建筑技术丨疲劳处理对钢组合桥梁使用寿命和可持续性的影响

1 工程概况

大量研究表明，高频机械冲击（以下简称HFMI）技术在桥梁关键接口和焊缝上的应用，实现了桥梁寿命的延长和材料的高效使用，达到了节约资源、降低施工成本的作用。在钢组合桥梁施工中，同时使用高强度钢材和HFMI技术可以使高强钢材在桥梁结构中实现更为合理的使用。胡宗文等对多跨四车道公路的钢组合桥梁进行研究，钢组合桥梁在设计时分别采用Q345级钢材和Q690级钢材，Q345钢截面类型为a类，对于Q690级钢材，由于钢材强度的显著提升，结构截面被降低为b类截面。根据GB50017—2017《钢结构设计规范》，在桥梁结构设计时采用Q690钢材较为保守，对钢材的利用不够充分。通过HFMI技术的试验研究解决了设计状态下组合桥梁结构的稳定性和疲劳的关键问题，改进和优化了高强钢材的使用。

目前在公路桥梁施工中Q345级钢材使用最为广泛，在不提高组合桥梁钢材强度等级的情况下，使用HFMI技术对关键焊缝进行处理也可以延长组合桥梁的使用寿命。王元清等根据GB/T714—2015《桥梁用结构钢》规范对试验中所用钢组合桥梁进行了整体评估，以优化不同类型的桥梁结构。

在现代公路桥梁的建设中，对施工工艺和桥梁材料进行创新是必不可少的，如图1所示的厚板桥梁结构与传统桥梁结构相比在一定程度上延长了桥梁的使用寿命、改善了疲劳性能。HFMI技术通过改善单个结构的关键焊缝，也能提高组合桥梁的疲劳寿命。现阶段对不同类型建筑的施工和设计标准都是尽可能地减少后期维护，且在维护时尽可能减少对周围交通线路和其他建筑结构的影响。为评估使用HFMI技术创新优化后桥梁结构的使用寿命和疲劳性能，本工程对传统结构和改进后结构的可持续性进行分析。

图1  厚板桥梁结构示意

2 HFMI处理的桥梁的可持续性

2.1 钢组合桥梁中HFMI技术的应用

钢组合桥梁焊接缝通过HFMI技术，可以增加新结构和原有结构焊缝的疲劳强度。HMFI技术是用淬硬的销钉沿焊缝反复敲击，通过销钉的敲击实现钢组合桥梁焊接缺口的塑性变形，从而降低焊趾的缺口效应。如图2所示，HFMI技术增加了焊缝表层的硬度减少了微裂纹的产生，焊接完成后产生的残余压应力在切口的表面区域出现冷变形。相比于在非焊缝根部的应用，HFMI更适用钢组合桥梁焊缝的焊趾部分。

图2 HFMI技术对焊趾的处理

关于HFMI技术在组合桥梁结构中的应用效果，已经进行了大量的研究。在大多数情况下，HFMI技术对焊缝缺口的处理都是在焊接完成后直接进行的。此外，部分研究已经将HMTI处理应用于高强钢材，由于较高的残余应力，相比于普通钢材，在高强钢材中采用HFMI。

随着我国建筑行业的不断发展，应用HFMI技术处理焊缝的设计理念被逐步应用于工程实际中，在提高组合桥梁疲劳寿命和保证工程质量方面取得了一定的成效。霍立兴对HFMI处理的钢材性能进行了研究，通过焊接试件的疲劳试验、残余应力和界面硬度测量来研究不同焊缝处理方法对焊接试件疲劳使用寿命的影响。

图3为不同接口处理方式的试件容许应力与加载次数的关系图，由图3可知，HFMI处理的试件与焊接处理的试件相比，疲劳应力有所提高，使用寿命也大幅提高。

图3 试件疲劳应力与加载次数的关系

2.2 钢组合桥梁接口细节

本工程采用GB50017—2017《钢结构设计规范》对试验中采用高强钢材的桥梁主梁结构中的关键焊接接口进行了损伤等效因子评估和优化。接口处的焊缝应用HFMI技术处理后，可以提高疲劳强度，符合我国钢结构设计规范中对焊缝处疲劳应力的要求。

双板主梁接口处的细节如图4所示，图4描述了存在于梁底部边缘和横向加劲肋直接焊接接头的关键细节。通过对梁底部翼缘处水平焊缝进行HFMI处理，并对横向、纵向加劲肋的设计进行改进，能够减少钢材的使用，降低结构的平均重量。同时也在一定程度上增加了结构的疲劳应力和使用寿命。

图4 钢组合桥梁典型接口细部示意

2.3 桥梁建设的可持续性

在实际生产中，大量老旧公路桥梁需要修缮改造或者替换，这就对桥梁的可持续性提出了要求。通过对桥梁施工及设计技术的改造，增加其使用寿命，不仅能够降低后续维修和改造的成本，而且能够将维修时造成的交通阻塞和资源浪费降到最低。

综合考虑桥梁的使用寿命和施工中的经济、生态和社会效应，与普通混凝土桥梁相比，钢–混凝土组合桥梁在安装建造、施工过程、后期维护和桥梁的回收利用方面展现出较大的优势。而通过HFMI技术对桥梁结构关键焊缝的焊趾部分进行处理，能够延长桥梁结构的使用寿命和提高疲劳应力，实现桥梁的可持续性。

3 HFMI技术的试验研究

3.1 高强度钢结构焊接梁试验研究

3.1.1 介绍

在实际施工中，钢组合桥梁中钢材的屈服强度通常与结构焊接焊缝的疲劳应力无关，这就意味着桥梁结构中使用的高强度钢材很难发挥全部作用，因此为延长桥梁结构的使用寿命，接口处焊缝疲劳强度才是关键因素。通过使用HFMI技术，接口处焊缝的疲劳强度有所提升，结构的使用寿命大幅度延长。

由于HFMI处理对钢材疲劳应力的提高与钢材残余应力的大小有关，而高屈服强度的钢材通常有较高的残余应力，因此在高强钢结构中使用HFMI技术处理接口焊缝不仅能够延长桥梁结构的使用寿命，在一定程度上也使得高强钢材得到充分利用。

为确定HFMI技术在高强钢结构上应用的有效性，本研究对大量接口处采用HFMI技术处理过的钢材等级为Q690并配有横向加劲肋的梁进行了疲劳试验。试验装置与四点弯曲试验的装置类似，在梁四周粘贴应变片，以观测梁表面裂缝的出现。

3.1.2 测试结果

试验中桥梁的破坏是由于焊缝不同的破坏机制，由图5可知，未经HFMI技术处理过的试验桥梁的断裂是焊缝失效造成的。裂纹最初是在梁顶面边缘部分出现的，表现为焊趾部分的破坏失效。

图5 未经HFMI处理横向加劲肋焊趾破坏

由图6可知，经过HFMI技术处理过的试验梁，横向加劲肋接口处的焊缝得到了改善，桥梁结构断裂时的裂缝是在基材下翼缘边缘处开始出现的，而不是在腹板和下翼缘的焊缝处开展的，这说明经过HFMI技术处理，试验桥梁焊缝处的强度得到提升，在一定程度上缓解了试验梁的截面缺陷。

图6 经HFMI处理结构母材的开裂破坏

试验桥梁疲劳应力与破坏形式如图7所示，图7中带交叉的的正方形代表横向加劲肋焊趾部分破坏的试验梁。其余试件的破坏主要是基于偏离失效机制造成的试件母材的破坏。

图7 试验桥梁疲劳应力与破坏形式

由上图曲线可知，采用Q690级钢材试验梁经过HFMI技术处理过的横向加劲肋接口处的疲劳应力可达到160N/mm²，符合钢结构设计规范中要求的焊缝疲劳应力。

焊接桥梁的试验结果表明，通过HFMI技术对焊缝进行处理，可以提高焊缝与母材之间的整体性，避免截面缺失破坏，提高焊缝的疲劳应力，从而提高试验梁的使用寿命。母材强度和整体性是决定焊缝疲劳应力的关键因素，如何尽可能地减少母材失效成为现阶段可持续桥梁结构关注的重点问题。

3.2 厚板槽式钢桥的研究

3.2.1 介绍

槽式钢桥的疲劳设计主要包括3个重要部分：纵向焊缝的剪切破坏、底板的横向加劲肋由于框架作用而被忽略的横向弯曲和厚板与斜腹板之间的纵向角焊缝。通过在厚板槽式钢桥焊缝处进行HFMI技术处理，在一定程度上提高了桥梁的可持续性。

到目前为止，钢结构设计规范中对角焊缝横向弯曲还没有明确的定义，通过在前文试验中未经处理的焊缝疲劳应力和经过HFMI技术处理过的焊缝疲劳应力，明确了HFMI技术在提高结构焊缝疲劳应力方面的成效，同时为确定焊接前后试件整体性和局部应力的真实情况，本研究对厚板槽式钢桥进行了一系列的试验，以评价HFMI技术对横向弯曲作用下角焊缝的影响。

本研究在材料测试研究所，使用电液伺服压力机对试件进行了测试，试验时最大应力为400kN，振幅均匀，频率约为3~6Hz。仅施加压力时，应力比为R=0.1。在腹板受拉侧，粘贴5个应变片来测量疲劳应力，认为焊缝完全失效时，试件达到破坏。

3.2.2 测试结果

由于试件经过HFMI技术的处理，焊缝的疲劳应力较高，试件只有在高应力水平下才发生破坏，在低应力水平下不发生破坏。由于本次试验数量有限，只能检测到HFMI技术对试件疲劳寿命有延长的趋势，但对疲劳寿命具体延长的程度还需要通过后续试验进行进一步分析。

图8为HFMI技术处理过的厚板桥梁试验结果，从图8中可以明显看出，经过HFMI处理过的角焊缝疲劳寿命有所延长。在高应力范围内疲劳试验加载的循环放大系数K_N为2.7，低应力范围内，循环放大系数为4.3~4.4。在不同应力水平下，疲劳加载的循环放大系数是不同的。

图8 经HFMI处理的厚板桥梁

通过对4个厚板槽式钢桥的足尺寸试验，得到了桥梁的应力状态和关键节点处焊缝的疲劳应力。在试验过程中桥梁一般的焊缝进行HFMI技术处理，处理过的焊缝在试验过程中疲劳寿命得到了一定程度的延长。未经处理的焊缝在试验过程中由于焊缝的界面缺陷出现了破坏。由此可以得出结论，HFMI技术能够改善桥梁结构的疲劳应力，延长桥梁的使用寿命，从而达到桥梁结构设计、使用的经济性和可持续性。

4 结束语

通过对在桥梁结构中综合使用高强钢材和HFMI技术的疲劳试验研究，得出结论，经过HFMI技术处理的横向加劲肋接口焊接缝的疲劳应力显著提高。HFMI技术的使用能够充分发挥高强钢材的性能，使材料得到充分利用。同时经过HFMI技术处理的焊缝能够提高与母材的整体性，尽可能地减少由于界面缺陷造成的结构破坏，从而实现结构使用寿命的延长。

本研究对厚板槽式钢桥在横向弯曲作用下纵向角焊缝进行了试验研究。试验中部分角焊缝采用HFMI技术进行处理，横向弯曲荷载本身并不是临界荷载，疲劳试验结果表明，通过HFMI技术在一定程度上增强了角焊缝的疲劳应力，使得结构使用寿命得到提高。