我国钢桥面板疲劳裂纹的思考

焊接钢桥结构细节疲劳裂纹成因及解决对策

ｌ８　铁道建筑　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　

文章编号：１００３—１９９５（２０１　１）０４—００１８—０４　

焊接钢桥结构细节疲劳裂纹成因及解决对策　

郭春华　，任伟平　

（１．绍兴市曹娥江袍江大桥建设工程指挥部，浙江绍兴３１１８００；２．西南交通大学，成都６１００３１）　

摘要：各种连接细节处不断出现的疲劳开裂是桥梁钢结构所面临的主要问题之一。在对焊接钢桥疲劳　

破坏特点及主要影响因素进行分析总结的基础上，结合我国钢桥所面临的疲劳问题现状，对十类典型结　

构细节的疲劳破坏机理及特征进行了研究，总结出较大初始缺陷和小间隙处面外变形是导致实桥焊接　

细节发生疲劳破坏的两类最主要因素。最后，提出了防范焊接钢桥疲劳破坏的对策。　

关键词：桥梁工程　疲劳破坏　分析研究　典型细节　破坏机理　

中图分类号：Ｕ４４１　．４文献标识码：Ｂ　

随着运营车辆总重和交通量的不断增加，桥梁钢　

结构所面临的疲劳问题正变得日趋严重。特别是２０　

世纪６０年代以来，许多钢桥出现了各种形式的疲劳裂　

纹，因疲劳断裂而酿成的灾难性事故也时有发生。根　

据美国土木工程学会疲劳与断裂分委会的调查结果，　

８０％～９０％的钢结构破坏均和疲劳有关，疲劳已成为　

桥梁钢结构失效的主要形式之一。对我国来说，近些　

年来各类形式钢桥数量正不断增加，一方面需要确保　

大量新建钢桥构件的疲劳设计强度满足要求，另一方　

面急需对大量正在运营的既有钢桥的剩余疲劳寿命做　

出正确判断，并对存在疲劳问题的构件采取及时有效　

的方案进行修复。为更好解决这些问题，就需要对焊　

接钢桥结构细节疲劳裂纹的产生机理及解决对策进行　

研究。　

１　焊接钢桥易疲劳破坏的典型细节　

１．１　工形钢梁盖板端部连接　

对局部焊有外层盖板的工形钢梁而言，无论盖板　

端部有无横向焊缝，还是改变盖板端部的几何形状，盖　

板端部细节处的疲劳强度均很低　。大量实例和试　

验研究表明，在车辆荷载作用下该细节极易产生疲劳　

开裂破坏，且疲劳裂纹一般均萌生在盖板末端与翼缘　

钢箱梁横隔板疲劳开裂原因及补强细节研究

钢箱梁是一种常见的结构形式，广泛应用于桥梁、建筑等领域。然而，由于长期受到交通荷载的作用，钢箱梁横隔板容易出现疲劳开裂现象，严重影响结构的安全性和使用寿命。本文将从疲劳开裂原因和补强细节两个方面进行研究。

首先，钢箱梁横隔板疲劳开裂的原因有多个方面。首先是交通荷载的作用。车辆通过桥梁时会带来动荷载，导致钢箱梁受到周期性的应力循环。若结构设计不合理或荷载超过设计标准，会导致应力集中，从而引发横隔板疲劳开裂。此外，气候环境因素也对钢箱梁的疲劳开裂起到一定的影响。例如，气温变化引起的热胀冷缩效应会使钢材产生变形，从而加大了接缝和焊缝处的应力，容易形成开裂点。

钢箱梁横隔板疲劳开裂的补强细节研究是保证结构安全性和延长使用寿命的重要手段。首先，应加强对横隔板焊缝的检测和控制。焊缝是横隔板开裂的重要位置，通过采用高强度焊材和控制焊接过程参数，可以提高焊缝的抗裂能力。其次，加强钢箱梁的连接部位的设计和施工工艺。连接部位是横隔板开裂的薄弱环节，可采用增加钢板厚度、增加焊缝长度等措施来提高连接部位的抗裂能力。此外，还可以通过设置加劲肋、增加钢板刚度等措施来提高钢箱梁整体结构的抗弯能力，减小横隔板的应力集中。此外，在设计施工中还要注重钢箱梁的防腐措施，如涂层、防腐液等，以延长其使用寿命。

综上所述，钢箱梁横隔板疲劳开裂是一种常见问题，其原因主要包括交通荷载和气候环境因素的作用。为了提高结构的安全性和使用寿命，需要对横隔板焊缝、连接部位等进行精细化设计和施工，增加抗裂能力。此外，还需注重防腐措施的落实，延长钢箱梁的使用寿命。

公路正交异性钢桥面板疲劳性能及控制措施

正交异性钢桥面板具有自重轻、承载力大、施工速度快等优点,广泛应用于大跨度桥梁,但其构造复杂,焊缝众多,疲劳开裂问题十分严重。减少焊缝是改善正交异性钢桥面板疲劳性能的重要途径之一,大纵肋正交异性钢桥面板正是符合这种设计理念的一种结构形式。

本文采用有限元方法对大纵肋正交异性钢桥面板的疲劳性能进行了研究,讨论了构造参数对疲劳性能的影响,对比了与普通纵肋正交异性钢桥面板的疲劳性能,最后对疲劳开裂控制措施进行了总结和思考,并验证了正交异性板-UHPC组合桥面板加固方法控制疲劳裂纹的显著作用。具体工作如下:(1)阐述了正交异性钢桥面板的发展历程,疲劳理论及成果,提出本文的研究内容和方法。

(2)建立普通纵肋和大纵肋正交异性钢桥面板两种有限元模型,采用四种规范,计算了三种常见疲劳细节的等效应力幅,研究两种纵肋疲劳性能的差异,并比较评判按照各国规范计算等效应力幅的区别。(3)分别改变普通纵肋和大纵肋正交异性钢桥面的顶板、U肋和横肋板的厚度,研究了构造参数变化对两种纵肋疲劳性能影响的差异。

(4)针对给定尺寸的普通纵肋和大纵肋正交异性钢桥面板,建立了铺装层实体的有限元模型,同时改变铺装层弹性模型,考查了桥面铺装对两种纵肋疲劳性能改变的差异。(5)介绍正交异性钢桥面板疲劳裂纹修复加固的措施和方法,验证了正交异性板-UHPC组合桥面板加固方法控制疲劳裂纹的显著作用,并指出研究面临的问题,为后来研究者提供参考。

钢桥梁制造有关问题之八

再论正交异性钢桥面板疲劳控制技术----

正交异性钢桥面板疲劳细节优化方案探讨

张剑峰李军平车平

前言

正交异性钢桥面板广泛应用于大跨度桥梁中，该类结构在运营过程中出现了大量疲劳裂纹，引起了大家的广泛关注。近二十年来，国内的多家机构对正交异性钢桥面板的疲劳问题进行了大量研究，力求解决这一难题，并取得了一定的成果。目前,针对该结构细节提出了多项创新优化方案，其中部分方案已应用于新建项目。本文就各优化方案再次进行探讨。

1、正交异性钢桥面板疲劳裂纹成因

正交异性钢桥面板的疲劳是一个系统问题，外因是反复作用的汽车荷载，内因就是构造细节(包括制造因素的影响)，外因和内因的共同作用从而萌生裂纹。针对正交异性钢桥面板的疲劳裂纹，国内外多个机构进行了大量的试验研究，研究结果表明，此结构的疲劳裂纹可分为由荷载引起的开裂和面外变形引起的开裂，前者也称为主应力引起的开裂，后者也称为次应力引起的开裂。[1]

1.1 主应力引起的疲劳裂纹

正交异性钢桥面板由主应力引起疲劳裂纹的部位不多，主要是U肋嵌补段对接焊部位，因现场仰焊难以保证焊缝质量,且背面贴钢衬垫的结构细节导致其疲劳等级较低，在车辆荷载作用下，该对接焊缝很容易萌生疲劳裂纹。根据研究成果，目前已将该部位的连接方式由焊接改成高强度螺栓连接，实桥应用情况良好，其疲劳问题已基本得到解决，在此不予讨论。

1.2 面外变形引起的疲劳裂纹

正交异性钢桥面板疲劳裂纹主要集中在U肋与横隔板交叉部位下端(即横隔板弧形缺口)，以及U肋与面板的焊缝部位。统计数据表明，以上两类疲劳开裂分别约占疲劳裂纹总数的38.2%和18.9%[2]。究其根源，此两类裂纹均属于面外变形引起的疲劳开裂。

1.2.1 U肋与面板焊缝的裂纹

正交异性钢桥面板直接承受轮载反复作用，面板产生如图1所示的结构变形，纵肋与面板连接处承受相互平衡的三个弯矩的共同作用，焊缝两侧力矩交替变化，于是，在焊根和焊趾处产生弯曲次应力，疲劳裂纹便从焊趾和焊根处萌生扩展。在轮载的反复作用下，焊根处的钢板反复进行面外变形，即不停地开合，由于焊根处为一个天然缺口，应力集中较为明显，从而，大幅降低了疲劳强度。其中，焊趾处可通过控制焊接参数、消除咬边等危害性缺陷来解决。在内焊设备未开发出来之前，焊缝内部无法焊接，焊根处通常要求增加焊缝厚度以减小其应力峰值，故相关规范均要求焊缝的熔透率不低于75%，且焊缝的有效厚度大于U肋板厚。试验研究表明，只要达到此要求，疲劳性能基本能满足要求，但在生产中往往很难做到100%达到。

铁路钢桥常见病害及其维修加固构想

铁路钢桥是铁路建设中非常重要的一部分，是铁路运输安全的重要基础设施，具有承载能力强、使用寿命长、施工周期短等优点。随着铁路建设的快速发展，钢桥的安全问题也越来越受到关注。本文对铁路钢桥常见病害及其维修加固构想进行分析。

（一）疲劳

由于运输列车的重量、速度和频次的不断增加，桥面受力状况恶化，容易形成疲劳裂缝。其中水平裂缝和竖向裂缝是疲劳裂缝的两种常见形式。水平裂缝主要发生在冷弯拐角附近，竖向裂缝则沿着缝隙走向纵向分布。

（二）腐蚀

由于桥面直接暴露于空气中，易受氧气、水蒸气、酸雨等环境因素的腐蚀，导致桥面腐蚀、锈蚀。长时间腐蚀会使桥面材料失去强度，从而导致其不能承受运输列车的重量和振动。

（三）变形

桥面因为长期受到车辆的振动和重量的压力作用，容易导致其变形。变形问题的最大危害是可能导致桥面调整因素失效，进而导致后续的调整无法进行。

（四）松动

桥面之间的连接结构和连接件长时间运行，使得连接点处的螺钉或螺母松动，甚至脱落，导致桥面结构的不稳定，进而导致桥面存在风险。

（一）加固策略

在维修加固过程中，应采取有效的加固策略，对不同类型的病害应采取不同的加固方式。例如，使用电阻焊加固疲劳裂缝，采用镀锌管加固腐蚀部位，采用切割焊接技术加固变形部位，采用标准螺纹加固松动部位。

（二）材料选型

在进行加固过程中，应根据具体情况选择合适的材料来加固。例如，如果需要进行腐蚀加固，则可以选择不锈钢材料和金属镀锌材料，如果需要进行强度加固，则可以选择钢材等高强度材料。

（三）切割焊接技术采用切割焊接技术可以有效地加固钢桥的变形部位。切割焊接技术是将钢板或钢管加工成特定形状的零部件，然后通过切割和焊接技术将这些零部件连接起来，形成一个新的全新结构。这种技术可以保证桥面的强度和稳定性，并确保桥面在使用寿命内不再发生变形。

钢桥面板疲劳裂纹与维修对策

钢桥面板多使用于悬索桥或斜拉桥等长大桥梁，在使用过程中桥面板（尤其焊接部分）较易产生疲劳裂纹。文章从钢桥面板的疲劳裂纹类型、相应维修方法、检测技术和桥面铺装等方面全面介绍了日本相关的经验及最新技术，为中国今后钢桥面养护提供参考。

标签：钢桥面；疲劳裂缝；维修；日本经验技术

Abstract： Steel bridge panels are mostly used in long bridges such as suspension

bridges or cable-stayed bridges. In the process of the use of it， the deck slab

（especially the welded part） is easy to produce fatigue cracks. This paper introduces

the relevant experience and the latest technology in Japan in the aspects of fatigue

crack type， corresponding maintenance method， inspection technology and deck

pavement of steel bridge slab， which provides reference for the maintenance of steel

bridge deck in China in the future.

Keywords： steel bridge deck； fatigue crack； maintenance； Japanese

experience and technology

钢桥面板多使用于悬索桥或斜拉桥等长大桥梁，而此类大桥由于超载车辆通行产生的集中应力，造成桥面板变形，尤其焊接部分较易产生疲劳开裂。根据钢桥板的疲劳开裂大致可分为四大类。根据开裂的部位和状况，不同的开裂原因及进展情况也各不相同，需要针对不同情况进行相应合理的维修处置。其次，钢桥面板的铺装较混凝土桥面板而言，在选材及施工管理上、铺装工艺及施工过程中品质管理的水平不一，直接影响桥体品质。本报告针对钢桥板的这两项课题，介绍相关日本经验及最新技术，为中国今后钢桥面维修提供参考。

焊接钢结构细节疲劳裂纹成因及解决对策

摘要：随着目前我国社会经济不断进步和发展，在建筑行业放你那的发现也正在不断进步。但是在这样的发展过程中存在着许多问题。主要面对的就是在焊接过程中出现疲劳开裂的问题，这是在应用过程中需要面对的最主要问题，议论文将对于焊接方面出现裂纹的原因和具体解决方法做出具体分析和阐述。

关键词：焊接；钢结构；细节疲劳；裂纹成因；解决对策；

1前言

随着我国社会经济和文化的不断发展，各项水平也都在飞速进步。这就导致在日常生活当中车辆不断增加，钢结构再在这样的进程中所面临的疲劳方面问题也正在逐渐变得越来越严重。特别是最近这些年由于钢结构焊接细节裂纹的的产生而造成的事故问题也正在逐年增加。根据目前在次方面的调查结果，大多数钢结构的破坏和疲劳应用紧密相关。

2焊接钢桥易疲劳破坏的典型细节

2.1钢梁盖板端部连接细节

在整体工程的进行过程中通常都是在建筑物外部进行焊接方面工作。对于对工形钢梁的结构进行焊接的过程中当中，无论是盖板或者是顶端部分，或者是在横向方面进行焊接工作都需要对于整体外观的形状进行具体分析，并且要在可以接受的基础上对短板处的细节进行研究，只有通过改变顶端盖板的整体结构和形状才有可能在发展的对各项细节进行有效处理，尽可能避免在发展的过程中一旦由于承受力度过打出现开裂现象。具体实际情况来讲已经有许多的研究和发展表明，在超负荷的情况下钢结构是很容易发生裂缝。并且出现的裂痕一般发生在边缘处的部位。在上个世纪七十年代作用，就有许多钢板桥梁在应用的过程中出现裂痕，如果想要尽可能避免这些情况的发生就要对这些焊接进行更加详细的处理。

2.2平纵联节点板与主梁的连接

在平行的连接以及总连接的交点上大部分选择焊接的位置是边缘的部分，或者是中间腹板部位。在大量的研究和相关试验中表明焊接部位如果选择在连接以及总连接的交点上大部分的位置是边缘的部分，或者是中间腹板部位。这些位置在稳定性方面并不能得到很好的保证。就可耐受疲劳强度而言是很低的。因此根据各个国家对于焊接钢结构在应用过程中可耐受强度也分为几个不同的等级。如果对这个方面不进行注意就有很大可能会导致在未来应用过程中出现疲劳开裂甚至可能会出现断裂等更加严重的后果。在二十世纪初的时候在桥梁设计的过程中在钢桥段设计时主要通过国内外一定相关要求标准来进行焊接方面的操作，具体来讲在钢梁焊接的过程中不允许将横梁和双翼进行压力焊接并且在此过程中也不允许主要横梁在焊接时受到其他方面影响。进行这些操作最主要的目的是尽量避免在应用当中因为疲劳因素而出现裂痕，但是并没有得到预期结构这样的横梁设计结构在应用的过程当中自然出现了裂痕还密切这样横梁的结构的焊接存在的裂痕不断扩大，造成这样结果最主要的原因是在焊接的过程中不可避免会存在一些小的间隙，这是导致出现裂缝和变形最主要原因。这样产生的疲劳裂痕主要发生的位置有两个地方，第一个地方是整体钢板和边缘的交界处，这样形成的裂缝类型主要是水平型。第二个位置在钢板和连接三角之间进行的连接，在连接部位出现的裂痕主要的形状是马蹄形。

探讨钢结构桥梁的常见病害及防护措施

钢结构桥梁是公路桥梁中常见的一种，由于钢材的重要性和高强度，其使用寿命通常较长。但是，钢结构桥梁在使用过程中也会遭受一些常见的病害，包括以下几种：

1. 腐蚀

钢结构桥梁遭受大气腐蚀是常见的病害之一。主要是由于桥梁处于相对潮湿的环境，雨水常常滞留在桥梁上。如果没有及时清理，水分会促进氧气和其他物质与钢铁发生反应，形成锈蚀。锈蚀不仅会减少钢梁的强度，而且会导致锈蚀层下的钢铁进一步腐蚀。

2. 疲劳

疲劳裂纹是桥梁中常见的病害之一。疲劳裂纹主要是由于桥梁不断承受车辆的重载，而导致钢结构中出现裂纹。这种问题在桥梁寿命较长的情况下更加常见，因为在此之前，每天都要承受大量车辆的经过。如果没有及时检修，裂纹可能会继续扩展，导致桥梁的整体破裂。

3. 变形

由于外部环境以及设计不合理，钢结构桥梁可能会出现不同程度的变形。这种情况可能由于外部过大的荷载产生，或者由于材料损耗和结构设置不合理导致，从而减少桥梁的稳定性。

所以，对于钢结构桥梁的防护措施应该从以下几个方面入手：

1. 防腐处理

在钢结构桥梁建造之前，应对其进行严格的防腐处理，防止腐蚀物质对钢材的侵蚀。此外，还应对桥梁进行定期的清理和维护，避免桥面积水，尽可能将水排走。

2. 定期检查和维护

为了及时发现钢结构桥梁上的问题，必须定期检查和维护桥梁。在检查中，应特别关注疲劳裂纹和鼓包等变形现象。一旦发现这些问题，就应该立即采取措施进行修复。

3. 设计合理

在设计钢结构桥梁时，应考虑到桥梁的结构的合理性和稳定性，以便能够更好地承受外部的荷载和环境变化。此外，也要考虑到对环境的影响，减少钢结构桥梁对周围环境的影响。总之，钢结构桥梁是重要的基础建设，应该及时检查和维护。人们需要考虑到环境和材料的特点，采取相应的防护措施，保障桥梁的长期稳定运行。

浅谈钢桥的疲劳问题

王秀振　（西南交通大学，四川成都６１００３１）　

【摘要】　反复应力是由重复荷载所引起的，它能够引起钢材的疲劳问题，疲劳问题是当材料在传力途　径有疵点处或局部内部缺陷时，材料内部逐步形成裂纹扩展到最后断裂的一种现象。由于桥梁的施工方法、　施工技术、施工质量、材料本身的缺陷以及车辆超载等原因，国内外许多桥梁都会发生疲劳破坏。文章主要　通过相关知识，谈了作者对钢桥疲劳这一问题的认识和理解。　【关键词】　钢桥；　疲劳；　断裂；影响因素；荷载；　应力谱　

【中图分类号】Ｕ４４１　．４　

１钢桥疲劳破坏的特点　（１）多次重复载荷作用能够引起钢桥疲劳破坏，这与受　压构件屈曲和受拉构件屈服的一次性破坏是不一样的。通　常需要经历一段时间才会发生钢桥的疲劳破坏荷载跟失稳　破坏和静力强度破坏不一样，不仅要关心荷载的最大值及其　组合，而且还应关注各种较大荷载以及较大荷载发生的频　率，而这些是都钢桥在全寿命中会经常承受的荷载。　（２）能够用肉眼观察到的宏观显著的塑性变形在疲劳破　坏断裂前一般不会出现，断口一般比较平齐，这类似于脆断　破坏，但其本质是与一般情况下的脆性断裂是明显不一样　的。一般有两个区域呈现在疲劳破坏的断口上，一部分是疲　劳裂纹发生和扩张区，即暗淡光滑区；另一部分是快速断裂　区，即光亮晶粒状区。在暗淡光滑区，一些相互平行的疲劳　条痕可以通过电子显微镜明显的观察到。　（３）疲劳破坏发生在焊接钢桥时，一般是高周疲劳的，在　这种情况下，材料的屈服强度会远远高于构件的名义应力，　疲劳破坏会发生ｌ０　次以上的循环次数。　（４）有焊接缺陷或几何形状发生突变的焊接接头位置是　容易发生应力集中的地方，也是焊接钢桥容易出现疲劳裂纹　处，因此表面状态、构件的几何形状、焊接工艺、使用环境以　及加工过程等因素会显著影响钢桥的疲劳。　（５）疲劳裂纹一般经过三个阶段的发展，第一阶段由荷　载作用方向与裂纹源向大概呈４５。的这一方向发展，第二阶　段与最大主应力垂直的方向也开始发展，第三阶段是裂纹扩　展快速的阶段，这一阶段直至钢桥发生破断。　２钢桥疲劳强度的影响因素　人们对钢桥疲劳的认识随着试验和理论的发展逐渐加　深，应力比在开始时被认为是控制疲劳的，但是后来证明其　对疲劳的影响不大。钢桥疲劳强度主要受下面这些方面的　影响，这已经被大量的试验所证明。　２．１焊接缺陷　未熔透、咬边、气孔、飞溅、未熔合、裂纹和夹渣这些都是　焊接缺陷，在焊接结构时很难完全避免焊接缺陷。根据研究　发现，焊接缺陷对焊接接头的静强度影响并不大，试验发现，　【文献标志码】Ａ　

钢箱梁焊缝疲劳裂纹原因分析与维护技术分析

摘要：本文钢箱梁实际使用环境的基础上，简要阐述了钢箱梁的常见病害，之后对主要病害，即钢箱梁焊缝疲劳裂纹从分类与分布上进行了详细分析，最后，提出了一些检测疲劳裂纹的方法以及检修钢箱梁疲劳裂纹的措施，提供相关单位进行参考。

关键词：钢箱梁焊缝；疲劳裂纹；维护技术

前言：钢箱梁具备着吊装方便快捷、加工方便、抗扭刚度大、抗风稳定性较强以及自重轻等优势，近几年来随着科技水平的进步，被广泛的应用于大跨度桥梁建设。然而，在极为恶劣的周边自然环境以及钢箱梁自身的受力特点和材料特性的影响下，钢箱梁会因风荷载、车辆荷载等动力荷载的影响下，产生一系列的病害，最为典型的就是疲劳损伤。疲劳断裂是一种主要的金属结构失效形式，在循环载荷的强烈影响下，钢结构会因腐蚀、应力集中等状况出现裂纹，归根结底，这种裂纹是由于疲劳强度引起的，而扩展的裂纹将会引发结构的失效。根据美国土木工程学会 (ASCE)近几年的相关数据，由于疲劳损伤而引发的钢结构破坏占到了钢结构总破坏的80% ～ 90%。目前，钢箱梁桥疲劳开裂以及成为了设计维护关键问题。

1 钢箱梁的常见病害

1.1 涂装劣化

钢箱梁通常都是直接接触到海洋大气及周边空气的，而这种长期暴露会对钢箱梁产生一定的侵蚀，对钢箱梁安全造成不良影响。为保护钢箱梁外部的完整性，通常会对桥梁钢结构表面进行一定的维护，而其中最具有效力及最为经济型的就是涂装。但是观察长期服役的钢箱梁表面涂层可以发现，其仍出现大量生锈、脱落、裂纹、起泡、粉化问题，涂层的劣化将导致进一步的腐蚀。 1.2 腐蚀

同一桥梁的不同位置所面临的环境有所区别，但工业废气中含有的大量盐粒子、水分、氮化物及硫化物会对钢箱梁焊缝产生一定的腐蚀作用，而桥梁所处位置周边空气通常会存在大量工业废气。腐蚀的焊缝会出现承载力下降、刚度降低以及截面减小的情况。另外，腐蚀严重情况下出现的锈坑将会引发钢结构脆性破坏，对于钢结构耐久性产生严重的损害。