钢结构加固的冷维护——基于高性能CFRP与SMA材料的 钢桥裂缝主动维修技术

正交异性钢桥板具有轻质高强、承载能力高等优点，广泛应用于国内外大跨度缆索承重钢梁中。但是，正交异性钢桥板构造复杂、焊缝众多，焊接过程控制难度大，易导致较大的初始缺陷和残余应力。在承受车致振动和反复轮压荷载时，多处构造细节容易发生疲劳开裂，是钢结构桥梁长期服役条件下的主要病害。从1971年英国的Severn桥首次发现疲劳开裂后，荷兰的Van Brienenoord桥和德国的Haseltal桥相继出现开裂病害，此后日本、美国等国家的钢桥也发生了疲劳开裂。虽然我国使用正交异性钢桥面板的时间较短，但由于交通量和车辆轮重激增且超载现象严重，也已在多座大跨度桥梁（如虎门大桥、江阴大桥、军山大桥、海沧大桥、杭州湾跨海大桥、苏通大桥等）的钢桥板中发现了疲劳裂纹。

钢桥疲劳裂纹产生后，应及时维修加固，否则会影响行车舒适性以及桥面铺装的工作性能，严重的会威胁到整个主梁的安全性。相较于钢梁更换，采用各种维修加固措施能够节约时间和经济成本，同时也符合国家节能减排的“双碳”目标。就目前研究现状和应用情况来看，采用高性能碳纤维增强聚酯复合材料（CFRP）和形状记忆合金（SMA）加固钢结构是国内外近期的研究热点之一。

随着交通量激增，钢桥板的疲劳损伤开裂将日趋严重。采用CFRP材料、SMA/CFRP组合贴片和Fe-SMA板，通过粘结方式对钢结构局部疲劳裂纹进行加固，聚焦于疲劳受损钢桥板的高效维修，开拓高性能材料对钢桥进行无损“冷维护”的新思路与新理论，可推动钢桥高效运维和长效养护进一步发展，为国家和社会节约巨额桥梁运养费用。

据统计，我国服役十年以上的大跨度索承钢桥，其正交异性钢桥板系统均已出现不同程度的局部疲劳开裂，裂缝发展呈现即发、耦发和并发趋势。而受材料、荷载、局部构造和环境等多种复杂因素影响，其累积恶化发展将严重影响桥梁的日常运营安全，威胁人民生命财产安全。根据对国内外多座钢桥疲劳裂纹分布的调查，基于正交异性钢桥板在构造形式上存在差异，经过对比总结，得出7种典型疲劳裂纹，如图1所示。其中，横隔板弧形切口处的疲劳裂缝（B和C）占比较大（约60%），其次为顶板与U肋连接处裂缝（A）和U肋嵌补段对接焊缝处疲劳裂缝（E），这三种裂缝共计占比达90%以上，是钢桥疲劳裂缝修复加固的主要研究对象。

图1 疲劳裂纹加固机理

针对顶板与U肋连接处裂缝,可采用高性能纤维增强水泥基材料作为钢桥面铺装层进行修复,替代原有刚度较小的沥青混凝土铺装,通过剪力钉或结构胶与下层既有受损钢桥面板形成组合桥面板共同受力,以降低焊缝处疲劳应力幅,提高钢桥抗疲劳性能和服役寿命。该修复方法已在武汉军山长江大桥、宜昌长江大桥等多座旧桥改造工程中得到成功应用,取得了较好修复效果。但对于横隔板弧形切口处和U肋对接焊缝处的疲劳裂缝，工程实践中仍以传统机械修复和焊接修复方法为主，应用效果尚存局限性。

正交异性钢桥板构造复杂，焊缝纵横交错，局部受力特殊，疲劳开裂源于复杂受力状态（包括焊接及火焰切割引起的残余应力和局部特殊构造刚度突变引起的应力集中等）。如图2所示，对应局部裂纹进行加固修复时，作用机制有两个途径：1.增加钢结构在开裂部位的局部刚度，降低钢结构损伤部位的应力幅值；2.引入预应力使钢结构局部平均应力整体下移，以抵消钢结构服役状态下局部钢板内的部分拉应力。

图2 疲劳裂纹加固机理

因纤维增强复合材料（FRP）的强度高、耐腐蚀和抗疲劳性能好，CFRP材料可通过使用结构胶粘贴在疲劳开裂部位，使钢板、胶层和CFRP作为整体共同受力，在不损伤原结构的前提下增加其刚度。针对正交异性钢桥板构造复杂和内部空间狭小的特点，开发了通过加热激活NiTi-SMA丝，从而在CFRP材料内部引入预应力的SMA/CFRP组合贴片，NiTi-SMA丝和CFRP布通过粘结方式与钢板共同工作，可有效发挥两种高性能材料的受力特点，大幅提升裂缝修复效率。

SMA具备在低温冷拉产生塑性变形后受热能恢复其初始形状的性能，当外界介质能对SMA的变形恢复趋势提供有效限制（约束）时，即会在其内部产生预应力。在土木工程领域应用比较广泛的有NiTi-SMA和Fe-SMA两类，NiTi-SMA形状恢复能力高达6%-8%，同时具备合适的相变温度区间、较强的抗疲劳性能和抗腐蚀性能等；Fe-SMA的形状恢复能力相对较弱（约为1%），但是Fe-SMA在强度、塑性、成形加工等方面性能优越，而且生产成本远低于NiTi-SMA。因而Fe-SMA可以做成厚度和面积较大的板状构件，对钢结构局部开裂部位进行加固修复，兼具施加预应力和提高截面刚度的作用。

NiTi-SMA丝在常温下为马氏体相态，静力拉伸过程中存在孪晶马氏体到退孪马氏体的转变，此过程中应力保持不变，应变不断增加，即应力应变曲线存在平台段。对NiTi-SMA进行常温下静力拉伸试验结果表明，NiTi-SMA丝弹性模量、屈服强度、屈服应变、极限强度和极限应变分别为73.5GPa、744MPa、0.011、1180MPa和0.207。

NiTi-SMA激活回复特性研究中对预拉伸16%的NiTi-SMA丝进行升温激活试验表明，其回复应力的增长速度随温度的升高而放缓。加热过程中最高温度达306℃，产生的最大回复应力为466MPa，冷却至室温后稳定在393MPa。当温度达到170℃时，回复应力已达到423MPa，为峰值应力的90.8%，而此时温度仅为峰值应力处的65%，冷却至室温后回复应力稳定在274MPa。

图3 NiTi-SMA丝材性测试装置

在对Fe-SMA进行静力拉伸力学性能试验中，Fe-SMA材料呈现出很高的强度和优异的延展性。根据测试结果，Fe-SMA的弹性模量、极限强度和极限应变分别为186GPa、893MPa和0.35。

在对Fe-SMA进行激活回复特性研究中，不同预拉伸应变和激活温度组合下，Fe-SMA的回复应力水平在138—368MPa范围。在2%预拉伸应变与150℃激活条件下的回复应力为165MPa，在4%预拉伸应变与200℃激活条件下的回复应力为213MPa，4%预拉伸应变与300℃激活条件下的回复应力可以达到314MPa，能够满足目前工程结构加固应用中针对钢板裂纹修复和梁式结构承载能力提升的需求。

图4 Fe-SMA材性测试装置

对于桥梁横隔板上的疲劳裂缝加固，为了从材料、尺寸、受力等方面保证各疲劳细节的一致性，在桥面系整体基础上提出了一种可模拟隔板弧形切口附近受力情况的横隔板局部模型，用以作为试验分析模型对不同加固方法的修复效果进行对比和研究，如图5所示。

采用有限元分析方法将选取的局部试验模型与桥面系整体模型进行对比，对桥面系局部模型进行最不利荷载工况加载，分别提取各模型两条路径上的主压应力。当对试验模型施加35.7kN轴向荷载时，两个模型弧形切口附近应力分布较为接近，该局部试验模型能够较准确地模拟正交异性钢桥面板横隔板弧形切口周边的受力情况。

图5 横隔板弧形切口处局部模型

针对正交异性钢桥面板横隔板弧形切口处的疲劳裂缝，在传统止裂孔法基础上，基于高性能材料CFRP和SMA，提出了CFRP布粘贴止裂孔法、SMA/CFRP组合贴片粘贴止裂孔法和Fe-SMA板粘贴止裂孔法3种加固方法，如图6所示。设计相应的施工工艺对开裂钢板进行修复，通过试验和有限元模拟对不同修复方法的修复效果进行了系统对比研究。

图6 横隔板弧形切口处疲劳裂缝修复方法

根据有限元模拟结果，与单纯止裂孔法相比，CFRP布、SMA/CFRP组合贴片和Fe-SMA板的加入能使止裂孔边缘点的应力大幅度降低。由于Fe-SMA板截面积更大，从而能够产生更大的回复力，因而Fe-SMA板在施加预应力方面优于NiTiNb-SMA丝。SMA/CFRP组合贴片中CFRP布和NiTiNb-SMA丝分工较为明确，CFRP布的作用是提高截面刚度从而减小应力幅，NiTiNb-SMA丝的作用是引入预压应力从而减小平均应力。

按横隔板最小有效截面计算钢板截面应力，施加12.9kN~128.6kN的荷载幅，应力幅值为55MPa，应力比为0.1。按照试验所得不同试件的疲劳开裂寿命，CFRP布粘贴止裂孔法平均提升效果约为止裂孔法的2.6倍，SMA/CFRP组合贴片粘贴止裂孔法平均提升效果约为止裂孔法的3.5倍，1.75mm厚Fe-SMA板粘贴止裂孔法平均提升效果约为止裂孔法的5.23倍，2mm厚Fe-SMA板粘贴止裂孔法平均提升效果约为止裂孔法的11.5倍。

在疲劳荷载作用下，横隔板裂纹萌生于止裂孔边缘，并随着荷载循环次数的增加不断扩展。粘贴CFRP布加固后，由此增加的局部刚度和桥接作用可有效降低循环荷载作用下止裂孔边缘的应力幅，横隔板的疲劳寿命相对单纯止裂孔修复明显增大。采用SMA/CFRP组合贴片粘贴修复时，增加局部刚度和提供桥接作用的同时引入了预压力，显著改善了横隔板裂纹处的疲劳受力性能。Fe-SMA板兼顾引入预应力和提高截面刚度的作用，同时Fe-SMA相对NiTiNb-SMA造价更低，在生产时可具有更大的截面积和体积，因此在实际应用中具备更好的疲劳加固效果。

某千米级斜拉桥采用正交异性钢桥面板，由于结构构造复杂以及焊接、施工等工艺控制不好的原因，导致焊缝处存在较大的焊接缺陷与残余应力，在直接承受反复轮胎荷载作用下产生了大量的疲劳开裂。据现场探查的裂纹位置、形态和长度，采用Fe-SMA板粘贴止裂孔法，对长度分别为63mm、70mm和130mm的三处典型横隔板裂纹进行了加固修复，如图6所示。

其主要操作流程为：1.取长度为400mm、厚度为2.0mm的Fe-SMA补强板在常温下进行预拉伸；2.打磨裂纹区域大致范围，双面横隔板均要打磨；3.辅助放大镜照明灯确认裂纹尖端位置，用马克笔标记出裂纹尖端和止裂孔圆心位置；4.钻孔、止裂孔孔径选择为12mm，并对孔周边进行清理打磨；5.将预拉伸的Fe-SMA补强板使用结构胶粘在待修复横隔板的两侧；6.对粘贴完毕的Fe-SMA补强板进行强吸磁铁加压养护五天以上；7.利用热风枪加热Fe-SMA补强板中间100mm长的激活区域以引入预应力；8.完成激活后应对表面进行喷漆处理，并在相应部位可视区域粘贴加固信息卡。

加固完成后，对实施效果进行跟踪观测。首先是每月对加固处进行一次外观检查，包括查看加固构造是否完好，是否有变形、脱胶、开裂等情况，原有裂纹是否继续延伸至加固范围以外，加固范围外是否有新的裂纹出现。其次，若在跟踪观测过程中，发现原有裂纹持续发展或加固构造损坏、脱开等情况，应对原加固位置进行清除，评估原因并进行重新加固。