破解正交异性钢桥面板低龄化之困

预测结构寿命是工程界的难题之一。正交异性钢桥面板的工作寿命较设计预期低得多，多发性的疲劳断裂不但降低结构承载力且极难修复，成为桥梁界难解的心病。其原因是荷载效应与焊接接头疲劳抗力不匹配。

疲劳现象是接头损伤与反复荷载相互作用的结果。一方面，正交异性钢桥面板超长大密度U肋焊缝损伤分布和类型难以确定；另一方面，作用其上的移动荷载位置、大小及频度也不明确，因此导致该类桥面板的预期寿命更难确定。

解决问题的根本是实现低损伤、高品质的焊接接头。受U肋封闭构造空间所限，与顶板连接采用单侧部分熔透焊缝，使未熔透部分成为类裂纹缺口，大大降低了接头抗力。

细节改善行为，损伤控制寿命，工艺决定成败。国内独创的双侧埋弧全熔透焊接工艺成功用于U肋焊接，使接头的抗疲劳可靠性大幅度提高，成为破解正交异性钢桥面板低龄化的利器。

图1 日本早期正交异性钢桥桥面积统计

图2 正交异性钢桥面的使用寿命与大型车辆的关系

正交异性板钢桥是20世纪将焊接技术用于桥梁结构的杰出作品，它构造合理、用料经济、最大限度地满足了桥梁的复杂受力要求，广泛地应用于全球的桥梁工程超过70年。钢桥面板内焊缝长度和密集度，为所有焊接结构所不及，然而桥梁长达百年的设计服役期却是最高的焊接结构标准和要求。

正交异性钢桥面板的低龄化，主要为超长U肋纵向焊缝区控制。运营服役期间，随机出现形态、长度、位置、数量难以控制的多发性纵向疲劳裂纹，不但过早地降低了桥梁的使用功能，而且修复成功率极低、修复成本极高。正交异性钢桥面的低龄化病害已成为桥梁界尚未解决的难题。据日本在上世纪70年代的统计——12小时通过3000辆大型车的桥梁，桥面板发生穿透裂纹的寿命约为10年。相较而言，国内出现病害的时间更短。

疲劳裂纹扩展并穿透桥面板后，在荷载作用下会加速扩展。当长度和数量增多时，结构的承载功能显著降低。修复处理和加固桥面板的难度由图3、4可见一斑。采用焊接修复短期有效，长期尚未有过成功。

图3 U肋焊趾裂纹扩展穿透桥面板

图4a 裂纹端部钻圆孔

图4b 裂纹开坡口焊接封闭

图4c 裂纹区域更换钢板

图4d 顶板顶面增加钢板

图4 桥面板疲劳裂纹的修复

由桥面板和U肋组合的加劲板，以横隔板为支承，在纵向形成多跨连续结构，横向则以纵腹板为边界。由于U肋对板的横向刚度贡献不大，在荷载作用的横向主要表现为受U肋支承的单板弯曲。在集中轮压作用下，带肋板的局部弯扭表现，加重了U肋纵向焊缝处的受力。

正交异性钢桥面板的纵向抗弯能力强于横向，与纵向疲劳裂纹垂直的横向交变应力，是控制疲劳寿命的关键力学因素，称作第Ⅲ体系的结构横向布置，成为桥面板结构的软肋。

焊接热过程不但使接头区微观金属组织粗化、综合力学性能下降，而且会形成内部和外部缺陷、咬边、未熔透未熔合等几何缺陷，也形成了接头区域的力学、化学、金属学和几何学的不连续现象。几何缺陷为断裂力学中的“类裂纹缺口”，与焊接裂纹相同，是引发疲劳裂纹和控制寿命的最重要因素。美国国家公路合作研究计划（NCHRP）147号报告中，总结了128根焊接钢梁的疲劳试验结果，表明疲劳裂纹均源于焊缝的微小缺陷。在疲劳寿命中的很大部分，疲劳裂纹呈半椭圆形，沿板厚方向扩展。裂纹穿透板厚的扩展过程，约占疲劳寿命的80%～95%，具体取决于细节。从这个方面看，力学不连续所表现的焊接残余应力影响，是远小于“缺口效应”的。

焊接接头的疲劳抗力，与焊缝大小无直接关系，也与结构钢屈服强度无关（f_y≤960MPa)，而是由焊接过程对接头区域的损伤决定（类裂纹缺口）。

图5 正交异性桥面板局部行为

图6

图7 桥面板纵向疲劳裂纹示意

德国焊接大师D.Radaj用“最好的焊接结构是没有焊缝的结构”，表明焊接接头存在缺陷的必然性。《疲劳力学》作者许金泉教授也将缺陷控制寿命的理念表述为，“万物皆有缺陷，亦皆会自行产生缺陷。缺陷生灭不息，有累积之势。其势由强弱，故万物之数各异。观其象，察其理，形其势，知其数，道其存焉。数相违，势必伪，理必悖，象必妄，故贵在知数。”

U肋与桥面板间的焊接接头呈斜T形(70°～75°)，属T形焊接接头。《美国桥梁焊接规范》(AASHTO/AWS D1.5M/D1.5)对T形接头有如下规定：承受着绕平行于接头轴线发生弯曲的角接和T形接头，其焊缝设计必须避免任何焊根部产生拉应力集中。T形接头采用双侧部分熔透焊缝时，视未熔透部分为缺陷，抗疲劳性能较熔透焊缝低，其降低系数在《美国建筑钢结构设计规范》(ANSI/AISC 360-10) 中根据未熔透长度计算，并以R_pjp<1表示。 

在封闭的U肋、狭小的空间内，对T形接头内侧施焊，焊接工艺难以实现。长期以来，世界各国的正交异性板均采用U肋外侧施焊，形成部分熔透的单面焊缝，成为违规的特例。

图8

预测结构寿命是预测损伤扩展的过程，属工程界一大难题。桥梁设计规范对结构寿命只能用预期值。设计服役年限≥100年是结构预期寿命，以结构出现可见裂纹而无须修复为限。在明确裂纹位置和材料力学名义应力幅水平的条件下，评定结构寿命的方法用S-N曲线法。S-N曲线由典型的焊接接头疲劳实验统计确定。寿命可表述为： 

N=C·S^-m

S为按材料力学方法求得的单向应力幅，对于复杂受力体系，需作简化处理。

用断裂力学方法预测疲劳寿命，由裂纹尖端的应力场强度范围ΔK和初始损伤a₀求得：

由于正交异性板上作用荷载位置和大小、频度的不确定，桥面板结构运营期的损伤分布和损伤程度也不确定，而且损伤处的名义应力难以准确计算。多种因素无法构成确定的关系，何时、何处会出现疲劳裂纹，以及寿命的预测也很难准确。

由于正交异性桥面板第Ⅰ体系和第Ⅲ体系所发生的应力成正交，对疲劳互不影响，在疲劳寿命的预测上也会各有不同。

疲劳寿命的失效标准是出现可见裂纹，穿透性裂纹的表面长度约为3倍板厚以上。

正交异性桥面板纵向呈多跨连续状，多轴效应使第Ⅲ体系活载作用的反复次数，大大超过第Ⅰ体系的主体结构。依据等疲劳损伤的原则，当主体结构失效时，恒幅疲劳寿命为N_Ⅰ，所出现的裂纹长度a_Ⅰ与桥面板a_Ⅲ相同时，桥面板的恒幅疲劳寿命N_Ⅲ>N_Ⅰ，这样可以避免桥面板疲劳裂纹的早期出现。

图9 等损伤曲线示意

按国内公路规范的标准疲劳车加载，假定车过桥一次，按重车多轴效应考虑，第Ⅲ体系的加载次数为第Ⅰ体系的k倍。由于横向加载对纵向轴距的不敏感，当横隔板间距定为3m时，k=2.5，恒幅加载次数N_Ⅲ=2.5×2×10⁶=5×10⁶。据此，正交异性桥面的第Ⅰ体系和第Ⅲ体系应按不同寿命进行设计，以推迟桥面板疲劳裂纹的出现时间。

等损伤、不等寿命设计法也是飞机结构疲劳设计原则之一。

钢桥面板疲劳现象的本质是，第Ⅲ体系荷载效应与U肋焊接接头疲劳抗力的不匹配。求解该不等式，有降低荷载效应和提高接头抗力两种途径，均属结构抗疲劳的措施。

图10 a_i 和板厚t对疲劳寿命N的影响

1.降低荷载效应的措施

降低正交异性板荷载效应属被动抗疲劳，疲劳为低应力破坏，单纯降低结构应力的方法，由于焊接接头区缺陷的存在，疲劳裂纹的发生与扩展并不能得到控制，收效甚微，结构材料的使用效率也会明显降低。

采用增加桥面板厚度，无法阻止沿厚度方向疲劳裂纹的扩展。德国著名焊接大师用断裂力学给出的解释，在日本学者对正交异性板不同板厚与U肋的组合试验中已经证明。D. Radaj所作不同板厚相同损伤与疲劳寿命关系曲线表明，增加板厚对寿命的影响很小。

图11a 常规U肋焊缝示意

图11b 墩厚U肋焊缝示意

图11c 内外焊部分熔透焊缝示意

图12 U肋内隔板底部疲劳裂纹

另外，试验证明，局部墩厚U肋板厚，加大焊脚尺寸，不能解决焊根缺陷的问题。受U肋坡口尺寸限制，U肋焊缝熔深已达到了(0.8～0.85)板厚，而焊根未熔透部分的缺口效应和焊趾缺陷，依然成为桥面板穿透性疲劳裂纹的重要源头。

采用U肋断面内设置内隔板的方案，不但未明显改善接头受力，反而增大了内隔板焊缝开裂的风险，也被工艺实践证明。钢-混凝土组合板的方式增强了桥面板刚度，整体名义应力虽有降低，依然不能阻止焊根缺口引发的疲劳。

图13 不开坡口双侧分步埋弧焊缝断面

图14a U肋内侧焊缝

图14b U肋外侧焊缝

图15 U肋焊接接头断面

2.高疲劳抗力焊接接头

焊接结构主动抗疲劳的手段，多指提高接头疲劳抗力的有效焊后处理技术，如焊趾修磨、锤击和TIG重熔。按欧洲规范，经处理后，200万次疲劳强度可达91MPa。但对U肋焊接接头，为了抵抗超长焊缝上随机出现的疲劳裂纹，高疲劳抗力的焊接接头必须具备全熔透、低缺陷、成型好和抗疲劳性能优的特点。将疲劳规范中U肋接头S=70MPa的工作寿命N提高到500万次，依损伤累计原则，N=200万次的疲劳强度S=96MPa。按IIW疲劳分级取S=100MPa，同时也类同于日本钢桥抗疲劳规范D类细节（T形焊接接头）。

U肋的超长焊缝实现全熔透，是解决疲劳问题的突破点。它有效阻断了在复杂荷载作用下，焊根缺陷引发多种疲劳裂纹的路径，使控制U肋内侧焊趾缺陷成为焊接工艺的关键，使缺陷的可控性显著提高。

焊接接头的高品质需要工艺来实现。将轧制T形钢作为标准，确定为U肋焊接接头追求的工艺目标。

图16 焊缝超声检测

对焊接接头“不求完美无缺，但求合于使用”，是国际焊接协会（IIW）制定的设计和工艺准则，应用于U肋则可具体为“力求低缺陷，追求高品质”的工艺指标。

采用U肋不开坡口内外侧埋弧焊接工艺，使全熔透和有效控制焊接缺陷的高品质焊接接头得以实现。U肋不开坡口焊，填充金属量小，焊接变形和残余应力相应减小。在焊剂保护下的埋弧焊，热过程稳定、成型好、缺陷少，且熔透率可达100%，对提高抗疲劳性能更为有利。带肋板采用智能型装备焊接和工厂化高效率生产，焊缝实现全长检测，使产品质量稳定可靠。

通过不同模型的疲劳试验，验证了U肋全熔透焊接接头良好的抗疲劳性能和可靠的焊接工艺，如图17、18和表1。

图17 节段模型疲劳试验

图18 T形接头试验

细节改善行为，损伤控制寿命，工艺决定成败。是焊接接头抗疲劳的基本理念，也是焊接结构完整性设计理念的表现。

从单侧到双侧焊，U肋焊接接头性能发生了本质的改变，全熔透双侧埋弧焊工艺的实施，使接头品质优化，抗疲劳性能得到了更大的提升。实现了超长U肋焊接接头、超长龄期服役、低维修的目标。体现了中国制造对世界桥梁发展的贡献。目前该项工艺已经正式使用于公路和铁路桥，正交异性钢桥面板抗疲劳性能的低龄化的破解，让桥梁工程师在优化桥面板厚度、横隔板间距上获得了更大的空间。使轻量化的钢结构更具国际竞争力。

“经济指标是评定技术水准的重要标准”不会随时间推移而改变。