張清華，崔闖，卜一之，李喬，夏嵩

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031)

鋼結(jié)構(gòu)橋梁以其輕質(zhì)高強(qiáng)、跨越能力大、易工廠化制造和便于裝配化施工等突出優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代橋梁工程中得到了廣泛應(yīng)用，但中國鋼結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展和應(yīng)用長期滯后于歐美和日本等發(fā)達(dá)國家。在交通強(qiáng)國戰(zhàn)略深入推進(jìn)的時(shí)代背景下，中國將大力推廣鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)，推動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)橋梁向“綠色、環(huán)保、可持續(xù)”方向發(fā)展：國務(wù)院政府工作報(bào)告中明確提出積極推廣綠色建筑和建材，大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)；交通部在“十三五”規(guī)劃中指出加快推進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展應(yīng)用。鋼結(jié)構(gòu)橋梁是未來一段時(shí)期中國橋梁工程的重要發(fā)展方向。

但由于服役環(huán)境、荷載條件和交通需求、結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)等諸多因素耦合影響，鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞開裂并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)服役性能顯著惡化甚至直接導(dǎo)致災(zāi)難性事故的案例，在全球范圍內(nèi)頻發(fā)且呈逐年上升態(tài)勢(shì)，已成為制約鋼結(jié)構(gòu)橋梁服役安全和服役質(zhì)量的世界難題。疲勞問題作為鋼結(jié)構(gòu)橋梁的基本問題之一，一直是橋梁工程界的熱點(diǎn)研究課題[1-7]。高速、重載的發(fā)展方向?qū)υ谝酆托陆ㄤ摻Y(jié)構(gòu)橋梁的實(shí)際抗疲勞性能提出了更高的要求，大量在役鋼結(jié)構(gòu)橋梁的實(shí)際性能隨服役時(shí)間的延長而不斷劣化，如何通過理論研究、模型試驗(yàn)和實(shí)橋監(jiān)測(cè)深化對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞問題基本屬性和失效機(jī)理的認(rèn)識(shí)，引入先進(jìn)的抗疲勞設(shè)計(jì)理念、制造技術(shù)和疲勞損傷監(jiān)測(cè)與檢測(cè)技術(shù)，發(fā)展高疲勞抗力新結(jié)構(gòu)，建立鋼結(jié)構(gòu)橋梁服役過程性能劣化控制方法與智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，解決新建和在役鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞性能不足與性能需求不斷提高之間的突出矛盾，是橋梁工程界亟需解決的關(guān)鍵問題。學(xué)者們圍繞鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞損傷演化與服役性能劣化機(jī)理、鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞抗力評(píng)估與預(yù)測(cè)、鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋監(jiān)測(cè)與檢測(cè)方法、疲勞開裂加固與維護(hù)技術(shù)等諸多方面開展了卓有成效的研究，主要對(duì)2019年學(xué)者們?cè)谏鲜龇矫嫠〉玫难芯窟M(jìn)展進(jìn)行梳理和總結(jié)，明確當(dāng)前的研究現(xiàn)狀、待解決的關(guān)鍵問題以及下階段的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向。

1 疲勞損傷演化與服役性能劣化機(jī)理

學(xué)者們對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞損傷演化與服役性能劣化機(jī)理開展了卓有成效的研究，研究內(nèi)容涵蓋構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞失效機(jī)理與疲勞抗力提升機(jī)制、鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞可靠度、鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋擴(kuò)展特性和服役性能劣化機(jī)理等方面。

1.1 疲勞失效機(jī)理與提升設(shè)計(jì)疲勞抗力

在鋼結(jié)構(gòu)橋梁構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞失效機(jī)理與疲勞抗力提升機(jī)制方面，周緒紅等[2-3]和張清華等[8]針對(duì)縱肋與頂板構(gòu)造細(xì)節(jié)和縱肋與橫隔板交叉構(gòu)造細(xì)節(jié)開展了試驗(yàn)和理論研究，明確了其受力特性和實(shí)際疲勞抗力。為了提升鋼結(jié)構(gòu)橋梁構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞性能，提出了增大焊縫熔透率和鐓邊縱肋等方法，但試驗(yàn)和理論研究均表明[8-10]：雖然引入鐓邊縱肋能夠提高頂板焊趾開裂模式的疲勞抗力，但無法改善頂板焊根這一疲勞易損部位的疲勞抗力。為了提升縱肋與橫隔板交叉構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞性能，提出了優(yōu)化橫隔板開孔形式和設(shè)置內(nèi)隔板等方法，研究表明[3,11]：優(yōu)化橫隔板開孔形式可以有效改善弧形開孔的局部應(yīng)力集中問題，提高橫隔板弧形開孔位置的疲勞抗力；設(shè)置內(nèi)隔板雖能夠提高縱肋腹板焊趾開裂模式的疲勞抗力，但施工困難且可能引發(fā)縱肋內(nèi)焊機(jī)器人不能進(jìn)入縱肋進(jìn)行內(nèi)側(cè)焊縫施焊等問題。聶建國[1]和張喜剛等[5]明確指出發(fā)展高性能結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)中國工程結(jié)構(gòu)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。深化鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞損傷機(jī)理的認(rèn)識(shí)，并據(jù)此發(fā)展高性能新型構(gòu)造細(xì)節(jié)和高性能結(jié)構(gòu)，有效提升結(jié)構(gòu)體系的疲勞抗力，是解決鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞開裂問題的有效途徑和當(dāng)前的研究重點(diǎn)。

圖1 高性能新型正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)及其疲勞開裂模式Fig.1 High performance new orthotropic steel bridge panel structure and its fatigue cracking mode

另外，在鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞可靠度和疲勞裂紋擴(kuò)展特性等方面，李杰[12]在對(duì)工程結(jié)構(gòu)整體可靠性研究的基礎(chǔ)上，建立了工程結(jié)構(gòu)可靠性理論分析的新體系。李傳習(xí)等[13]和李愛群等[14]基于可靠度理論對(duì)隨機(jī)車輛荷載作用下鋼橋面板的疲勞可靠度進(jìn)行了評(píng)估，確定了運(yùn)營荷載和構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)等因素對(duì)鋼橋面板疲勞可靠度的影響規(guī)律。卜一之等[15]和張清華等[16]建立了三維疲勞裂紋擴(kuò)展模擬方法，對(duì)鋼橋面板的疲勞裂紋擴(kuò)展特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，得到了其疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律。

1.2 疲勞抗力劣化機(jī)理與服役性能劣化

黃云等[17]針對(duì)表面缺陷對(duì)構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞抗力劣化效應(yīng)的影響問題開展了探索性研究，結(jié)果表明，初始制造缺陷是決定構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞抗力的控制性影響因素。但當(dāng)前關(guān)于初始制造缺陷對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞抗力劣化問題研究仍較為欠缺，亟需開展深化研究。在鋼結(jié)構(gòu)橋梁的加工制造過程與疲勞抗力的相關(guān)關(guān)系方面，黃云等[17]和Cui等[18]對(duì)于制造過程中產(chǎn)生的初始制造缺陷和初始?xì)堄鄳?yīng)力所致的鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞抗力劣化與失效機(jī)理問題進(jìn)行了深入研究。由建造技術(shù)和方法所決定，鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點(diǎn)不可避免地存在初始制造缺陷和焊接殘余應(yīng)力。初始制造缺陷在細(xì)觀尺度上所導(dǎo)致的幾何不連續(xù)、應(yīng)力集中和局部塑化，是顯著降低疲勞裂紋萌生壽命并導(dǎo)致構(gòu)造細(xì)節(jié)過早發(fā)生疲勞失效的關(guān)鍵。Cui等[18]從初始制造缺陷的細(xì)觀尺度形態(tài)特性和微觀金相組織形態(tài)特征出發(fā)，建立了從疲勞微裂紋成核、萌生到宏觀裂紋擴(kuò)展失效的大跨度鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點(diǎn)跨尺度疲勞損傷評(píng)估模型，揭示了初始制造缺陷對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點(diǎn)疲勞抗力的劣化機(jī)理，結(jié)果表明：對(duì)于裂紋萌生壽命占絕對(duì)主導(dǎo)的鋼結(jié)構(gòu)橋梁，初始制造缺陷可導(dǎo)致疲勞抗力降低高達(dá)80%以上，典型分析結(jié)果如圖2所示。對(duì)于焊接殘余應(yīng)力，研究表明，在外部車輛等交變荷載的作用下，焊接殘余應(yīng)力將逐步消散，消散過程由外部循環(huán)荷載幅值、應(yīng)力比等參數(shù)所決定，如圖3所示?？傮w而言，該因素對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞抗力的劣化效應(yīng)顯著小于初始制造缺陷所致劣化效應(yīng)。

圖3 初始焊接殘余應(yīng)力在外荷載作用下的耗散機(jī)制Fig.3 Dissipation mechanism of initial welding residual stress under external load

在外部腐蝕環(huán)境特性對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞損傷與服役性能劣化的效應(yīng)機(jī)制方面，衛(wèi)星等[19]、Jie等[20]、Macho等[21]研究了人工預(yù)腐蝕和復(fù)雜應(yīng)力場(chǎng)交互作用下構(gòu)件連接部位的疲勞性能問題，就腐蝕對(duì)于疲勞損傷的效應(yīng)機(jī)制和復(fù)合型疲勞裂紋的擴(kuò)展準(zhǔn)則進(jìn)行了深入系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和理論研究，結(jié)果表明：腐蝕將顯著加速疲勞損傷的演化過程，進(jìn)行疲勞抗力評(píng)估時(shí)必須充分考慮腐蝕的劣化效應(yīng)問題。高宗余等[4]指出，在海洋橋梁工程結(jié)構(gòu)中，車輛荷載與復(fù)雜海洋荷載對(duì)于結(jié)構(gòu)疲勞抗力的耦合劣化機(jī)理、海水腐蝕與結(jié)構(gòu)疲勞損傷的交互作用機(jī)制等問題仍有待進(jìn)一步研究。賈東林針對(duì)在役鉚接鋼結(jié)構(gòu)橋梁進(jìn)行的大量研究表明，在受腐蝕和反復(fù)車輛荷載的共同作用下，鉚接鋼桁梁橋構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的疲勞抗力隨服役過程的延長而不斷劣化，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體系的疲勞性能退化和剩余壽命降低，其疲勞問題本質(zhì)上屬于多尺度經(jīng)時(shí)演化問題；腐蝕和疲勞累積損傷兩種經(jīng)時(shí)效應(yīng)的交互作用，共同決定鉚接鋼桁梁橋疲勞性能的演化過程[22-23]。隨著服役時(shí)間的延長，構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的腐蝕與疲勞損傷相互促進(jìn)，二者的交互作用將在構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)層面導(dǎo)致其疲勞開裂模式遷移，并加速疲勞抗力劣化，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體系層面的主導(dǎo)疲勞失效路徑遷移，疲勞性能發(fā)生經(jīng)時(shí)演化，如圖4所示。關(guān)于經(jīng)時(shí)演化過程、關(guān)鍵影響因素及其效應(yīng)機(jī)制等方面的研究當(dāng)前正在進(jìn)行中。

圖4 典型在役鉚接鋼桁梁橋疲勞性能的經(jīng)時(shí)演化過程Fig.4 Time-dependent evolution process of typical fatigue performance of riveted steel truss bridges in service

2 鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞性能評(píng)估

2.1 疲勞性能評(píng)估方法

當(dāng)前廣泛采用的鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞性能評(píng)估方法主要包括兩類：基于應(yīng)力幅與疲勞壽命相關(guān)關(guān)系的疲勞性能評(píng)估方法和斷裂力學(xué)方法[24-35]。其中，基于線性累積損傷理論的名義應(yīng)力法、熱點(diǎn)應(yīng)力法、結(jié)構(gòu)應(yīng)力法和切口應(yīng)力法等在鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞性能評(píng)估中得到了廣泛使用[24-35]。Huang等[24]考慮鋼橋面板縱肋與橫肋交叉焊縫的多開裂模式和主導(dǎo)失效路徑問題，基于熱點(diǎn)應(yīng)力法對(duì)該細(xì)節(jié)進(jìn)行了壽命評(píng)估。祝志文等[25]基于實(shí)橋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)鋼橋面板橫肋弧形開孔位置的疲勞裂紋擴(kuò)展特性和失效機(jī)理進(jìn)行了研究，并基于名義應(yīng)力法和熱點(diǎn)應(yīng)力法對(duì)該部位的疲勞性能進(jìn)行了評(píng)估，基于熱點(diǎn)應(yīng)力法確定了弧形開孔母材的疲勞強(qiáng)度等級(jí)(FAT125)。熱點(diǎn)應(yīng)力法能夠考慮焊接結(jié)構(gòu)焊趾處的應(yīng)力集中效應(yīng)，但計(jì)算結(jié)果易受模型有限元網(wǎng)格的尺寸影響。Luo等[26]采用切口應(yīng)力法對(duì)鋼橋面板頂板與縱肋連接構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞抗力評(píng)估問題進(jìn)行了研究，確定了鐓邊縱肋與頂板焊接構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞抗力。Wang等[27]對(duì)鋼橋面板頂板與縱肋構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)理進(jìn)行了探究，在此基礎(chǔ)上采用切口應(yīng)力法對(duì)該構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞性能進(jìn)行了評(píng)估。由于切口應(yīng)力對(duì)焊縫部位的幾何特征參數(shù)極為敏感，而在焊接過程中，焊縫的尺寸在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)且隨機(jī)性較大，實(shí)際上難以準(zhǔn)確確定實(shí)際焊趾部位的準(zhǔn)確幾何參數(shù)，在一定程度上限制了切口應(yīng)力法的應(yīng)用。Li 等[28]針對(duì)鋼橋面板關(guān)鍵構(gòu)造細(xì)節(jié)多開裂模式條件下的焊接節(jié)點(diǎn)主導(dǎo)疲勞開裂模式和疲勞性能問題進(jìn)行了研究。在斷裂力學(xué)方法方面，陳艾榮等[29-30]和Cui等[18]基于斷裂力學(xué)，通過非線性疲勞累積損傷理論考慮多因素的耦合致?lián)p效應(yīng)，對(duì)實(shí)際交通荷載作用下的鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞壽命評(píng)估問題進(jìn)行了研究。Sun等[31-32]基于鋼材金相組織微觀損傷力學(xué)理論，提出了自適應(yīng)的大跨度鋼結(jié)構(gòu)橋梁跨尺度疲勞損傷評(píng)估方法，考慮了車輛的動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)實(shí)橋進(jìn)行壽命評(píng)估。傳統(tǒng)斷裂力學(xué)方法用于疲勞壽命評(píng)估結(jié)果的關(guān)鍵問題在于評(píng)估的準(zhǔn)確性高度依賴評(píng)估模型中參數(shù)的取值，而相關(guān)參數(shù)受外界環(huán)境和結(jié)構(gòu)材料基本屬性的影響而具有較大的變異性，加劇了疲勞壽命評(píng)估結(jié)果的離散性。基于斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)的疲勞性能評(píng)估方法仍有待進(jìn)一步研究。

在鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞性能評(píng)估方法研究方面，黃云[33]對(duì)于隨機(jī)荷載作用下因荷載相互作用而導(dǎo)致的裂紋擴(kuò)展加速或遲滯效應(yīng)問題進(jìn)行了研究，引入彈塑性斷裂力學(xué)理論考慮裂紋尖端塑性區(qū)的相互作用和裂紋擴(kuò)展特性，建立了基于微小時(shí)間尺度的變幅疲勞裂紋擴(kuò)展理論模型，提出了基于可靠度的鋼橋面板構(gòu)件疲勞抗力評(píng)估方法。當(dāng)前的疲勞性能和評(píng)估方法研究主要聚焦于鋼結(jié)構(gòu)橋梁關(guān)鍵構(gòu)造細(xì)節(jié)的單一開裂模式，通常不考慮結(jié)構(gòu)體系的多疲勞開裂模式特性，因此無法確定結(jié)構(gòu)體系的主導(dǎo)疲勞開裂模式和結(jié)構(gòu)體系的實(shí)際疲勞抗力。為此，張清華等[8]基于鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞問題的基本屬性，以正交異性鋼橋面板為研究對(duì)象，提出了基于主導(dǎo)疲勞開裂模式的結(jié)構(gòu)體系疲勞抗力評(píng)估方法，并對(duì)其在鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞抗力評(píng)估中應(yīng)用的關(guān)鍵問題進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，證明了其適用性、先進(jìn)性和優(yōu)越性[8,28]，如圖5所示。

圖5 基于主導(dǎo)疲勞開裂模式的結(jié)構(gòu)體系疲勞抗力評(píng)估方法Fig.5 Fatigue resistance assessment method for structural systems based on the dominant fatigue cracking mode

2.2 疲勞損傷狀態(tài)預(yù)后

在既有鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞損傷狀態(tài)預(yù)后方面，Cui等[34]結(jié)合動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)(WIM)的車輛實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立了車輛預(yù)測(cè)隨機(jī)模型，考慮日均隨機(jī)車流和焊接殘余應(yīng)力，建立了基于可靠度理論的鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞損傷概率預(yù)測(cè)方法。研究結(jié)果表明：對(duì)直接承受輪載作用的鋼橋面板而言，直接承受輪載作用區(qū)域的疲勞損傷遠(yuǎn)大于非輪載作用區(qū)；不考慮焊接殘余應(yīng)力將導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞損傷評(píng)估結(jié)果偏于不安全。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)以往隨機(jī)車流模擬中未考慮不同時(shí)段早晚高峰與日夜車輛比重差異的問題，結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)交通荷載數(shù)據(jù)建立了貝葉斯綜合自回歸移動(dòng)平均(ARIMA)模型[34]?；谠撃Ｐ涂煽紤]車橋耦合振動(dòng)、鋪裝層溫度、車速、車輛橫向分布等關(guān)鍵影響因素的效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)未來一段時(shí)間內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞損傷預(yù)后。在此基礎(chǔ)上，通過集成數(shù)據(jù)處理，特征值提取、故障診斷和損傷預(yù)后等模塊，初步建立了鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞損傷智能監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)。相關(guān)研究成果在深中通道、武漢青山長江大橋、宜昌伍家崗長江大橋、濟(jì)南長清黃河大橋、西江特大懸索橋、軍山長江大橋等重大工程建設(shè)項(xiàng)目中得到了成功應(yīng)用。

3 鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋監(jiān)測(cè)與檢測(cè)

人工巡檢仍是當(dāng)前實(shí)橋的主要檢測(cè)手段，通過目視輔以磁粉或滲透檢測(cè)進(jìn)行[35]；通過結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)信息識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷是另一類常用方法[46-39]。Wei等[37]、李宏男等[38]和伊廷華等[39]通過橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所獲取的結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)反演結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)并識(shí)別損傷。該類方法的損傷識(shí)別結(jié)果與傳感器的類型和布設(shè)位置有關(guān)，在高冗余度結(jié)構(gòu)的局部微小損傷監(jiān)測(cè)與識(shí)別方面仍面臨困難和挑戰(zhàn)[40-41]。在橋梁健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，為降低橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)維成本、提高橋梁結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的時(shí)效性與魯棒性，深度融合新一代信息技術(shù)，發(fā)展新一代橋梁損傷監(jiān)測(cè)與檢測(cè)技術(shù)是未來的重要發(fā)展方向[42-43]。李宏男等[44]和朱宏平等[45-46]分別構(gòu)建了不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，建立了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)之間復(fù)雜的映射關(guān)系，達(dá)到了快速識(shí)別結(jié)構(gòu)狀態(tài)的目的。鮑躍全等[47]和Xu等[48-49]提出了基于計(jì)算機(jī)視覺和人工智能的結(jié)構(gòu)裂紋識(shí)別方法，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)表面淺層疲勞裂紋的遠(yuǎn)程智能化監(jiān)測(cè)。鐘新谷等[50]發(fā)展了以無人飛機(jī)為工作平臺(tái)的橋梁結(jié)構(gòu)表面裂縫形狀與寬度識(shí)別的檢測(cè)系統(tǒng)。為檢測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部或隱蔽裂紋，基于聲發(fā)射技術(shù)的無損檢測(cè)方法在橋梁結(jié)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用[51]。王介修等[52]基于超聲波在裂紋面處的反射與衍射原理，提出了鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋特征參數(shù)的定量檢測(cè)方法，該方法可有效檢測(cè)淺層或隱蔽性裂紋的深度與擴(kuò)展方向。Nowak等[53]研究了聲發(fā)射傳感器位置和數(shù)量等參數(shù)對(duì)疲勞裂紋回波的影響問題，通過鐵路鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋的實(shí)橋監(jiān)測(cè)，闡明了聲發(fā)射信號(hào)與裂紋擴(kuò)展之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)機(jī)制。何燕等[54]通過試驗(yàn)確定鋼絞線損傷過程的聲發(fā)射特征，以聲發(fā)射特征參數(shù)作為損傷程度指標(biāo)，建立了基于聲發(fā)射技術(shù)的橋梁鋼絞線損傷演化過程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。由于大多數(shù)基于聲發(fā)射技術(shù)的檢測(cè)方法易受人為操作經(jīng)驗(yàn)、服役環(huán)境等不穩(wěn)定因素干擾，且檢測(cè)僅限于傳感器安裝位置的局部范圍內(nèi)。為滿足大跨度鋼結(jié)構(gòu)橋梁長距離檢測(cè)的需要，馬宏偉等[55]基于混沌振子檢測(cè)系統(tǒng)，闡明了超長距離檢測(cè)條件下超聲導(dǎo)波關(guān)鍵特征參數(shù)對(duì)裂紋檢測(cè)結(jié)果的影響規(guī)律。上述方法適用于宏觀裂紋檢測(cè)，對(duì)于疲勞開裂早期微小裂紋的檢測(cè)有效性仍有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

目前，疲勞裂紋的非人工檢測(cè)方法主要包括三大類：基于應(yīng)變的光纖應(yīng)變傳感器和薄膜傳感器檢測(cè)的間接損傷識(shí)別方法[56]、基于聲發(fā)射技術(shù)的裂紋直接檢測(cè)方法[57]以及基于計(jì)算機(jī)視覺的裂紋圖像智能識(shí)別非接觸式檢測(cè)方法[42,58-59]。崔闖等[60]結(jié)合智能檢測(cè)技術(shù)的最新發(fā)展和鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞問題的基本屬性，初步探索了鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋定位與識(shí)別的智能化方法：1)對(duì)超聲導(dǎo)波鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋檢測(cè)問題進(jìn)行了全過程數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，超聲導(dǎo)波在橋梁構(gòu)件裂紋缺陷定位檢測(cè)方面具有良好的適用性；2)對(duì)基于納米涂層智能傳感器的裂紋監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了理論研究與數(shù)值模擬，結(jié)果表明，納米涂層對(duì)于微小裂紋敏感度較高；3)基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的裂紋識(shí)別理論，提取了實(shí)際裂紋圖像中的形態(tài)特征，與實(shí)測(cè)值的對(duì)比結(jié)果表明，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)在應(yīng)用于疲勞裂紋測(cè)量時(shí)有較高的可靠性；4) 將深度學(xué)習(xí)引入結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的模式識(shí)別中，用于識(shí)別和挖掘時(shí)域信號(hào)、圖像信號(hào)中的損傷信息，結(jié)果表明，以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)、以模損傷模式識(shí)別為目標(biāo)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在實(shí)際工程中有廣闊的應(yīng)用前景。其在當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋智能定位與識(shí)別方法的主要研究內(nèi)容如圖6所示。

圖6 鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋智能定位與識(shí)別方法Fig.6 Intelligent fatigue crack location and identification method of steel bridge

4 鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞加固與維護(hù)

圖7 鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞開裂加固與維護(hù)方法Fig.7 Reinforcement and maintenance methods of fatigue cracking of steel bridge

5 結(jié)論與展望

總體而言，通過學(xué)者們長期艱苦卓絕的不懈努力，在鋼橋疲勞研究領(lǐng)域取得了可喜進(jìn)展。在當(dāng)前的時(shí)代背景下，站在巨人的肩膀上，緊緊抓住交通強(qiáng)國戰(zhàn)略和中國大力推廣鋼結(jié)構(gòu)橋梁的歷史機(jī)遇，引入數(shù)學(xué)、力學(xué)、理論分析、試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)、加工制造技術(shù)和人工智能等領(lǐng)域的最新成果，在基礎(chǔ)理論和重大工程應(yīng)用兩方面繼續(xù)努力，進(jìn)一步深化對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞失效機(jī)制的認(rèn)識(shí)，發(fā)展新的理論與方法，根據(jù)實(shí)際需求拓展新的研究領(lǐng)域，通過創(chuàng)新性成果為鋼結(jié)構(gòu)橋梁的可持續(xù)發(fā)展建立更為完備的保障體系，前景光明，但仍然任重道遠(yuǎn)。筆者認(rèn)為以下幾個(gè)方面的研究對(duì)于深化鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞開裂問題本質(zhì)屬性的認(rèn)識(shí)、提高結(jié)構(gòu)體系的疲勞性能具有重要的推動(dòng)作用，是下一階段的研究重點(diǎn)：

1)在高性能材料應(yīng)用方面，耐候鋼在中國的鋼結(jié)構(gòu)橋梁中逐步得到推廣應(yīng)用，在非氯離子腐蝕環(huán)境，如極寒、高海拔地區(qū)具有廣闊應(yīng)用前景。近年來，中國在耐候鋼制造技術(shù)方面取得了快速發(fā)展和進(jìn)步，但耐候鋼結(jié)構(gòu)橋梁技術(shù)還處于起步階段。亟需探究外部腐蝕環(huán)境下多物理場(chǎng)作用對(duì)于耐候鋼結(jié)構(gòu)橋梁的耦合疲勞致?lián)p機(jī)理；提高鋼材的強(qiáng)度等級(jí)并發(fā)展高強(qiáng)度耐候鋼，進(jìn)一步推進(jìn)橋梁工程的輕質(zhì)、高強(qiáng)、大跨和耐久等多個(gè)維度的協(xié)同發(fā)展；結(jié)合高性能材料基礎(chǔ)理論研究成果和實(shí)際需求，發(fā)展適用的自動(dòng)化、智能化焊接技術(shù)，推動(dòng)耐候鋼結(jié)構(gòu)橋梁產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

2)對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞失效機(jī)理等基礎(chǔ)科學(xué)問題的研究，下一階段可從如下幾個(gè)方面開展研究工作：① 引入先進(jìn)的試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)，闡明疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展過程的微觀和介觀機(jī)制，明確關(guān)鍵影響因素對(duì)于疲勞性能的效應(yīng)機(jī)理；② 進(jìn)一步發(fā)展評(píng)估方法，將當(dāng)前的宏觀尺度唯象學(xué)評(píng)估方法向介觀和微觀尺度拓展，研究并發(fā)展適用的疲勞抗力評(píng)估新理論、新指標(biāo)和新方法；③ 將研究對(duì)象和評(píng)估方法由特定的構(gòu)造細(xì)節(jié)和特定的疲勞開裂模式拓展至結(jié)構(gòu)體系，進(jìn)一步完善結(jié)構(gòu)體系的疲勞抗力評(píng)估方法；④ 揭示腐蝕等環(huán)境因素的疲勞性能效應(yīng)機(jī)制，闡明服役過程構(gòu)造細(xì)節(jié)和結(jié)構(gòu)體系的主導(dǎo)疲勞開裂模式遷移機(jī)理；⑤ 充分考慮制造和服役全過程的疲勞性能影響因素并量化其實(shí)際效應(yīng)，構(gòu)建面向疲勞性能的鋼結(jié)構(gòu)橋梁全壽命過程全息模擬和預(yù)測(cè)理論與方法。

3)在鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞損傷監(jiān)測(cè)與檢測(cè)方面，當(dāng)前仍主要以人工巡檢的方式對(duì)在役鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋進(jìn)行定期檢測(cè)，工作強(qiáng)度大、效率低且局限性問題突出，難以取得較好的檢測(cè)效果。為克服人工巡檢的弊端、保障鋼結(jié)構(gòu)橋梁的服役安全和服役質(zhì)量，亟需發(fā)展橋梁檢測(cè)新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)橋梁損傷狀態(tài)的實(shí)時(shí)智能監(jiān)測(cè)和檢測(cè)。由于鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞行為屬于典型的局部微小區(qū)域剛度退化行為，對(duì)高冗余度鋼結(jié)構(gòu)橋梁整體剛度的影響極小，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)或檢測(cè)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)于疲勞開裂早期微小裂紋的準(zhǔn)確檢測(cè)。發(fā)展針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞微裂紋的智能化監(jiān)測(cè)與檢測(cè)方法，研究并建立鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞損傷的智能監(jiān)測(cè)與檢測(cè)系統(tǒng)，是下階段的關(guān)鍵研究課題。

4)在鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞加固與維護(hù)方面，當(dāng)前關(guān)于加固方法及加固體系疲勞性能的研究仍極為欠缺：① 當(dāng)前的研究對(duì)象主要是非貫穿型疲勞裂紋，對(duì)于實(shí)橋中大量存在的貫穿型長大疲勞裂紋加固方法的研究仍較為欠缺；② 鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞開裂加固屬于含裂紋加固體系的多路徑、多模式體系疲勞問題，其疲勞破壞過程屬于協(xié)同受力性能劣化與疲勞累積損傷演化的耦合過程，只有闡明關(guān)鍵疲勞易損部位疲勞開裂與加固體系協(xié)同受力性能劣化的耦合機(jī)理，才能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)裝配式加固體系疲勞問題的深刻認(rèn)識(shí)，揭示加固方法的疲勞性能強(qiáng)化機(jī)理；③ 當(dāng)前亟需對(duì)加固體系進(jìn)行由構(gòu)造細(xì)節(jié)到結(jié)構(gòu)體系的多維度研究，確定加固體系的控制疲勞易損部位及其主導(dǎo)疲勞破壞模式，闡明疲勞損傷演化與協(xié)同受力性能劣化的耦合過程，提出基于協(xié)同受力性能劣化的剩余疲勞壽命評(píng)估方法，準(zhǔn)確評(píng)估加固體系的剩余疲勞壽命；④ 關(guān)于加固技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的研究嚴(yán)重滯后于實(shí)際需求。亟需根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)橋梁典型疲勞裂紋的擴(kuò)展特性，對(duì)已提出的多種鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞開裂加固方法進(jìn)行深入研究，確定不同加固方法的適用范圍，在此基礎(chǔ)上，研發(fā)相應(yīng)的裝配化、規(guī)格化加固結(jié)構(gòu)產(chǎn)品并發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞開裂快速加固成套體系。