考虑局部应力重新分布与现场观测裂纹特征的肋骨至甲板焊缝根部裂纹修复时机准则

《Engineering Structures》：Repair timing criteria for rib-to-deck weld-root cracks considering local stress redistribution and field-observed cracking characteristics

　　

摘要

正交异性钢桥面板的加劲肋-桥面板焊根裂纹难以修复，选择合适的修复时机准则尤为关键。现有的修复时机准则主要基于裂纹扩展行为或局部应力重分布建立。然而，裂纹扩展与应力重分布并非相互独立的过程，仅考虑其中一个因素可能导致对最优修复时机准则的误判。本研究通过数值模拟，研究了加劲肋-桥面板焊接接头焊根开裂后的局部应力重分布。分析了裂纹长度和深度对局部应力状态的影响，并结合中国某千米级斜拉桥中观测到的开裂特征，提出了加劲肋-桥面板焊根裂纹的修复时机准则。结果表明：当裂纹深度达到桥面板厚度的70%时，裂纹在深度方向的扩展受到抑制，后续裂纹增长以长度方向为主导。在此阶段，开裂区域桥面板的承载能力进入快速退化期，应力重分布至未开裂桥面板和开裂区域U形加劲肋腹板。特别是，裂纹穿透桥面板且长度超过200 mm后，焊趾侧未开裂桥面板的应力放大进入快速增长阶段，而U形加劲肋腹板的应力放大超过60%，从而形成潜在的易疲劳部位。因此，裂纹深度大于桥面板厚度的70%或裂纹长度超过200 mm可作为加劲肋-桥面板焊根裂纹的修复时机准则。

引言

正交异性钢桥面板（OSD）因具有高承载力、自重轻和施工方便等优点，广泛应用于大跨度桥梁[1, 2, 3]。然而，随着服役年限的增加，OSD的疲劳开裂问题日益突出，对桥梁运营安全和养护维护构成严重威胁[4, 5, 6]。在各种易疲劳细部中，加劲肋-桥面板焊接接头（RDWJ）尤为容易发生开裂，已观察到多种开裂模式[7, 8, 9]，如图1所示。其中，Ⅱ类裂纹模式下的加劲肋-桥面板焊根裂纹（RDWR裂纹）是实际桥梁中最常见的裂纹。一旦该裂纹穿透桥面板，将导致漏水、腐蚀和路面损坏，严重削弱桥梁的结构性能和耐久性。因此，及时修复此类裂纹对于确保桥梁使用安全至关重要。由于RDWR裂纹位于U形加劲肋内部，实际修复通常需要铣除路面层后才能进行局部加固或修复焊接[10, 11]。此类干预措施往往伴随着高昂的施工成本、显著的交通干扰，且难以反复实施。这对修复时机准则的选择提出了严格要求：过早干预可能导致不必要的资源消耗，而延迟修复则可能显著降低修复效果。目前，已有若干研究者提出了确定RDWR裂纹修复时机的参考准则或建议。Li等[12]研究了RDWJ在裂纹扩展过程中的疲劳寿命，报告当裂纹深度达到桥面板厚度的70%时，剩余疲劳寿命降至约15%，并建议将该深度作为潜在的修复阈值。国际焊接学会（IIW）[13]也指出，当裂纹深度达到板厚的一半时，裂纹倾向于进入快速扩展阶段，部分研究者采用该值作为疲劳失效准则或临界裂纹尺寸[14, 15]。Li等[16]分析了裂纹扩展过程中关键位置的应力变化，提出以深度与厚度之比0.6作为失效准则。Wu等[17]基于断裂力学对比了不同的失效准则，指出以裂纹深度等于桥面板厚度的75%作为失效准则得到的预测值与试验结果吻合良好。总体而言，现有准则主要基于裂纹尺寸、疲劳寿命、裂纹扩展速率或有限关键位置的应力变化建立。在确定修复时机准则时，尚未充分考虑焊根开裂引起的局部应力重分布。事实上，裂纹的萌生和扩展不可避免地伴随着局部刚度退化，从而改变原有的传力路径并引起局部应力重分布[18, 19]。作者此前的研究已表明，RDWJ焊趾侧的开裂可导致焊根侧桥面板应力增大，从而形成新的疲劳敏感区域[20]。因此，如果仅根据裂纹扩展行为本身确定修复时机准则，可能会低估裂纹引起的应力重分布对相邻易疲劳细部的不利影响。基于上述考虑，有必要综合考虑裂纹扩展和局部应力重分布来确定RDWR裂纹的修复时机准则。本文通过数值模拟分析了RDWJ焊根开裂后的局部应力重分布，讨论了裂纹长度和深度对局部应力变化的影响。结合中国某跨河斜拉桥的裂纹检测数据分析了RDWR裂纹的开裂特征。基于模拟结果和实际桥梁的裂纹特征，提出了RDWR裂纹的修复时机准则。主要贡献总结如下：(1) 通过数值模拟研究了RDWR裂纹开裂后的局部应力重分布，分析了裂纹长度和深度对焊根侧桥面板、焊趾侧桥面板及U形加劲肋腹板局部应力状态的影响，明确了不同裂纹尺寸对应的应力重分布规律。(2) 基于千米级斜拉桥的现场检测数据，识别了实际服役条件下RDWR裂纹的开裂特征。(3) 将数值应力重分布结果与现场观测的裂纹特征相结合，确定了RDWR裂纹的修复时机准则，为其处理提供了实用依据。

章节摘要

数值模拟

通过数值模拟研究了不同裂纹尺寸RDWR裂纹引起的局部应力重分布。本节描述了有限元模型、裂纹构型、边界与加载条件以及模型验证。

局部应力分析

为研究RDWR裂纹尺寸对局部应力重分布的影响，在不同裂纹长度和深度下分析了RDWJ潜在裂纹萌生点的应力响应。裂纹穿透前后的局部应力特征在以下小节中分别讨论。

应力分布分析

前述章节分析了RDWR裂纹萌生后裂纹中心处RDWJ各点的应力变化。为进一步研究RDWR裂纹如何影响RDWJ开裂区域和未开裂区域的应力分布，在不同裂纹尺寸下评估了应力场。考虑到裂纹穿透前的应力变化相对较小，本节重点关注裂纹穿透后的应力分布特征。

实际桥梁的开裂特征

分析了中国某千米级斜拉桥的现场检测数据，以研究实际服役条件下RDWR裂纹的开裂特征。裂纹检测程序和所检测裂纹的统计特征在以下小节中呈现。

结论

本研究通过数值模拟研究了加劲肋-桥面板焊接接头焊根开裂后的局部应力重分布。研究了裂纹长度和深度对局部应力状态的影响。结合大型斜拉桥的现场检测结果，提出了加劲肋-桥面板焊根裂纹的修复时机准则。主要结论如下：(1) 加劲肋-桥面板焊接接头的焊根开裂具有显著的……

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致谢

本研究得到江苏省研究生研究与科技创新计划（编号KYCX24_0852）的资助，对此表示衷心感谢。高育强|付中秋|纪渤海|纪邦冲河海大学 土木与交通工程学院，南京，210098，中国