钢箱梁止裂和钢板加固疲劳维修效果的对比分析与监测

钢箱梁以其自重轻、强度高、抗风性能好等优点，在国内外大跨桥梁中得到广泛应用。 但由于其结构复杂、焊缝密集交错、相互约束、受力状态复杂，在往复车辆的载荷作用下容易发生疲劳损伤。 钢箱梁疲劳损伤裂纹常出现在容易产生应力集中效应的连接焊缝处。 随着钢桥使用寿命的增加，实际桥梁裂缝修复加固的需求变得日益迫切。

钢箱梁通常采用隔板构造，有效提高了结构的整体刚度。 据研究，设置隔板后可以有效减少钢箱梁的扭曲效应。 但随着运行时间的增加，横隔板与U型肋连接的焊缝处会出现大量的疲劳裂纹，影响桥梁结构的安全。 影响。 目前，针对结构细节疲劳裂纹的修复加固方法正在逐步得到应用。 其中，钻孔止裂法因其操作简单、临时止裂效果好而成为常用的修复方法。 目前，许多学者对不同孔径、孔位等参数下的修复效果进行了对比研究，但对于钻孔止裂时机和钻孔参数变化对其他材料疲劳性能的影响探索相对较少。组件的各个部分。 另一种维修方法是对局部裂纹部位应用增强材料进行加固，即实施冷接钢板、超高性能纤维混凝土复合材料等具有零损伤或微损伤维修技术特点的冷维修方法层。 钢板是目前常规的加固材料，但其加固主要针对混凝土结构，在钢桥结构中的应用较少。

本文针对横隔板-U肋焊缝细节，结合有限元分析和实桥应力监测，研究钻孔止裂和钢板加固的疲劳裂纹修复效果，分析孔缘应力分布特征及止裂效果不同裂纹长度下的孔洞。 钻孔前后不同侧隔板-U肋焊缝应力以及裂纹尖端和孔边缘应力水平的影响。 本文提取隔膜-U肋焊趾应力、连接胶层应力和裂纹尖端应力强度因子来研究钢板加固效果，为桥梁实际维护提供依据。

钻孔止裂效果分析

有限元分析

有限元模型

为了明确隔膜-U肋连接焊缝疲劳裂纹钻孔修复后孔边的应力分布，以及隔膜-U肋连接焊缝同侧和异侧的应力变化针对钻孔前后的裂纹细节，我们采用ABAQUS有限元分析软件建立有限元实体模型进行计算分析。 该模型包括路面、屋顶、横隔板和 U 型肋等组件。 各构件尺寸按照大跨钢箱梁桥常用尺寸进行模拟。 钢桥面顶板厚度16mm，横隔板厚度10mm，顶板U肋厚度8mm； 屋顶U肋上缘开口宽度为300mm，下缘宽度为170mm，高度为280mm； 相邻U肋间距为600mm； 弧形间隙下方设有拼接间隙，该间隙位于U筋的正下方。 尺寸为：80mm×75mm。 裂纹萌生点位于隔膜焊趾处的隔膜-U 型肋连接焊缝处。 采用周长积分法建立了带裂纹的隔膜-U型肋连接焊缝的有限元实体模型。 使用“创建切割”准备裂缝。 裂纹尖端防裂孔直径为10mm，防裂孔圆心与裂纹尖端重合。

模型采用C3D8R六面体网格和C3D10四面体网格划分。 重点关注隔膜-U筋连接处的焊缝细节、裂纹及消裂孔，网格尺寸细化至1mm，钻孔消裂有限。 元模型如图 1 所示。

图1 钻孔止裂有限元模型

为了比较不同长度裂纹对隔板-U肋连接焊缝对同侧、异侧细节的影响以及隔板-U肋不同长度钻孔止裂后孔边应力的变化连接焊缝，设置不同长度的裂纹条件进行计算分析，如表1所示。

局部母材应力

对U型肋一侧的裂纹进行钻孔修复可以在一定程度上减少裂纹尖端的应力集中，但裂纹缓解孔引起的截面刚度减弱可能会影响U型肋一侧的隔板-U。同侧和相对侧。 应力对筋连接焊缝和裂纹消除孔附近的母材产生不利影响，导致新的疲劳裂纹出现。 因此，针对不同长度的裂纹情况，提取了裂纹细节钻孔前后膜片-U肋连接同侧和对侧焊缝和孔边缘的应力变化，如图 2所示。

图2 钻孔后应力变化

从图2可以看出，钻孔后，同侧膜片-U筋连接焊缝细节应力明显增大。 不同裂纹长度下的应力增量在10MPa~20MPa之间，而另一侧细节的应力变化较小。 说明通过钻孔止裂细部后，更容易削弱同侧细部的疲劳性能，降低其疲劳寿命。 对比钻孔后同侧细节应力与孔缘应力峰值，可以看出，当裂纹长度小于80mm时，孔缘应力值大于孔边应力小于同侧细部，当裂纹长度大于80mm时，孔边应力小于同侧细部。 应力值。 因此，如果裂纹长度小于80mm，则防裂孔边缘开裂的风险大于同侧细节，反之，如果裂纹长度大于80mm，则反之。

孔边应力

钻修长度大于80mm的裂缝后，孔边应力小于同侧细部应力，可防止止裂孔再次开裂。 但裂纹扩展长度过大时钻孔可能会导致裂纹细部构件失效，同时也会显着增加同侧细部开裂的风险，应尽量避免。

图3 孔边缘应力包络图

为了了解不同裂纹长度下止裂孔边缘的应力分布，帮助判断止裂效果，预测裂纹扩展行为，绘制了不同裂纹长度下孔边缘的应力包络图，并使用以应力峰值点为圆的起点，提取一周内的应力。 路径，如图3所示。可以看出，应力峰值点两侧半圆内的应力大致对称分布。 随着裂纹长度的增加，包络图面积减小，孔边缘应力逐渐减小。 因此，在裂纹长度较长时钻孔可有效降低应力。 孔边整体应力。 另外，随着裂纹长度的增加，孔边缘应力峰值点的位置也逐渐发生变化。 当裂纹长度从20mm增加到200mm时，孔边缘应力峰值点的位置逐渐偏离原来的扩展方向。 以裂纹长度200mm为例，截取孔边缘应力云图，如图4所示。在偏心载荷作用下，孔边缘应力峰值点不再沿原裂纹扩展路径，但与原始裂纹扩展方向约为65%。 °。

图4 孔边应力云图

实桥钻孔试验

测点布置

为评价钻孔止裂对实桥裂缝的修复效果，实桥现有横隔板-U肋焊缝存在斜向裂纹，裂纹延伸至横隔板母材，经钻孔止裂修复。开裂。 在不同位置进行应力监测，以获得裂纹尖端和裂纹缓解孔边缘的应力时程和疲劳应力幅值。 选择实桥上的两条不同裂缝进行钻孔和反钻孔。 虽然两条裂纹并不相同，但考虑到它们非常接近，且均为延伸至膜片基材的斜向裂纹，可以认为它们的疲劳特性相似。 真实电桥应变片粘贴如图5所示。

图5 实桥应变片粘贴

孔边应力分析

通过采集并处理裂纹尖端和孔边缘应变片的应变数据，得到两个位置的应变时程曲线，如图6所示。可以看出，钻修疲劳裂纹后，应力幅值裂纹尖端附近局部应力幅由约120MPa（相当于约600με）降低到孔边缘约80MPa，降低了33.3%，表明钻孔可以防止裂纹。 显着降低裂纹尖端的应力水平，从而延缓裂纹扩展。 对比两处位置的应变时程曲线还可以发现，未钻裂纹时，局部应力波动幅度较大，高低应力交替频率较快，应变时程曲线为相对稀疏。 粗略估计，应力循环区间在-85～95MPa之间，拉应力峰值较大，且高应力幅出现次数占总时程的比例明显较大，使得应力状态更加不利。 在裂纹尖端钻孔后，孔边缘的局部应力幅值发生波动。 越小，应变时程曲线越集中，高应力幅所占比例显着降低，应力循环范围在-50～60MPa之间，钻孔后孔边缘应力较裂纹尖端应力显着降低。 由此可见，钻孔预防裂纹在修复中具有显着的效果，在裂纹尖端钻孔可以延缓裂纹的扩展。

图6 钻孔前后应变时程对比

为了进一步评价钻孔止裂器对横隔板-U型肋焊接端延伸至横隔板的裂纹的修复效果，探讨钻孔对钢箱梁结构细节疲劳性能的影响，进行了雨流计数方法是对两个位置的裂纹进行测量。 对应变数据进行处理以获得其应力幅谱。 考虑到裂纹尖端和孔边缘应力较大，省略30MPa以下的应力幅，如图7所示。

图7 钻孔前后应力幅分布对比

从图7可以看出，隔膜母材出现裂纹后，裂纹尖端应力幅大多在60MPa以内，但也有不少应力幅超过100MPa，最大应力幅达到188MPa。 总体来看，高、低应力幅分布差异较大； 钻完疲劳裂纹后，孔边缘局部应力幅基本在75MPa以内，最大应力幅为138MPa。 但超过100MPa的应力幅值很小。 局部低应力幅值分布较均匀。 钻进后，局部低应力幅值循环次数显着增加，高应力幅值和循环次数均显着下降。 由此可见，钻止裂纹尖端后，可以降低结构的局部应力峰值，使结构在低应力阶段局部稳定，从而改善局部应力状况，达到抑制裂纹的目的。扩张。

强化效果

有限元模型

为了研究钢板对隔板-U肋试件开裂后的补强效果，考虑纵肋与隔板相交处的结构细节，建立了疲劳裂纹局部全尺寸试件模型。 顶板厚12mm，隔膜厚8mm，U筋厚6mm，U筋截面尺寸为320mm×240mm×6mm。 以垂直于连接焊缝的方向为X轴，沿连接焊缝的方向为Y轴，建立参考坐标系。 模型尺寸如图8所示。采用“三维实体”建模方法，即钢筋钢板、粘合层、钢材均采用三维实体单元进行模拟。 假设钢板-胶层界面和基材-胶层界面不滑移，则胶层、钢板和基材通过Tie接触结合。 胶层厚度设定为2mm。 根据对隔膜-U肋试件裂纹扩展方向的统计，取裂纹与隔膜-U肋连接焊缝的夹角为36°。 考虑到加固主要针对长裂缝，根据试验结果，当裂缝长度大于40mm时，已扩展为贯穿裂缝。 因此，裂纹长度取40～120mm，裂纹截面简化为矩形。 假设钢和粘合层都是相同的材料。 钢材指Q345q型钢，粘接层按国家A级结构胶设置。 钢材的弹性模量E=206000MPa，泊松比v=0.3； 胶层弹性模量E=5596MPa，泊松比v=0.25。

图8 加强后隔板弧形间隙详细有限元模型

强化机制

角钢的加固作用主要体现在协调应力和约束裂纹张开两个方面。 选取裂纹长度为160mm时的裂纹张开位移，对顶U肋焊缝细节钢板加固机理进行分析。 由于模型对称，仅显示0~80mm的张开位移，如图9所示。从图中可以看出，角钢加固后裂缝张开位移减少了59.3%，而协调应力仅导致裂纹张开位移减少19.7%，表明屋面-U肋焊缝细节钢板加固效果主要体现在减少结构应力和约束裂纹上。 以裂纹张开位移为指标，评价两种效应的加固贡献。 协调应力效应可贡献33.1%的位移减少，而约束裂纹效应则贡献剩余的位移减少。 结果表明，由于弧形钢板的连接刚度较大，钢板的加固效果主要取决于对屋面-U肋连接焊缝细节的裂纹抑制效果。

图9 裂纹张开位移对比（a=160mm）

隔膜 - U 肋焊趾应力

建立裂纹模型，了解横隔板-U肋连接焊缝焊趾应力，评价受损构件钢板的加固效果。 加固前后焊趾应力分布分别如图10和图11所示。 从图中可以看出，隔膜-U肋焊缝疲劳开裂后逐渐失效，导致焊趾应力水平显着降低。 随着裂纹长度的增加，焊趾应力水平进一步降低。 加固后焊趾应力没有上升，且不同裂纹长度试件的焊趾应力水平接近。

图10 加固前焊趾应力分布

图11 加固后焊趾应力分布

根据钢板补强机理的解释，对于隔板的弧形缺口焊缝细节，钢板补强作用主要体现在替代受损断面参与协调受力。 因此，当钢板完全覆盖加固后，无论出现多少裂纹断面，破损部位主要由钢板承载，隔板弧形间隙细节的应力分布受裂纹影响较小。初始损坏。

胶层应力

粘结层破坏是钢板加固失效的主要原因。 提取加固区域粘合层单元的米塞斯应力，分析钢板加固粘合层的破坏模式。 应力状态如图12所示，从图中可以看出，方形贴合区域膜片弧形缺口角点处应力较大。 例如，A点应力为24.3MPa，C点应力为17.3MPa，都是由于弧形缺口造成的。 应力集中大造成的。 因此，可以认为，该弧形缺口容易损坏粘合层。 这一结论与HUR-7试件的测试现象一致。 同时，从胶层应力云图中可以看出，加固区域边缘胶层的应力一般大于内部胶层的应力。 因此，可以认为接合面容易从边缘开始受到损伤。 加固时只需关注加固边缘胶层的粘结情况即可。

图12 胶层应力状态

裂纹尖端应力强度因子

应力强度因子（K）是反映裂纹尖端弹性应力场的重要参数，与外载荷和结构特性密切相关。 本研究采用单面钢板加固方案。 膜片的 GFRP 粘合侧可定义为增强端，另一侧定义为自由端。 提取裂纹尖端应力强度因子来研究钢板的加固效果。 加强端和自由端的变化分别如图13和图14所示。 从图中可以看出，钢板的加固效果很明显。 加固后，加固端和自由端的应力强度因子幅值明显减小。 加强端等效应力强度因子降低约95%，自由端等效应力强度因子降低约80%。 加固后，加固端与自由端之和下降至30MPa·mm1/2左右，与加固端相比可以忽略不计，说明加固后膜片得到了加固。 弧形缺口裂纹是典型的I型裂纹。 钢板加固后裂纹尖端处的应力强度因子均小于应力强度因子阈值，表明钢板加固后能够有效抑制裂纹扩展。

图13 加固端ΔK随裂纹长度的变化曲线

图14 自由端ΔK随裂纹长度的变化曲线

加强端和自由端对比分析，如图15所示，可见两者存在较大差异。 从图中可以看出，加强端约为自由端的30%。 这是由于裂纹前沿两端钢板的裂纹抑制效果不同所致。 钢板通过胶结与试样一起变形，以限制裂纹的发展。 加强端直接贴附在钢板上后，裂纹张开受到限制，而自由端由于加强端裂纹尖端的张开受到限制，间接抑制了裂纹。 由于裂纹两端的约束不同，自由端裂纹尖端的应力强度因子比增强端大，且有更大的扩展倾向。 实际桥梁中应关注自由端裂纹扩展情况，及时评估钢板加固效果。

图15 加强端与自由端ΔK对比

综上所述，钻孔止裂及钢板加固有以下主要特点：

首先，钻孔止裂可以显着降低实桥变幅荷载作用下隔板-U肋母材斜裂纹尖端的高应力幅值和循环次数，减少裂纹尖端疲劳损伤的积累，并改善裂纹尖端的局部应力。 力以达到延缓裂纹扩展的效果。

其次，钢板加固可以提高隔板弧形缺口-U肋焊缝细节处的应力水平，有效降低裂纹尖端的应力强度因子，抑制裂纹继续扩展，延长结构疲劳寿命。 单面裂缝加固时，自由端的应力强度因子约为加固端的3倍，因此需要重点关注自由端的裂纹扩展。

本文发表/《桥梁维护与运营》杂志

2022年第3期，总第19期

作者/陈翔 付中秋小龙

作者单位/宁波杭州湾跨海大桥开发有限公司

河海大学

编辑/陈慧

艺术编辑/赵文