看,CFRP布未发生剥离或撕裂现象,用小锤敲击加固位置也未听到空鼓声,表明CFRP布与试件母材表面贴合完好。对于焊缝C,由于CFRP布测点10离原有裂纹位置最近,因此承担的应力最大。随着循环次数递增,外侧CFRP布应力显著提高,表明试件疲劳损伤不断累积并产生塑性变形,因此CFRP布协助承担更多载荷。继续加载至220万次,听到噼啪开裂声响,检查发现裂纹侧CFRP布发生部分脱开,脱开位置位于腹板与底板圆弧交界过渡处,脱开范围长度约为14 cm。随着脱开范围的逐渐增大,原有裂纹处的测点12失去CFRP布的加固作用,从原来受压转为受拉,并在裂纹迅速扩展后发生失效,记录此时循环次数约为225万次。而后加载约至240万次,测点11也因失去底部CFRP布保护而发生失效,即裂纹进一步向前扩展。在焊缝C发生CFRP布脱胶失效后,结构应力往刚度较大的焊缝A发生转移。前期疲劳损伤程度较小的焊缝A此时疲劳损伤加剧。加载至230万次时,埋入裂纹尖端前沿的测点5发生扩展失效,表明试件此时有新的疲劳微裂纹产生,但未发生CFRP布明显脱离现象。加载至244万次,测点7应力发生突变随即发生扩展失效,同时观测到原有裂纹位置覆盖的CFRP布边缘发生剥离现象。随着脱开范围的不断增大,CFRP布发生纵向撕裂现象,如

图12 SU1焊缝A疲劳破坏
Fig.12 Fatigue failure of weld A in SU1
在对表面CFRP布进行清除后,发现CFRP布脱开部位的钢板表面几乎没有胶层残留,判定是由于胶层附着力不够导致CFRP布与钢板之间脱粘。钢板和结构胶的黏结强度对加固试件的疲劳寿命起关键作用,因此建议对钢板进行糙化处理(如喷砂),以提升钢‒结构胶的界面黏结行为。
不同损伤程度试件的疲劳加固效果不同。为表征初始损伤程度对结构疲劳性能提升的影响,定义初始损伤度
(2) |
式中:Lc为初始裂纹长度;Lt为U肋截面全部长度。
研究中U肋对接焊缝属于外观未打磨的带衬垫熔透对接焊缝,按照欧洲规范对疲劳细节的要求,带衬垫U肋对接焊缝的200万次疲劳强度为71 MPa。根据Miner损伤累积原则,将试件实际加载应力幅及相应的循环次数Nc换算成规范疲劳强度下的等效循环次数Ne,如下所示:
(3) |
式中:m为疲劳细节曲线的反斜率,取3.0。
各加固试件计算结果如
试件编号 | α/% | 疲劳强度/MPa | 等效疲劳寿命/1 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
加固前 | 加固后 | 提升倍数 | 加固前 | 加固后 | 提升倍数 | ||
SU1‒C | 47.4 | 68.5 | 53.4 | 0.8 | 180 | 88 | 0.5 |
SU1‒A | 12.4 | 69.4 | 69.6 | 1.0 | 187 | 189 | 1.0 |
SU2‒A | 9.6 | 41.1 | 105.1 | 2.6 | 39 | 649 | 16.6 |

图13 加固试件试验结果与各国疲劳强度曲线对比
Fig.13 Comparison between experimental results of strengthened specimens and fatigue strength curves of various countries
(1)疲劳开裂试验表明,嵌补段U肋对接焊缝的疲劳开裂点均出现在焊缝圆弧过渡区域,继而向底部和腹板两侧扩展。由于存在气孔和未熔透等焊接缺陷,U肋对接焊缝的平均疲劳强度仅为59.7 MPa,低于欧洲规范规定的71 MPa。
(2)CFRP布能有效协助承担疲劳开裂区域的荷载和限制开裂处的位移,从而延长损伤结构的疲劳寿命。加固焊缝相继发生CFRP布局部脱胶破坏和钢结构扩展破坏2个过程。当局部胶层失效后,部分CFRP布无法继续承担荷载而退出工作,剩余CFRP布继续与原结构协同受力,因此CFRP布加固可起到结构破坏前的预警作用,避免结构的突然断裂。
(3)经CFRP布粘贴修复后,不同损伤程度的U肋对接焊缝的抗疲劳性能均有了一定的提升。加固后U肋对接焊缝的疲劳强度约为原来的0.8~2.6倍,等效疲劳寿命可延长0.5~16.6倍。
(4)综合受力和施工便捷度考虑,推荐采用3层CFRP布进行粘贴修复。对多层CFRP布进行粘贴施工时建议采用沿纤维方向错层粘贴的方式。在此基础上,考虑温湿效应的钢‒CFRP界面疲劳损伤劣化研究将是下一阶段的研究重点。
作者贡献声明
吕志林:试验设计和试验结果分析,完成数据分析以及论文撰写与修改。
姜 旭:项目负责人,指导试验设计、数据分析、论文写作与修改。
杨 燕:试验研究顾问,对试验过程和论文写作提出建议。
强旭红:试验设计者和试验研究的执行人,指导试验设计和论文写作。
张冠华:试验研究顾问,对试验过程提出建议。
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