主动作为防“开裂”——钢桥疲劳预防养护技术研究与工程应用

钢桥因自重轻、跨越能力强、施工制作便捷等优点，广泛应用于跨江通道、匝道、高速公路中，我国已建与在建钢桥的数量持续攀升。但随着运营时间与车流量的增长，钢桥会不可避免地出现疲劳病害，并进一步诱发铺装层开裂、漏水锈蚀等次生病害，影响结构的耐久性与安全性。由于疲劳病害具有不可逆、反复、扩展行为复杂等特点，传统被动养护的效果及收益均不理想。在《公路“十四五”发展规划》《公路养护工程管理办法》等相关政策的扶持下，工程养护正逐渐由“被动养护”向“主动养护”转变，“预防养护”已成为桥梁结构中的重点养护工程。

在土木工程中，“预防养护”理念最早出现于道路与路面工程，其含义是“通过定期的路况调查，及时发现路面轻微破损与病害迹象，分析研究其产生原因，对症采取保护性养护措施，使路面始终保持良好的服务状态的一种养护方法与理念”。疲劳预防养护技术的相关研究也在航天工程、船舶工程、机电工程中均有涉及。但由于我国钢桥建设较晚，早期对疲劳病害的认知程度有限，前期研究主要以疲劳机理及开裂后的维修为主，近年来钢桥疲劳预防才逐渐得到重视，并逐渐形成完整体系。

与常规养护相同，钢桥疲劳病害预防养护都需要建立完整的“检、评、修”的体系，但对于未出现病害或病害轻微时，如何科学地开展预防养护工作是亟需突破的难点。为此，可参考人体疾病预防的过程梳理钢桥预防养护体系。人体疾病预防中的重点工作在于“定期体检”，并结合病人特点开展针对性的筛查，而后对存在异常的部位进行诊断，明确病因与风险程度，从而判定是否进行预防干预或仅需加强观察。贯彻“预防”的先进理念，要比后期开展治疗操作更有意义。与此相仿，钢桥疲劳预防养护首先是一种“养护理念”，而后是以预防为目标导向的技术。本研究团队结合钢桥结构与病害特征，将钢桥疲劳预防养护范围定义为《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/T H21）中的标度1与2，即构件完好或出现极少量细小裂纹，并提出了“分级检测”“风险评估”与“科学预防”三项主要内容，从而建立一体化预防养护体系，如图1所示。

图1 钢桥疲劳预防养护技术体系

与公路、桥面系检查不同，钢桥结构存在“难达”“难检”的问题，为此日常巡查难以发现疲劳病害。但根据钢桥疲劳裂纹发展迅速、分布规律性强等特点，在满足规范的基础上，将经常检查与定期检查作为疲劳预防养护的重点工作。其中，经常检查以定性的全面检查为主，对桥梁状况做到“心中有数”，而定期检查为定量检查，要求结合技术仪器进行局部检测，是后期评估决策的重要支撑，两种检查内容的区别可见表1。

及时、精准捕捉钢桥疲劳病害是推进预防养护的首要步骤。然而钢桥构件多，检查工作体量极大，开展全范围精细化检查的可操作性与效益较低。针对这一问题，提出了“重点部位”的概念，即疲劳病害出现概率较高的部位。重点部位根据疲劳病害的规律性、趋势性与必然性确定。例如：在横桥向上，疲劳裂纹主要分布在重车道与快车道，紧急停车带与超车道裂纹极少，如图2所示。同时结合车辆轮迹分布特征、应力测试结果等，将重车道与快车道下方的钢桥构件作为疲劳重点部位，加强检查精度与频率。在纵向桥上，结合疲劳裂纹分布、健康监测数据等，考虑整桥的构造特征，发现桥塔、附属设置、阻尼器、纵隔板等所在梁段的局部构件因受到外界因素影响，出现疲劳裂纹的概率较大，因此将其确定为疲劳重点部位。在构造层面上，统计钢桥易出现疲劳裂纹的构造细节，均确定为重点部位。

图2 某钢桥疲劳裂纹分布

基于钢桥疲劳病害重点部位，可根据病害出现的时机及其影响程度，开展分级检测（如图3），实现针对性强的疲劳病害检测。分级检测方案在检查方法与精度上将定期检查分为局部检查（精细化检查）与目视检查，其中局部检查部位再进一步分为固定检查梁段与抽样检查梁段，其中前者数量不少于全桥的10%，后者数量不少于全桥的20%。从而实现对固定部位的反复检测，5年内完成重点部位的全部局部检查工作，对于未能开展局部检查的部位，因出现疲劳裂纹的概率较低、发展相对迟缓，并且对结构安全性能影响有限，因此每次检查工作仅需通过目视完成。分级检测方案满足了《公路缆索结构体系桥梁养护技术规范》（JTG/T 5122）中“定期检查完成一次循环不应超过5年”的规定，实现了大体量钢桥检测的有的放矢，从而提升钢桥预防养护检查工作的质效。

图3 分级检测方案

疲劳病害评定主要依据定期检查结果，目前《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/T H21）中对钢桥构件疲劳的评级以后期扩展阶段为主，对于病害标度为1或2，即完好构件、钢构件出现少量细小裂纹的情况未进行更详细的描述。为此，钢桥预防养护阶段针对该范围开展更精细的评定划分，提出基于开裂风险的评估方法。风险评估包括“内因”与“外因”两个方面，内因即构件自身质量，以“构件特征”表示;外因即考虑荷载、整体构造等因素，以“重点部位”进行区分。位于重车道或梁段设置在阻尼器等部位，其开裂风险更高，重点部位的评定等级增加1，疲劳病害预防评定标准见表2所示。并且将评定结果与决策一一对应，对于开裂风险程度较低的构件可增加检查频率或检测精度，对于高开裂风险部位可实施预防措施。此外，就全桥而言，可采用可靠度理论进行疲劳寿命评估，并建立了钢桥疲劳极限状态可靠度指标。

根据钢桥疲劳病害成因，制定了三种主要预防措施，分别为“冲击强化”“焊趾磨削”与“设置角撑板”。为了实现预防措施的有效落地，结合钢桥局部构造特征与操作要求，明确了技术参数与工艺流程。

冲击强化是利用气动或超声装置对焊缝部位进行冲击，改善焊趾形状，使焊缝表面产生塑性变形，并引入残余压应力，从而提高焊缝疲劳性能的方法。该方法对焊缝的宏观形态与微观组织均有显著的改善作用，冲击后的焊缝较原焊态试样圆顺平缓，焊趾部位颗粒状晶粒消失，晶粒受挤压形成相互平行的分层状纹理，分布均匀密集，且纹理方向大致与锤击方向垂直，形成了压缩塑性层，如图4所示。将冲击强化后的钢桥焊缝试件与原焊态试件的疲劳寿命进行对比，发现冲击预防后疲劳寿命大幅提升至239%以上。

图4 冲击强化后的结构组织与疲劳寿命变化

冲击头半径、锤击深度为冲击强化技术的重点技术参数。为此，综合表面主压应力特征与等效应力特征，对锤击参数进行研究，并计算不同锤头半径下焊趾位置等效塑性应变沿顶板厚度方向的分布情况（图5）。随着其半径的增大，焊趾部位的等效塑性应变逐渐增加，但是，当达到4mm后，最大等效应变不再随锤头半径变化，增大锤头半径对增加塑性强度并无收益，建议将锤头半径设为4mm~5mm。随着锤击深度增大，等效应力及其影响范围逐渐增加（图6），当其深度达到0.3mm时，应力增加幅度明显降低；当其深度为0.1mm时，等效应力影响深度为顶板表面以下4mm；深度为0.5mm时，等效应力影响深度则达到8mm。等效应力分布趋势随锤击深度的减小而逐渐平缓。当锤击深度为0.3mm时，等效应力峰值达到材料屈服强度，此时冲击强化达到的收益比最为显著，因此建议把锤击深度设为0.3mm。

图5 锤头半径对焊趾处等效塑性应变分布影响

图6 锤击深度对等效应力分布的影响

除技术参数外，施工工艺会直接影响技术实施效果。为此，结合钢桥构造特征，提出对顶板-U肋焊缝构件进行冲击时，冲击枪与板件的夹角应控制在60°至70°范围内，确保冲击头与焊缝表面垂直，避免锤击头滑动，保证焊缝受到均匀锤击。同时，为了保证冲击效果，避免漏冲、重复冲击，单次冲击长度不超过200mm，并进行往复冲击，相邻两次操作交接部位充分冲击，冲击重叠长度不少于10mm。

利用打磨工具对焊趾进行修磨，改善焊趾形状，可消除焊趾表层缺陷，降低焊趾部位应力集中，使应力集中系数下降61.4%，从而提高焊缝疲劳性能(如图7)。试验表明，与原焊态相比焊趾磨削处理试件的疲劳寿命提高155.2%以上。且由于磨削设备便于携带、成本低、工艺简单、受环境和焊缝位置影响小，适用于空间环境复杂的钢桥结构。

图7 焊趾磨削后的结构组织与疲劳寿命变化

而磨削半径与深度为磨削焊趾技术的重点技术参数，为此，综合焊趾部位应力峰值、峰值变化以及对截面削弱程度确定其磨削参数。图8为磨削半径和深度对焊趾第一主应力变化影响，它随磨削半径增加而逐渐降低，在数值增大到3mm后，降低趋势趋缓。磨削半径的持续增大对降低应力集中的效益逐渐减小，故建议该项取值为3mm。在优化焊缝表面形状的同时，磨削也会削弱截面，需对磨削深度加以限制。图9为磨削半径为3mm时板厚方向应力分布。未磨削构件的焊趾与顶板交点处的应力最大，为214.2MPa。当磨削深度为0.6mm与2.0mm时，磨削底部应力相比未磨削时分别下降了54.8%与42.1%。增加磨削深度能有效降低焊趾应力集中，但降低效果却随深度的增加而减小。未磨削构件顶板底部压应力约为46.4MPa，当磨削深度亦为0.6mm与2.0mm时，顶板底部应力相比未磨削时增加了8.2%与30.6%。磨削焊趾会削弱截面，增大截面弯曲正应力，且磨削深度越大，截面削弱效果越明显。因此应在保证去除表面缺陷的前提下尽量降低磨削深度，推荐取值为0.5mm。

图8 磨削半径对焊趾应力的影响

图9 磨削深度对截面应力的影响

在焊趾磨削处理过程中，不规范的操作会引发新的应力集中，因此磨削操作对预防效果的影响相当显著。故将磨头轴向与板件的夹角设为45~60°，磨头轴向与焊缝长度方向夹角约为45°，确保磨削质量并便于观察焊缝状态。在作业过程中要求略微施加压力，使弧坑在磨削数遍后达到预定深度，磨削应始终沿同一个方向，不可往复，避免因操作不均匀导致应力集中。

通过在钢箱梁顶板与纵肋之间焊接角撑板可控制局部变形，该法主要适用于构件出现显著面外变形的情况。角撑板形式包括“三角形”与“梯形”两类，如图10所示。通过疲劳试验对比设置角撑板的试件与顶板-U肋焊缝试件的疲劳寿命，发现角撑板试件相对于原试件疲劳寿命提高近136.9%，有效延缓了疲劳开裂，如图11所示。

图10 角撑板形状

图11 设置角撑板试件的疲劳寿命对比

设置角撑板技术的关键在于角撑板形式及连接方式等。为此，建立有限元软件分析了角撑板尺寸等因素对局部应力与刚度的影响。结果表明角撑板厚度与长度对顶板的应力影响较小，但考虑到施工后的宏观变形与刚度，要求角撑板与原构件连接长度应超纵肋腹板的一半，厚度则与纵肋一致。此外，分析结果表明，不设置过焊孔的角撑板对局部应力集中水平具有降低作用，故建议不增设过焊孔。

焊接角撑板过程对预防效果起决定作用，为避免引入新的变形与较高的残余应力，要求角撑板与原构件用双面贴角焊缝连接，并采用对称焊接顺序，严格控制焊脚形状与焊趾形态，焊接后应进行超声波探伤，避免因角撑板焊接导致的初始缺陷引发二次开裂。

基于对钢桥疲劳预防养护的长期研究成果，结合大量工程现场应用与实践，研究团队为多座钢桥提供了疲劳养护建议。例如：某跨江钢桥于2012年建成，长期未出现疲劳裂纹，采用全桥精细化检测方式来查找裂纹，存在检测工作量大且针对性低的问题。而实桥测试结果显示，紧急停车带下方构件以低应力幅为主，疲劳损伤累积极小，即使出现疲劳裂纹，较低的车辆运行密度对结构整体安全性未构成影响。该结果与钢桥疲劳重点部位相吻合。因此，建议该桥对紧急停车带与超车道，以目视检查取代精细化检测，在降低单次工作量的同时，可将检查频率调整为一年二次，使重点部位的检测频率得到有效提升，目前该桥一直沿用该检测方案。

基于定期检查中的“分级检测方案”，为江苏某跨江钢桥制定了5年分级检测方案（案例可参见《公路桥梁钢箱梁预防养护规范应用指南》），确定固定检测梁段与抽检梁段，如图12所示，并结合自主研发的钢箱梁疲劳裂纹高空巡检仪（图13）共同使用，钢箱梁全面检查周期为5年，满足交通部规范相关要求，全面检查周期缩短50%以上，单次检查时长则缩短40%以上。

图12 单次局部检测梁段

图13 高空巡检仪

基于钢桥疲劳预防技术参数与工艺研究，在江苏省内多座钢桥中开展了技术实施与效果分析。结果显示冲击强化后，引入残余压应力达200MPa以上，应力特征由拉应力循环转变为压应力循环，有效延缓了疲劳开裂。磨削处理后的焊缝部位的最高应力幅降幅约为28.5%。焊趾磨削、设置角撑板等预防技术成果已入选交通部科技创新成果库。基于钢桥疲劳预防养护技术研究与现场应用，编制了江苏省地方标准《公路桥梁钢箱梁预防养护规范》（DB32/T 3820-2020）与《公路桥梁钢箱梁预防养护规范应用指南》，为钢桥预防养护提供了重要的科学参考与现场操作指导，有利于促进工程结构养护提质升级。