薄腹梁对多种腹板开口修复技术的结构响应

《Journal of Composites Science》：Structural Response of Thin-Web Beams to Various Web Opening Retrofit Techniques

　　

由冲击、腐蚀或冲突相关损伤引起的偶然腹板开口（web openings）会显著降低钢桥主梁（steel bridge girders）的强度、刚度和稳定性。尽管已有大量研究关注含有设计腹板开口的梁，但针对薄腹板板梁（slender-web plate girders）中偶然开口的实用修复方法，系统的实验研究仍然有限。本研究通过实验和数值方法评估了多种包含焊接补强板（welded patch plates）和横向加劲肋（transverse stiffeners）的修复配置。对10个薄腹板钢梁试件（每个长1800 mm、高800 mm、宽300 mm）进行了跨中单调集中荷载（monotonic concentrated loading）试验。同时建立了非线性有限元模型（nonlinear finite element models）以定性分析主要的变形和失稳趋势。与对照组试件相比，未经处理的腹板开口使极限荷载（ultimate load）降低了约43%，并在各自极限荷载下表现出约10%更大的挠度（deflection）。单侧和双侧焊接补强板分别使损伤试件的极限荷载提高了约22%和26%。横向加劲肋使极限荷载提高了约73%，同时极限荷载挠度显著降低。补强板与横向加劲肋的组合使用提供了最大的改善效果，相对于未经处理的损伤试件，极限荷载提高了约101–123%，并显著降低了侧向失稳（lateral instability）。研究结果表明，薄腹板梁的有效修复不仅需要恢复中断的荷载路径，还需要抑制腹板失稳（web instability）。

**论文解读：薄腹梁腹板开口修复技术的结构响应**

**研究背景与问题**
钢桥主梁因其高强重比、易于制造和长跨度能力而在桥梁中广泛应用。然而，在服役过程中，腹板可能因冲击、腐蚀、爆炸或冲突相关损伤而产生意外开口，这类开口中断了腹板中的自然应力流，显著降低梁的刚度、强度和稳定性。已有大量研究关注设计性腹板开口（如为穿管或减重而设）对梁性能的影响，并提出了多种加固方法，如碳纤维增强聚合物（CFRP）片材和盖板。然而，针对薄腹板板梁中意外开口的实际修复方案，特别是焊接补强板和横向加劲肋的组合应用，缺乏系统的实验比较。此外，现有研究多集中于单一修复技术，对不同修复策略在相同试验条件下的相对有效性量化不足。本研究基于伊拉克摩苏尔阿尔-胡里亚桥（Al-Hurriyah Bridge）的实际损伤背景，旨在系统评估焊接补强板（单侧和双侧）、横向加劲肋及其组合使用对薄腹板梁强度恢复、刚度提升和失稳抑制的效果，从而为实际桥梁修复提供实用建议。

**研究内容与结论**
研究人员在《Journal of Composites Science》上发表了本项工作，通过实验和数值方法对比了多种修复配置。实验共制造10个薄腹板钢梁试件，包括对照组（无开口、无侧向加劲肋、跨中加劲肋）和7个含180×180 mm腹板开口的试件，分别采用不同修复方案：单侧补强板（BO_OP）、双侧补强板（BO_TP）、横向加劲肋（BO_TS）、横向加劲肋加单侧补强板（BO_TS_OP）、横向加劲肋加双侧补强板（BO_TS_TP）、以及无侧向加劲肋的双侧补强板（BO_NS_TP）。所有试件在跨中施加单调集中荷载直至失稳破坏。结果表明，意外开口使极限荷载降低约43%，挠度增加约10%。单侧补强板使极限荷载恢复约22%，双侧补强板恢复约26%，但两者均未能完全抑制腹板失稳。横向加劲肋单独使用使极限荷载提高约73%，同时显著降低挠度和侧向位移。组合修复（补强板+加劲肋）效果最佳，极限荷载提高101–123%，并大幅降低侧向失稳。研究证实，薄腹板梁的有效修复必须同时恢复荷载传递路径和抑制腹板屈曲，单纯增加截面面积不足以达到最佳效果。

**主要关键技术方法**
实验在摩苏尔大学工程学院土木工程系材料实验室进行，试件采用市场采购钢板焊接而成，材料符合A36结构钢。关键方法包括：(1) 试件设计：10个1800 mm长、800 mm高、300 mm宽非组合焊接I形钢梁，腹板厚度4 mm，跨高比2.25，以突出腹板剪切屈曲行为；(2) 加载与测量：使用2000 kN液压千斤顶以0.1 kN/s速率施加单调集中荷载，采用LVDT测量挠度和侧向位移，并连接数据采集系统；(3) 有限元分析：使用ANSYS建立Shell181壳单元模型，模拟四种代表性工况（BC、BC_TS、BO、BO_TS），采用双线性等向强化（BISO）材料模型，考虑几何非线性和大变形，网格尺寸50×50 mm，用于定性分析变形模式和失稳机制，而非定量预测极限荷载。

**研究结果**

**控制试件与开口试件对比**
通过在无侧向加劲肋的对照组（BC_NS）和含开口试件（BO）的对比，实验发现开口显著降低了刚度和承载力。与完整对照组（BC）相比，BO试件极限荷载降低约43%，挠度增加约10%，侧向位移增大约1%。开口中断了腹板自然剪切流，导致开口角部应力集中，加速局部屈曲，降低了整体稳定性。

**补强板修复效果**
采用单侧补强板（BO_OP）和双侧补强板（BO_TP）分别使极限荷载较BO提高约22%和26%，同时挠度分别降低约8%和1%，侧向位移分别降低约24%和28%。补强板通过恢复部分荷载传递路径提高了有效剪切面积，但因其对平面外变形的约束有限，腹板失稳仍为主导机制，故强度提升不及加劲肋。

**横向加劲肋修复效果**
在开口处添加两个横向加劲肋（BO_TS）使极限荷载较BO提高约73%，挠度降低约68%，侧向位移降低约45%。加劲肋通过增加腹板面板的局部抗弯刚度，缩短了有效屈曲长度，有效延迟了局部屈曲起始，使腹板能更有效地传递剪切力。

**组合修复效果**
结合补强板和横向加劲肋的试件（BO_TS_OP和BO_TS_TP）表现出最佳性能：极限荷载较BO分别提高约101%和123%，挠度在对应荷载下降低约89%和84%，侧向位移降低约77%和79.5%。两种机制协同作用：补强板恢复局部应力传递路径，加劲肋约束腹板失稳并重新分布应力，使局部屈曲延迟，应力分布更均匀，从而大幅提升承载力。

**数值分析结果**
有限元模拟成功再现了整体变形趋势和失稳模式，但极限荷载定量预测存在偏差。对于未加劲试件（BC、BO），预测值较实验值低估约59%和53%，这归因于理想化的边界条件、忽略初始几何缺陷和残余应力等假设。对于加劲试件（BC_TS、BO_TS），预测值与实验值吻合较好。数值模型主要用于定性解释应力集中和失稳机制，如von Mises应力云图显示开口角部高应力集中，而组合修复显著降低了局部应力峰值。

**讨论与结论**
研究结果表明，薄腹板梁的失效模式由腹板屈曲和整体失稳主导，而非材料屈服。因此，修复策略必须同时考虑恢复荷载路径和抑制平面外失稳。本研究中，横向加劲肋单独使用时效果优于补强板，而两者组合效果最佳，为严重损伤的薄腹板梁提供了最大强度恢复（约101–123%）。成本估算显示，采用组合修复方案的费用约为更换新梁的13.7%，具有显著经济性。

**研究结论部分翻译**
基于对含意外腹板开口的薄腹板钢梁的实验和数值研究，得出以下结论：
- 实验观察确认，所研究的修复技术有效性差异显著。其中，横向加劲肋单独使用比焊接补强板更有效，而补强板与加劲肋的组合使用通过恢复荷载传递和改善腹板稳定性，提供了最高效的修复策略。
- 意外腹板开口通过中断自然剪切传递机制并加速局部腹板屈曲，显著降低了薄腹板梁的结构性能。
- 焊接补强板部分恢复了开口周围的荷载路径，提供了一种有效的实用修复方法，但单独使用无法完全抑制腹板失稳。
- 横向加劲肋是最有效的单种修复技术，因其约束了局部腹板屈曲并增加了腹板面板的平面外刚度，从而使试件极限强度提高，并在各自极限荷载下表现出显著更低的挠度。
- 焊接补强板与横向加劲肋的组合使用提供了最高的结构效率，通过同时恢复中断的荷载路径和抑制腹板失稳，提高了极限强度并显著改善了梁的稳定性。因此，该修复策略推荐用于需要大幅强度恢复的严重损伤薄腹板钢梁。
- 所有试件的主导失效模式为腹板屈曲和整体失稳，而非材料屈服或焊缝失效。
- 有限元模型为观察到的实验行为提供了补充数值见解。尽管由于理想化建模假设导致极限荷载存在定量差异，但数值模型适用于评估所研究修复技术的比较有效性。
- 研究结果主要适用于损伤钢梁的局部修复。全桥应用应额外考虑组合作用、疲劳、腐蚀、服役荷载和实际边界条件。
- 本研究为薄腹板钢桥主梁中意外腹板开口的实用修复技术提供了实验和数值证据，并为选择有效加固策略提供了指导。