止裂 让钢桥不再衰老
面對嚴重影響鋼橋面板服役性能和耐久性的疲勞開裂問題，研發合理、高效的加固維護技術十分必要。本文選取縱肋與橫隔板焊接細節的典型疲勞開裂模式，采用栓接角鋼裝配式加固方法對該細節進行加固，並通過足尺疲勞試驗研究該加固方法的有效性及其工程可實施性。在此基礎上，采用斷裂力學進行加固效果評價，以驗證栓接角鋼裝配式加固方法，對正交異性鋼橋面板縱肋與橫隔板焊接細節的疲勞裂紋維護的可靠性。
有限元模型的建立
疲勞破壞模式和裝配式加固
纵肋与横隔板焊接细节受力较为复杂，在装配误差、焊接残余应力及焊接缺陷等因素综合影响下，该部位成为正交异性钢桥面板中疲劳问题最为突出的部位之一。该部位典型的疲劳裂纹的失效模式主要包括以下几种：破坏模式I ：疲劳裂纹起于焊趾并沿纵肋腹板扩展；破坏模式II ：疲劳裂纹起于焊趾并沿横隔板扩展 ；破坏模式III ：疲劳裂纹起于横隔板弧形开孔并沿横隔板扩展，如图1所示。研究结果表明，模式I为疲劳破坏的主要形式，且其疲劳开裂的加固较其他模式更为困难。
正交異性鋼橋面板開裂采用在局部栓接或粘貼鋼板的方式，可以有效提高該部位的局部剛度，顯著降低局部應力水平，從而抑制該部位疲勞裂紋的進一步擴展。因此，對于縱肋與橫隔板連接部位的疲勞加固而言，其關鍵在于采用適當的方法降低局部應力集中程度，調整局部受力狀態，從而改善該細節局部應力水平。針對縱肋與橫隔板焊接細節疲勞開裂模式I，采用在縱肋底板與橫隔板處栓接等邊角鋼加固處理，如圖2所示。
面向疲勞性能研究的有限元模型
爲研究關注疲勞易損細節的疲勞特性，針對某大橋正交異性鋼橋面板縱肋與橫隔板焊接細節，進行裝配式加固方法模型試驗研究。足尺模型試件主要由頂板、縱肋、橫隔板及其下翼緣板構成。疲勞試驗模型輪廓尺寸爲：長2.7m，寬1.4m，高0.6m，縱向設置2個橫隔板，橫向設置2個U肋。試件主要結構板件厚度爲：頂板18mm，縱肋8mm，橫隔板14mm，橫隔板下翼緣20mm。縱肋截面尺寸爲300mm×280mm×8mm，縱肋中心間距爲600mm。疲勞試驗采用分配梁縱向兩點加載，在分配與試驗模型之間的加載位置放置兩個200mm×200mm的橡膠支座，試驗模型橫隔板下翼緣使用固接約束，其加載方案如圖3所示。
本研究的主要目的在于確定待研究構造細節的疲勞性能，綜合考慮加載設備和加載周期等因素，制定試驗方案並確定實際采用的加載荷載幅值ΔP。所確定的主要試驗工況如下：
工況1（LCI）：縱肋與橫隔板連接細節疲勞特性試驗工況。該工況主要用于研究此處實際疲勞特性。此工況加載次數爲115萬次，荷載上、下限分別取ΔP+20kN與20kN，ΔP爲290kN。
工況2（LCII）：縱肋與橫隔板焊接細節疲勞開裂裝配式快速加固試驗工況。主要研究裝配式快速加固方法對于縱肋與橫隔板焊接細節的疲勞壽命的改善效果。此工況加載次數爲180萬次，荷載上、下限分別取ΔP+20kN與20kN，ΔP爲348kN。
針對待研究的疲勞易損部位（縱肋與橫隔板焊接細節處）開裂後栓接角鋼加固效果，由于此處疲勞裂紋屬于複合型裂紋，爲提高應力強度因子K的求解精度，選取通用有限元軟件ANSYS建立實體單元模型進行求解，除含有裂紋的子模型外都用實體單元Solid45。在縱肋與橫隔板焊接細節處建立裂紋子模型，其中，裂紋前緣周圍單元采用能夠較精確反映裂紋尖端附近應力場奇異性的Solid95單元模擬，其余子模型部位使用Solid92單元。整個有限元模型總計257988個單元，401870個節點，如圖4所示。爲保證其計算結果可靠性，能准確模擬試驗模型的受力狀態，設定與試驗相同的約束條件及加載方式，在試驗結構模型重點部位布置大量測點。試驗過程中采用美國MTS公司的MTS793試驗系統進行疲勞試驗加載、UCAM-60B靜態數據采集系統進行靜載試驗應變測試，同時采用DH3820動態數據采集系統對疲勞易損細節關鍵測點的應變進行動態監測。由于篇幅限制，此處僅列出縱肋與橫隔板焊接細節典型對比結果，測點位置及在試驗荷載工況下實測值（M）與理論值（T）結果對比如圖5所示，測點處應變片布置在焊縫端部下方縱肋腹板母材上。研究結果表明：有限元計算值與試驗實測值基本吻合，所建立的有限元模型能夠較爲准確地模擬縱肋與橫隔板焊接細節的力學特性，可作爲裂紋擴展行爲及加固研究的模型。
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