呂志林, 姜旭, 強(qiáng)旭紅

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院, 上海 200092)

正交異性鋼橋面板是20世紀(jì)50年代德國(guó)開(kāi)發(fā)的一種橋面結(jié)構(gòu),主要包括鋼頂板、縱向加勁肋與橫隔板三大部分。其因具有輕質(zhì)高強(qiáng)、承載能力高等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于中外纜索承重橋梁、大跨度鋼箱梁等多種類型的橋梁結(jié)構(gòu)中[1-3]。然而隨著橋梁服役年限的增加,加上設(shè)計(jì)先天不足、構(gòu)造細(xì)節(jié)復(fù)雜以及重載和超載車(chē)輛增加等不利因素,鋼橋面板疲勞開(kāi)裂案例大量涌現(xiàn)[4-6]。既有疲勞裂紋的不斷開(kāi)展將直接導(dǎo)致鋼橋面板的壽命和耐久性降低,最終影響橋梁運(yùn)營(yíng)的安全性和可靠性。

相較于重建橋梁或更換構(gòu)件,采用各種加固方法修復(fù)疲勞裂紋能夠節(jié)約時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本,同時(shí)減少對(duì)環(huán)境資源的破壞。當(dāng)前鋼橋面板疲勞裂紋主要維修加固方法可分為直接修復(fù)和間接修復(fù)兩大類。直接修復(fù)主要是在局部開(kāi)裂部位采用如鉆孔止裂法、加補(bǔ)強(qiáng)板法、熱修復(fù)法、機(jī)械修復(fù)法等措施,核心思路是通過(guò)去除或降低裂紋尖端的應(yīng)力集中,增加裂紋附近的局部剛度和強(qiáng)度來(lái)延長(zhǎng)鋼橋面板的使用壽命[7-8]。間接修復(fù)主要為高性能及超高性能混凝土鋪裝體系改進(jìn)法,通過(guò)提高鋼橋面板整體剛度大幅降低易損細(xì)節(jié)的疲勞應(yīng)力幅,從而實(shí)現(xiàn)橋面板疲勞性能的提升[9-10]。然而,面對(duì)紛繁復(fù)雜的疲勞裂紋缺陷,各種修復(fù)方法具有其獨(dú)特的適用性,并且對(duì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件服役性能的影響程度也不盡相同。為此,現(xiàn)首先對(duì)正交異性鋼橋面板疲勞開(kāi)裂問(wèn)題進(jìn)行總結(jié),然后回顧和評(píng)價(jià)中外常用的鋼橋面板疲勞修復(fù)方法,并在此基礎(chǔ)上介紹新型智能材料形狀記憶合金修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)技術(shù),對(duì)形狀記憶合金修復(fù)技術(shù)在鋼橋面板疲勞修復(fù)和性能提升領(lǐng)域的應(yīng)用提出展望,以加深對(duì)鋼橋面板疲勞裂紋修復(fù)機(jī)理的認(rèn)識(shí)和探究更為高效延壽的修復(fù)方法。

1 正交異性鋼橋面板疲勞開(kāi)裂特征

鋼橋面板疲勞裂紋主要呈現(xiàn)鋼板母材裂紋和交叉焊縫裂紋兩種形式。根據(jù)對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)鋼箱梁疲勞裂紋分布的調(diào)查[4,11],盡管正交異性鋼橋面板在構(gòu)造形式上存在部分差異,經(jīng)過(guò)對(duì)比后總結(jié)出3種典型的疲勞裂紋,主要包括:①縱肋與頂板焊接處疲勞裂紋;②縱肋與橫隔板焊接處疲勞裂紋;③橫隔板弧形切口母材處疲勞裂紋。這3種類型約占總疲勞裂紋的60%以上,如圖1所示。

圖1 正交異性鋼橋面板典型疲勞裂紋Fig.1 Typical fatigue cracks in OSDs

圖2 不同軸型車(chē)輛沿車(chē)道分布[12]Fig.2 Distribution of vehicle lanes on each axle[12]

圖3 頂板-U肋裂紋橫橋向分布[12]Fig.3 Transverse distribution of rib-to-deck cracks[12]

總體說(shuō)來(lái),決定鋼橋面板疲勞開(kāi)裂的因素包括內(nèi)因和外因兩類,其中內(nèi)因主要是構(gòu)造細(xì)節(jié)存在應(yīng)力集中和焊接缺陷,外因是車(chē)輛往復(fù)荷載,特別是重載及超載車(chē)輛占比較大。以某大橋近一年運(yùn)營(yíng)交通流數(shù)據(jù)和疲勞損傷情況為例進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)研究[12],大橋總體呈現(xiàn)交通量大、貨車(chē)載重高及超載現(xiàn)象普遍的特征。圖2記錄了車(chē)重大于30 kN下不同軸型車(chē)流量沿車(chē)道分布。重車(chē)道和中間車(chē)道的車(chē)流量對(duì)疲勞損傷貢獻(xiàn)較大,其中六軸車(chē)占比最大。因而頂板-U肋裂紋沿橫橋向主要集中分布在重車(chē)道與中間車(chē)道的輪跡正下方,其中62.5%裂紋集中在重車(chē)道范圍內(nèi)(圖3)。另外,該裂紋在縱橋向主要集中分布在剛度變化過(guò)渡區(qū)(即頂板厚度變化處)。與航空、機(jī)械和船舶等工程領(lǐng)域相比,鋼橋面板存在焊縫數(shù)量眾多、構(gòu)造細(xì)節(jié)復(fù)雜以及外部運(yùn)營(yíng)環(huán)境惡劣的特點(diǎn),且裂紋所處位置可操作空間較小,這使得疲勞裂紋處治工作具有一定的難度。因此,鋼橋面板疲勞裂紋的修復(fù)必須充分考慮疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的時(shí)空特性,針對(duì)不同部位裂紋開(kāi)展針對(duì)性修復(fù)工作。

2 中外鋼橋面板疲勞裂紋修復(fù)方法概述

2.1 鉆孔止裂法

鉆孔止裂法是在裂紋尖端處鉆一個(gè)合適的圓孔,進(jìn)而降低尖端應(yīng)力集中程度從而延緩或遏止裂紋的擴(kuò)展,達(dá)到延長(zhǎng)疲勞壽命的目的[13-14]。該修復(fù)方法操作簡(jiǎn)便,廣泛適用于裂紋長(zhǎng)度小于80 mm的平板母材貫穿裂紋。然而鉆孔止裂法并不總是發(fā)揮有效作用,實(shí)橋橫隔板弧形開(kāi)口發(fā)現(xiàn)了二次開(kāi)裂的現(xiàn)象[15],如圖4所示。究其原因在于止裂孔徑不合理、裂紋尖端無(wú)法準(zhǔn)確定位以及維修時(shí)機(jī)選擇不當(dāng)。除此之外,由于該方法存在降低結(jié)構(gòu)剛度、削弱構(gòu)件承載力等負(fù)面影響,現(xiàn)如今主要作為臨時(shí)性止裂措施,并在虎門(mén)大橋、江陰長(zhǎng)江大橋、蘇通大橋等多座橋梁現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。Yao等[16]通過(guò)數(shù)值分析和試驗(yàn)研究了止裂孔法對(duì)橫隔板-U肋焊縫延伸裂紋的止裂效果,建議止裂孔直徑為24 mm,并且止裂孔邊緣應(yīng)與裂紋延伸線相交。另外,許多學(xué)者通過(guò)優(yōu)化、補(bǔ)強(qiáng)單一止裂孔的方式來(lái)提高止裂效果。如對(duì)止裂孔置入施加預(yù)緊力的高強(qiáng)螺栓[17]、粘貼較高彈性模量的碳纖維布[18]來(lái)降低孔邊應(yīng)力集中從而提高止裂作用。文獻(xiàn)[19]的結(jié)果表明橫隔板足尺模型的弧形開(kāi)口處裂紋經(jīng)高強(qiáng)螺栓止裂加固后疲勞壽命達(dá)到200萬(wàn)次以上,具有優(yōu)異的抗疲勞性能。因此將止裂孔法與其他維護(hù)方法綜合使用,可適用于裂紋長(zhǎng)度較長(zhǎng)的疲勞裂紋。

圖4 橫隔板弧形切口二次開(kāi)裂[15]Fig.4 Secondary cracking of diaphragm cutouts[15]

2.2 加補(bǔ)強(qiáng)板法

加補(bǔ)強(qiáng)板法通常是采用焊接、栓接或粘接的方式將補(bǔ)強(qiáng)材料覆蓋在疲勞裂紋區(qū)域,其本質(zhì)是補(bǔ)強(qiáng)板覆蓋在裂紋上方協(xié)助開(kāi)裂的板件受力,通過(guò)減小局部應(yīng)力并限制裂紋表面在疲勞荷載下的變形從而改善疲勞性能。該方法適用于尺寸相對(duì)較大、擴(kuò)展能力較強(qiáng)的裂紋。

當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)材料采用鋼板或型鋼時(shí),按照連接方式可分為3種修復(fù)方式,修復(fù)特點(diǎn)如表1所示。焊接連接由于容易引入焊接殘余應(yīng)力,焊接質(zhì)量不易控制而較少被采用。螺栓連接因其施工便利而成為另一種行之有效的選擇。為了修復(fù)橫隔板-U肋交叉處裂紋,研究者通過(guò)在U肋腹板或底板與橫隔板栓接角鋼來(lái)限制兩者之間的相對(duì)變形[20],從而遏制裂紋擴(kuò)展。但由于補(bǔ)強(qiáng)鋼板尚未直接覆蓋裂紋表面,因而對(duì)穿透型長(zhǎng)裂紋修復(fù)效果有限[21]。目前多座實(shí)橋現(xiàn)場(chǎng)均采用螺栓加強(qiáng)板覆蓋橫隔板弧形切口裂紋進(jìn)行修復(fù),現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)表明弧形切口的應(yīng)力水平明顯降低[22-23]。粘貼鋼板技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,但在鋼箱梁裂紋處治中鮮有嘗試。Wang等[24]利用粘接角鋼修復(fù)某實(shí)橋U肋橫隔板圍焊裂紋,驗(yàn)證了粘鋼冷維護(hù)技術(shù)的工程可實(shí)施性。De Freitas等[25]在12 mm厚頂板上方粘貼厚度為6 mm的鋼板,頂板-縱肋焊縫附近的應(yīng)力降低了55%～70%。當(dāng)然加補(bǔ)強(qiáng)鋼板法也存在一定的局限性,如增加原結(jié)構(gòu)自重、使用螺栓制孔引入新的應(yīng)力集中以及重型鋼板不易運(yùn)輸安裝等。

表1 加補(bǔ)強(qiáng)鋼板法

圖5 CFRP板加固橫隔板弧形切口裂紋[32]Fig.5 Cracks of diaphragm cutouts repaired by CFRP plates[32]

相對(duì)于粘貼鋼板,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(fiber reinforced polymer,FRP)因質(zhì)輕高強(qiáng)、耐腐蝕和抗疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于工程加固領(lǐng)域,在金屬表面外貼FRP材料可有效改善鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能[26-29]。目前常用碳纖維(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)板或布對(duì)含裂紋平鋼板、帶缺陷鋼梁進(jìn)行粘貼修復(fù),通過(guò)限制裂紋張開(kāi)位移和減小裂紋尖端強(qiáng)度因子來(lái)延長(zhǎng)疲勞壽命,并且采用高彈性模量CFRP[29]或預(yù)應(yīng)力CFRP[30]擁有更好的補(bǔ)強(qiáng)效果。當(dāng)鋼橋面板疲勞裂紋所處位置較為平整,可采用粘貼CFRP板法[31]。Ke等[32]利用3 mm厚CFRP補(bǔ)強(qiáng)板修復(fù)橫隔板弧形切口裂紋,研究結(jié)果表明:粘貼CFRP板可有效抑制裂紋擴(kuò)展,加固試件的疲勞壽命為未加固的14.5倍以上,并應(yīng)用于實(shí)橋鋼箱梁裂紋處治(圖5)。Jiang等[33]采用碳纖維板修復(fù)橫隔板處延伸至U肋的疲勞裂紋,試驗(yàn)結(jié)果表明該處疲勞應(yīng)力幅下降30%,且平均裂紋擴(kuò)展速率降低了97%。鄧楊等[34]在試件頂板表面粘貼4 mm厚CFRP板,通過(guò)增加局部剛度降低細(xì)節(jié)應(yīng)力水平,從而使頂板的疲勞壽命提高了87%。不同于碳纖維板,碳纖維布由于可彎曲纏繞粘貼于曲面、焊接接頭等復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式,因而更適用于修復(fù)頂板-U肋焊縫細(xì)節(jié)[35-36]。另外,文獻(xiàn)[37-38]提出一種在頂板-U肋細(xì)節(jié)外貼GFRP角撐的修復(fù)方法,并在實(shí)橋裂紋修復(fù)進(jìn)行了有效嘗試。通常粘貼FRP失效模式表現(xiàn)為FRP與鋼板局部脫膠破壞,一定程度上可起到預(yù)警作用。但裂紋修復(fù)效果依賴于粘貼質(zhì)量,對(duì)結(jié)構(gòu)膠性能和粘貼工藝要求較高。

2.3 熱修復(fù)法

當(dāng)前熱修復(fù)法主要包括焊補(bǔ)法和鎢極氬弧(tungsten inert gas,TIG)重熔法,其修復(fù)原理及特點(diǎn)如表2所示。焊補(bǔ)法一般用于裂紋僅沿焊縫開(kāi)展,尤其適用于數(shù)量較少、長(zhǎng)度較短和深度較淺的裂紋。當(dāng)裂紋為頂板貫穿裂紋時(shí),則可對(duì)開(kāi)裂部位碳弧氣刨開(kāi)坡口后進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù)。焊補(bǔ)法雖然可以消除裂紋尖端應(yīng)力集中,但會(huì)降低原結(jié)構(gòu)補(bǔ)焊位置金屬和熱影響區(qū)材料韌性,必須采用合理的焊接工藝和質(zhì)量控制措施,必要時(shí)可和其他方法(如拋光、熱處理、粘貼CFRP等)結(jié)合使用[39]。而TIG重熔法是一種提高焊接接頭疲勞性能的方法,修復(fù)效果取決于重熔區(qū)的熔透率,適用于裂紋深度小于5 mm的焊縫焊趾處裂紋[41]。然而,焊補(bǔ)法和重熔法均為現(xiàn)場(chǎng)施焊,其焊接質(zhì)量及焊接后的焊縫處理不及工廠操作,最終留存的復(fù)雜殘余應(yīng)力對(duì)疲勞不利,修復(fù)效果較難評(píng)估。

2.4 機(jī)械修復(fù)法

超聲沖擊法和氣動(dòng)沖擊法是在錘擊法和噴丸的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的典型機(jī)械修復(fù)法,其核心本質(zhì)均是利用高速?zèng)_擊對(duì)金屬母材或焊縫進(jìn)行塑性沖擊,引入較大的殘余壓應(yīng)力,起到延緩裂紋擴(kuò)展和提高疲勞壽命的作用[42-43]。超聲沖擊法以大功率超聲波為驅(qū)動(dòng)力,是一種用于強(qiáng)化焊接接頭表面的處理方法;而氣動(dòng)沖擊法則是以壓縮空氣驅(qū)動(dòng)沖擊頭高速?zèng)_擊裂紋兩側(cè)的母材,使裂紋開(kāi)口表面閉合,由此改善開(kāi)裂部位的疲勞性能,修復(fù)示意如圖6所示。文獻(xiàn)[44-45]圍繞氣動(dòng)沖擊法修復(fù)鋼橋面板疲勞細(xì)節(jié)展開(kāi)大量的研究,驗(yàn)證了該方法對(duì)頂板-縱肋細(xì)節(jié)和橫隔板-縱肋細(xì)節(jié)疲勞裂紋的修復(fù)效果,相關(guān)技術(shù)成果已納入江蘇省的地方標(biāo)準(zhǔn)[46]。綜合來(lái)看,相比長(zhǎng)度較長(zhǎng)的貫穿型裂紋,氣動(dòng)沖擊法更適用于鋼箱梁內(nèi)數(shù)量較多的短淺表面細(xì)裂紋,特別是橫隔板與縱肋圍焊處長(zhǎng)度小于50 mm的短裂紋。

表2 熱修復(fù)法

圖6 氣動(dòng)沖擊法修復(fù)步驟Fig.6 Steps of pneumatic impact repairing

2.5 組合橋面鋪裝改進(jìn)法

組合橋面鋪裝改進(jìn)法的修復(fù)機(jī)理在于采用加筋水泥基材料或者高性能混凝土作為鋼橋面鋪裝層進(jìn)行修復(fù),替代原有剛度較小的瀝青混凝土鋪裝,通過(guò)剪力釘或結(jié)構(gòu)膠與下層既有鋼橋面板形成組合橋面板共同受力,以降低焊縫處疲勞應(yīng)力幅[47-48]。Shao等[47]提出鋼-UHPC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)對(duì)海河大橋進(jìn)行間接修復(fù),如圖7所示。Wang等[9]在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化,提出新型鋼板條-UHPC組合橋面板結(jié)構(gòu)并用于重度疲勞開(kāi)裂的武漢軍山長(zhǎng)江大橋,結(jié)果表明經(jīng)鋼板條與超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)組合作用后,UHPC底面的抗裂強(qiáng)度顯著提高?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明[49]鋼橋面板疲勞易損細(xì)節(jié)的應(yīng)力幅降幅明顯,疲勞壽命有望延長(zhǎng)。另外,天津海河大橋橋面板經(jīng)過(guò)UHPC整體加固后在實(shí)際運(yùn)行條件下沒(méi)有發(fā)現(xiàn)新的裂紋和裂紋擴(kuò)展[50],表明該技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢(shì)。組合橋面鋪裝改進(jìn)法適用于重度疲勞開(kāi)裂的鋼橋面板,然而該方法需要對(duì)現(xiàn)有鋪裝進(jìn)行破除,施工復(fù)雜且成本較高,另需長(zhǎng)時(shí)間封閉交通,一定程度上限制了該方法的選用。

圖7 鋼-UHPC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)[47]Fig.7 Configurational drawing of steel-UHPC lightweight composite deck[47]

3 形狀記憶合金修復(fù)法的提出

3.1 形狀記憶合金修復(fù)機(jī)理

在FRP加固領(lǐng)域中,相對(duì)于直接粘貼CFRP材料,采用預(yù)應(yīng)力CFRP主動(dòng)加固鋼構(gòu)件具有明顯的優(yōu)勢(shì)。它能夠降低鋼材的最大拉應(yīng)力和裂紋尖端的應(yīng)力水平,從而有效提升加固構(gòu)件的疲勞性能[51]。然而在實(shí)際操作中,采用機(jī)械張拉CFRP需要相應(yīng)的設(shè)備及必要的操作空間,難以應(yīng)用于狹小空間和局部的疲勞敏感部位,這顯然限制了預(yù)應(yīng)力CFRP的應(yīng)用和發(fā)展。為此,研究者開(kāi)始考慮在CFRP引入形狀記憶合金(shape memory alloys,SMAs)來(lái)提供預(yù)應(yīng)力。形狀記憶合金是一種新型智能材料,對(duì)低溫冷拉產(chǎn)生塑性變形后的SMA材料加熱至特定溫度,由于內(nèi)部相變發(fā)生轉(zhuǎn)化(馬氏體→奧氏體),因而能夠恢復(fù)為初始形狀。通過(guò)有效約束其形狀恢復(fù),SMA產(chǎn)生回復(fù)力即對(duì)損傷構(gòu)件進(jìn)行自修復(fù)[52-54]。形狀記憶合金材料主要包括鎳鈦形狀記憶合金(NiTi-SMA)和鐵基形狀記憶合金(Fe-SMA)。其中NiTi-SMA主要為絲材,Fe-SMA為板材。筆者所在團(tuán)隊(duì)曾對(duì)NiTi-SMA和Fe-SMA兩種不同材料進(jìn)行回復(fù)力學(xué)性能試驗(yàn)[54],結(jié)果如圖8所示。兩者材料的恢復(fù)力溫度曲線不同,在加熱至170 ℃后冷卻至室溫發(fā)現(xiàn)NiTi-SMA的恢復(fù)應(yīng)力較Fe-SMA的大。

圖8 形狀記憶合金恢復(fù)力恢復(fù)應(yīng)力-溫度變化曲線[54]Fig.8 Recovery stress versus temperaturecurves with heating temperature of 170 ℃[54]

由于NiTi-SMA絲由于自身剛度小,對(duì)截面剛度特性貢獻(xiàn)有限。為彌補(bǔ)這一不足,文獻(xiàn)[52,55]開(kāi)發(fā)了一種用于修復(fù)疲勞損傷鋼構(gòu)件的SMA-CFRP補(bǔ)片。該貼片系統(tǒng)由SMA絲和CFRP覆蓋層組成,如圖9所示。對(duì)張拉后的SMA絲保持兩端約束,先加熱至165 ℃后冷卻至室溫。結(jié)果表明,對(duì)預(yù)應(yīng)變?yōu)?.11的NiTi-SMA絲加熱至記憶形變完全釋放后冷卻至室溫,能夠得到約390 MPa的穩(wěn)定預(yù)應(yīng)力,且40 ℃內(nèi)的冷熱循環(huán)對(duì)預(yù)應(yīng)力幾乎無(wú)影響。在應(yīng)力幅155 MPa作用下,SMA-CFRP補(bǔ)強(qiáng)單邊缺口鋼板的疲勞壽命分別是未加固試件和僅用CFRP布增強(qiáng)試件的26.4倍和8倍。當(dāng)采用高彈性模量的CFRP與SMA絲進(jìn)行組合且對(duì)粘貼表面進(jìn)行噴砂處理,疲勞修復(fù)效果能進(jìn)一步提升[56-57]?？傮w來(lái)說(shuō),采用SMA和CFRP組合加固的機(jī)理為兩個(gè)途徑:①SMA施加預(yù)應(yīng)力使鋼結(jié)構(gòu)局部平均應(yīng)力整體下移(圖10),以期抵消鋼結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)下局部鋼板內(nèi)的部分拉應(yīng)力;②粘貼CFRP增加鋼結(jié)構(gòu)局部剛度,使一部分荷載通過(guò)黏結(jié)層傳遞到CFRP上,通過(guò)協(xié)同受力降低鋼結(jié)構(gòu)損傷部位的應(yīng)力幅值。顯然,如能對(duì)CFRP粘貼區(qū)域高效施加預(yù)應(yīng)力,將大大提高其對(duì)鋼橋面板疲勞裂紋的修復(fù)效率。

圖9 SMA-CFRP組合貼片修復(fù)示意Fig.9 Schematic drawing of SMA-CFRP patch

然而采用SMA-CFRP對(duì)結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)施工步驟較為復(fù)雜,且常用的NiTi-SMA絲成本較高,一定程度上限制了該方法的應(yīng)用。鐵基形狀記憶合金(Fe-SMA)因價(jià)格低廉、恢復(fù)力和彈性模量較高而被學(xué)者引進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)裂紋修復(fù)領(lǐng)域[58]。由于片狀材料的截面剛度較大,因此Fe-SMA可以兼顧施加預(yù)應(yīng)力和提高截面剛度的作用。Izadi等[59]設(shè)計(jì)了不同寬度Fe-SMA栓接加固含裂紋鋼板的試件。試驗(yàn)結(jié)果表明激活溫度為260 ℃時(shí)Fe-SMA中的預(yù)應(yīng)力水平范圍能達(dá)330～410 MPa,并且在損傷鋼板中產(chǎn)生35～72 MPa的壓應(yīng)力,從而減少了鋼板受拉應(yīng)力和裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子。為了避免栓接打孔帶來(lái)的不利影響,Wang等[60]研究了粘接Fe-SMA板補(bǔ)強(qiáng)裂紋鋼板的新方法,試驗(yàn)結(jié)果表明粘貼Fe-SMA板比粘貼CFRP板擁有更佳的補(bǔ)強(qiáng)效果,疲勞裂紋擴(kuò)展壽命得以延長(zhǎng)3.51倍。

圖10 修復(fù)機(jī)理Fig.10 Repairing mechanism

3.2 SMA修復(fù)法在鋼橋面板中的應(yīng)用展望

對(duì)于局部疲勞開(kāi)裂的正交異性鋼橋面板,預(yù)應(yīng)力的有效施加受限于實(shí)際狹小的可操作空間,因而采用自應(yīng)力的形狀記憶合金(SMA)修復(fù)法具有前瞻性。雖然目前在正交異性鋼橋面板中尚未有實(shí)際應(yīng)用,但通過(guò)這一系列基礎(chǔ)性能研究可以看出采用SMA進(jìn)行疲勞加固具有較好的應(yīng)用前景。利用形狀記憶合金可以在裂紋表面提供預(yù)應(yīng)力,通過(guò)改變裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)分布來(lái)減小甚至遏制裂紋擴(kuò)展,達(dá)到修復(fù)裂紋的目的。分別針對(duì)鋼橋面板橫隔板弧形切口部位和U肋對(duì)接焊縫兩種典型疲勞裂紋提出修復(fù)設(shè)想,主要是在開(kāi)裂部位粘貼SMA-CFRP補(bǔ)片或Fe-SMA補(bǔ)強(qiáng)板實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋的無(wú)損加固,修復(fù)示意如圖11和圖12所示。另外,張清華等[61]提出通過(guò)栓接鐵基形狀記憶合金板并采用通電熱激勵(lì)方式使其產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力,旨在實(shí)現(xiàn)縱肋對(duì)接焊縫疲勞開(kāi)裂的主動(dòng)加固,但目前該方法尚處在理論研究和有限元分析階段,止裂效果需進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

雖然SMA修復(fù)法在鋼橋面板疲勞修復(fù)領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力,但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,還需對(duì)一些方面進(jìn)行深入研究:①SMA的基礎(chǔ)力學(xué)行為尚處于起步階段,如何構(gòu)建完善的本構(gòu)關(guān)系還需大量基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐;②粘接界面是鋼-SMA粘接加固體系的薄弱環(huán)節(jié),因此有必要研究界面粘結(jié)機(jī)理、破壞準(zhǔn)則以及環(huán)境影響來(lái)確保鋼材與SMA之間的長(zhǎng)期可靠粘結(jié);③SMA的恢復(fù)應(yīng)力需通過(guò)加熱激勵(lì)獲得,因此加熱溫度對(duì)膠層力學(xué)性能的影響機(jī)理有待深入研究,且規(guī)范有效的加熱技術(shù)需進(jìn)行完善。

圖11 SMA修復(fù)橫隔板弧形切口裂紋示意Fig.11 Schematic drawing of SMA repairing cutout cracks in diaphragms

圖12 SMA修復(fù)U肋對(duì)接焊縫裂紋示意Fig.12 Schematic drawing of SMA repairing U-rib butt weld cracks

4 結(jié)論

正交異性鋼橋面板疲勞開(kāi)裂修復(fù)已經(jīng)成為鋼橋面板疲勞開(kāi)裂問(wèn)題的主要研究方向之一。首先從正交異性鋼橋面板的疲勞開(kāi)裂特征出發(fā),重點(diǎn)闡述了中外傳統(tǒng)鋼橋面板疲勞裂紋修復(fù)技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用與研究,最后展望了智能材料形狀記憶合金在未來(lái)鋼橋面板疲勞裂紋修復(fù)中的可行性,得出如下結(jié)論。

(1)鋼橋面板疲勞裂紋修復(fù)方法可分為直接修復(fù)和間接修復(fù),若需對(duì)實(shí)橋疲勞裂紋實(shí)現(xiàn)無(wú)損或微損修復(fù),可根據(jù)不同疲勞開(kāi)裂部位綜合選用止裂孔法、粘貼補(bǔ)強(qiáng)板法和氣動(dòng)沖擊法。當(dāng)裂紋延伸至母材時(shí),可綜合選用止裂孔法+粘貼補(bǔ)強(qiáng)板法;對(duì)于焊縫處數(shù)量較多的短裂紋,可選擇氣動(dòng)沖擊法。

(2)與傳統(tǒng)修復(fù)方法相比,在鋼橋面板中粘貼CFRP具有對(duì)原結(jié)構(gòu)零損傷、不引入殘余應(yīng)力等優(yōu)勢(shì),而在CFRP中引入形狀記憶合金實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力主動(dòng)修復(fù)可以提高裂紋修復(fù)效率。因而兩種新型材料的應(yīng)用可為鋼橋面板疲勞裂紋修復(fù)提供了新的思路,具有一定的前景和應(yīng)用價(jià)值。由于采用外貼加固材料,未來(lái)有必要在構(gòu)造上和耐久性問(wèn)題上進(jìn)行深入研究。