《Engineering Structures》：Experimentally calibrated cold spray additive repair design for capacity restoration of corroded steel girders
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摘要钢桥梁端因腐蚀而产生的截面损失会增加翼缘的细长比，进而加速其在集中压缩载荷作用下的失稳破坏。本文研究了一种高压冷喷涂增材制造技术，作为一种局部固态修复方法，用于恢复自然腐蚀后的钢桥梁的承载能力。将不锈钢冷喷涂沉积层应用于腐蚀的A36钢基体上，并通过对纯沉积层以及A36钢与沉积
摘要
钢桥梁端因腐蚀而产生的截面损失会增加翼缘的细长比，进而加速其在集中压缩载荷作用下的失稳破坏。本文研究了一种高压冷喷涂增材制造技术，作为一种局部固态修复方法，用于恢复自然腐蚀后的钢桥梁的承载能力。将不锈钢冷喷涂沉积层应用于腐蚀的A36钢基体上，并通过对纯沉积层以及A36钢与沉积层复合试件的压缩试验来对其性能进行表征。实验得到的本构行为被用来校准非线性有限元模型。来自缅因州和新罕布什尔州的两个自然腐蚀的桥梁端部通过高分辨率三维激光扫描得以重建，并被纳入基于扫描数据的数值模型中。研究评估了多种修复策略，包括条带状、阶梯状、垂直状以及均匀沉积模式，以此根据沉积材料体积和修复范围来量化结构承载能力的恢复程度。结果表明，冷喷涂修复的效果在很大程度上取决于腐蚀形态与修复几何形状之间的相互作用。对于腐蚀集中在下翼缘区域的缅因州桥梁，局部条带状和阶梯状修复能够在使用最少材料的情况下恢复接近设计值的承载能力。而对于腐蚀分布在整个翼缘高度的新罕布什尔州桥梁，垂直修复方式由于能覆盖更大范围的翼缘，其效率显著更高。总体而言，该研究表明，冷喷涂增材制造技术能够提供一种既节省材料又具有精准几何控制的修复方案，有助于恢复受损钢桥梁的失稳控制承载能力，同时尽量减少额外材料的添加和修复范围。
内容片段
引言与背景
美国的桥梁数量超过62万座，根据美国交通部的数据，其中约6.8%的桥梁存在结构缺陷[1]。2025年美国土木工程师协会发布的基础设施状况报告指出，桥梁的状况持续恶化，从“良好”状态不断转变为“一般”状态，而且目前的投资水平与阻止这种恶化趋势所需的投资之间还存在巨大差距
试样来源与腐蚀特征分析
研究的第一个阶段使用了从马萨诸塞州获得的一根自然腐蚀的钢桥梁，如图3a所示。该桥梁由A36钢制成，属于1937年建造的三跨结构，采用连续的未经加固的24CB120型钢梁；其翼缘厚度为23.62毫米，翼缘厚度为15.24毫米，桥梁深度为617.47毫米，翼缘宽度为306.04毫米。两座桥墩将整个桥长分为三个相等的跨度
两根自然腐蚀桥梁的几何形状重建与腐蚀情况描述
为了准确模拟失稳现象并评估冷喷涂修复带来的结构优势，准确表示几何形状和截面损失至关重要。本研究选择了两根自然腐蚀的工字钢桥梁端部作为典型案例进行数字化重建。第一个试样来自美国缅因州的一座三跨公路桥，该桥建于1941年，1990年进行了翻新，采用连续的33WF130型钢梁，主跨度为19.2米
冷喷涂修复设计框架与厚度场设定
所提出的冷喷涂修复方案旨在恢复因失稳因素（如翼缘局部屈曲）而受损的桥梁端部的承载能力。模拟时假设修复区域主要处于压缩应力状态，因此可以利用经过实验校准的压缩材料本构行为来进行设计评估。相应地，修复理念强调：(i) 在局部范围内恢复截面损失
修复后桥梁端部的结构响应与承载能力恢复
利用所设计的冷喷涂修复方案，通过非线性有限元模拟来量化两根自然腐蚀桥梁端部的承载能力恢复情况和材料使用效率。对于每种修复方案，均以平衡路径上的最大反力作为承载能力的衡量指标，同时根据公式(4)计算相应的沉积材料体积。结果以承载能力与材料体积的关系形式呈现，以便进一步评估
建模假设的验证与讨论
这项修复设计研究依赖于两个对计算结果至关重要的建模假设：(i) 修复后翼缘的预失效应变仍处于用于校准本构响应的实验范围之内（应变限制在5%以内）；(ii) 修复区域主要处于压缩应力状态，因此无需针对沉积材料进行拉伸状态的本构校准，也不会影响承载能力的预测结果
结论
本研究提出将冷喷涂增材制造技术作为一种修复腐蚀钢桥梁端部的新方法。通过对冷喷涂沉积层以及A36钢与冷喷涂复合材料的实验测试，结合对两根自然腐蚀桥梁的基于扫描数据的有限元模拟，证明了该技术的结构适用性。主要研究结论如下：
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研究表明，冷喷涂增材制造技术是一种可行且具有良好力学效果的修复技术，可用于修复受腐蚀影响的钢桥梁端部
CRediT作者贡献说明
布莱恩·沙根：论文撰写——初稿、方法论、研究实施、正式分析、数据整理、概念构思。凯瑟琳·H·陈：资源提供。哈登·奎因兰：论文撰写——审阅与编辑、资源提供。A·约翰·哈特：论文撰写——审阅与编辑、资源提供。西莫斯·格拉西米迪斯：论文撰写——审阅与编辑、监督工作、资源提供、项目管理、资金筹集、概念构思。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢
作者感谢马萨诸塞州交通部门提供的财政支持。此外，还要感谢普拉蒂克在操作VRC GENIII设备以及进行冷喷涂沉积作业方面给予的宝贵帮助。同时，也要感谢张胜标和陈文在测试工作中提供的专业指导。
布莱恩·沙根|凯瑟琳·H·陈|哈登·奎因兰|A·约翰·哈特|西莫斯·格拉西米迪斯
美国马萨诸塞州阿默斯特市阿默斯特大学土木与环境工程系，邮编01003，马萨诸塞州
