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          當黑科技走進鋼橋修復

          2021-03-16    作者:admin  閱讀:65次

          國內外工程經歷標明,大多接受重交通荷載運行的鋼橋,其鋼橋面板在使用數年或十幾年后相繼呈現了疲憊損壞問題,因而處理鋼橋面板疲憊開裂問題勢在必行。

          疲憊開裂的典型問題

          縱肋與頂板焊接處疲憊裂紋

          在直接接受豎向輪壓荷載情況下,縱肋的撓曲變形導致橋面板的面外變形,然后在橋面板與U肋焊縫的焊趾、焊根處發生彎矩。在彎矩作用下,頂板與縱肋焊根、焊趾處發生較大的彎曲應力并構成部分應力會集,因而疲憊裂縫簡單發生并進一步擴展。從結構上看,由于縱肋(U肋)腹板歪斜,橋面板與U肋在焊接時會呈現縫隙,因而發生初始缺陷。除此之外,焊接時溫度很高,焊接完成后會在焊縫周邊發生焊接剩余拉應力場。

          鋼橋面板頂板疲憊裂紋

          在部分輪載直接作用下,當縱肋內側的彎矩小于外側的彎矩時,焊根處發生較大的應力會集,裂紋在此萌發并沿頂板向上展開,最終穿透面板。由于是橋面板的負彎矩導致的損害,所以橋面板的剛度缺乏和超載車輛的通行,是導致發生這類裂紋的首要原因。除此之外,剩余應力和焊接初始缺陷相同也是發生此類裂紋的原因。

          橫隔板與頂板銜接處疲憊裂紋

          在部分輪載直接作用下,橋面板發生鼓曲狀變形。在橫隔板與頂板相互銜接并相互約束的部位,因幾何不接連、剛度突變呈現應力會集。重復荷載作用下,疲憊裂紋在上述部位呈現并敏捷擴展。此外,縱肋過焊孔處橫隔板簡單呈現應力會集,在活載的重復作用下,最終導致疲憊損壞。

          縱肋對接拼接疲憊裂紋

          縱肋是彈性支承在橫隔板上的接連梁,在較大的豎向輪壓荷載作用下,會在縱肋上發生縱向彎矩。而縱肋嵌補段的豎向裂紋,首要由于縱橋向彎矩發生的循環主應力引起的。一般縱肋工地對接方位能夠選用焊接和栓接兩種方式。當選用焊接方式時,通常選用鋼襯墊板輔助焊接。由于加工偏差,裝置鋼襯墊板往往與相同較薄的縱肋壁板不密貼,簡單導致定位焊縫里存在焊接缺陷,并且在焊根處發生較大的應力會集。此外,嵌補段的焊接工藝一般為仰焊,焊接質量不簡單保證。該對接焊縫方位裂紋形狀或許會有兩種,如圖5。

          縱肋與橫隔板焊接處疲憊裂紋

          從正交異形板的第二體系來看,縱肋和頂板能夠視作彈性接連支承在橫梁上的接連梁。在車輛輪胎荷載的作用下,頂板和縱肋發生撓曲變形,變形協調帶動橫隔板發生縱向面外變形和橫向面內變形。由于縱肋側壁腹板部分受到約束,引起與橫隔板開孔相交處部分應力會集,然后發生疲憊開裂。

          橫隔板弧形切斷母材處疲憊裂紋

          為了釋放縱肋撓曲帶來的橫隔板約束變形,在橫隔板縱肋經過的下方設置弧形切斷??墒?,開孔后使得橫隔板上弧形切斷邊際簡單構成應力會集部位,然后形成該處母材疲憊開裂(如圖6)。除此之外,焊接剩余應力也是影響疲憊開裂的重要因素。有關文獻標明,橫隔板挖孔邊際處存在切向的剩余拉應力,峰值能到達200MPa。

          疲憊裂紋修正技能

          鉆孔止裂法

          相關研討指出,在必定孔徑規模內,止裂作用跟著止裂孔孔徑的增大而變好。別的,附加孔能明顯延伸結構疲憊壽數,但不會改變裂紋擴展速率。

          國內學者付炳寧對足尺鋼橋面板模型的某一U肋拼接段疲憊裂紋,進行止裂孔修正實驗研討,經過釋放裂紋頂級的應力水平,到達阻撓疲憊裂紋擴展。此外,Duprat等提出,對止裂孔進行冷擴處理或往孔內植入直徑稍大于孔徑的栓釘,能夠延緩疲憊裂縫再次萌發。日本學者Uchida提出,在孔中置入螺栓,經過預緊力下降止裂孔附近的峰值應力,可進步裂縫修正作用。

          可是,鉆孔止裂會削弱原構件截面,然后或許形成強度損壞。Choi等在相關實驗中,僅進行1.5萬次循環荷載,便發現新的疲憊裂紋在止裂孔邊萌發并擴展,止裂作用較差。

          加補強鋼板法

          關于鋼橋面板U肋與頂板焊縫開裂,國內外學者提出在相鄰U肋間設置裝配式倒U形構件或角鋼進行加固,添加橫橋向剛度,下降此銜接處的應力幅值。其他學者則在橫隔板與U肋側邊張貼角鋼,或在U肋底邊與橫隔板螺栓銜接角鋼,用以固定U肋與橫隔板之間的切斷,控制該部位的變形,然后進步修正功率。而針對橫隔板弧形開口處疲憊裂紋,國內學者李傳習等提出,弧形切斷優化+雙面補強鋼板的計劃。有限元分析標明,弧形切斷及橫隔板與U肋銜接處應力有明顯改善作用,且對補強以外稍遠部位應力影響可疏忽,補強鋼板尺度可統一,其邊際距U肋宜取30mm,其厚度宜取4mm。

          選用高強摩擦螺栓銜接可進步開裂方位與補強板的整體性,雙面加固不僅進步結構的剛度,還可防止不平衡受力對結構形成影響。但在原結構上添加補強鋼板會形成端部截面剛度變化不接連,且螺栓制孔會引入新的應力會集。此外,若疲憊裂縫較多,選用鋼板補強會添加額外恒重。

          熱修正辦法

          部分學者根據疲憊實驗提出,TIG重熔法修正深度小于5~6mm的焊趾疲憊裂紋能取得較好的修正作用,TIG熔修處理后的疲憊強度進步70%,疲憊壽數進步5~8倍。但是,焊接法是現場施焊,其焊接質量及焊接后的焊縫處理不及工廠操作,最終留存的雜亂剩余應力簡單引起部分蠕變損害和應力腐蝕開裂。

          機械修正法

          在超聲波沖擊法(UIT)研討方面,Sougata等對18個全尺度W27×129軋制梁試件進行了超聲沖擊處理,使焊接橫向加強筋和蓋板細部疲憊功能得到增強。國內學者王麗等對鐵路大跨度斜拉橋中兩種新式結構細節,進行不同應力幅下的疲憊實驗。結果標明,經超聲波錘擊后,試件的200萬次疲憊強度有明顯進步,為原狀試件的2倍以上。

          在裂紋閉合沖擊改善技能(ICR)方面,日本學者提出了選用設備沖擊疲憊裂縫以及裂縫兩端,使裂縫閉合的技能。袁周致遠等經過展開鋼箱梁疲憊裂紋沖擊裂縫閉合修正實驗(如圖7)提出,ICR修正后能夠下降裂紋沿深度和長度方向的擴展速率,對遏止疲憊裂紋擴展起到促進作用。但是其驗證和使用仍存在缺乏,特別沖擊力度和次數尚無可靠根據。

          鋼纖維混凝土鋪裝改善法

          針對頂板與U肋焊縫處發生的疲憊裂縫,可選用加筋水泥基資料或者高功能混凝土,作為鋼橋面鋪裝層進行修正,代替原有剛度較小的瀝青混凝土鋪裝層,經過剪力釘或結構膠與下層既有鋼橋面板構成組合橋面板共同受力,以期下降焊縫處疲憊應力幅。根據此理念,荷蘭代爾夫特理工大學提出選用加筋高功能混凝土(RHPC),日本學者提出鋼纖維增強混凝土(SFRC),兩種鋪裝體系均得到了較好的使用。國內學者邵旭東等提出,選用正交異性鋼板一薄層超耐性混凝土(STC)組合橋面板結構(如圖8),對鋼橋面板進行修正加固。經過對混凝土的高溫蒸養消除混凝土收縮帶來的不利影響,可使焊縫處疲憊應力幅大幅下降。該技能已使用于多座鋼橋面修正工程中。

          夾芯板(SPS)結構體系法

          夾芯板加固結構體系(SPS)是將新鋼板經過一層環氧樹脂或聚氨酯資料,張貼在既有正交異性鋼橋板上,以修正疲憊裂紋?,F在已有一些橋梁選用此辦法。國內學者崔春雷等的研討標明,與加固前相比,在不發生新的焊接剩余應力的情況下,SPS加固橋面的抗疲憊功能明顯進步。但是,高溫會對夾層資料與鋼板之間的粘結功能發生不利影響。

          纖維增強復合資料加固法

          相較于普通碳纖維(CFRP)修正疲憊裂紋,選用高彈性模量乃至超高模量的CFRP覆蓋裂紋外表更具優勢,并且跟著張貼層數的添加,疲憊修正功率也隨之進步。需求指出的是,CFRP—鋼粘結接頭仍是發生失效的最薄弱環節,其膠層耐久性問題有必要高度重視。但是關于這種非預應力粘結加固體系中,恒載并不傳遞到CFRP板上,只有一部分活載傳遞到CFRP板上。而預應力CFRP加固鋼結構在力學上比非預應力加固更有優勢,由于它們能夠減小鋼構件中的永久拉應力,經過下降均勻應力水平然后添加被加固構件的疲憊壽數。但是,雖然如此,卻很少有人嘗試用預應力粘結加固(PBR)體系。這是由于該體系中的預應力水平不能過高,不然纖維資料就會與鋼構件之間過早地發生粘結失效。

          作為PBR的代替計劃,瑞士Ghafoori等提出一種使用機械端錨的預應力無粘結加固(PUR)體系。研討標明,預應力碳纖維板完全阻撓了疲憊裂紋擴展,并且在750萬次荷載循環后,既未觀察到機械夾具的滑移,也未觀察到任何預應力丟失。并且他們進行了兩種體系加固受損鋼梁的疲憊實驗,發現PBR體系中碳纖維板存在部分應力會集,而PUR體系中碳纖維板具有均勻的應變散布??梢?,預應力無粘結加固體系能夠在較高的預應力水平下表現出更好的疲憊功能,且會大幅下降延性。

          Bassetti等從一座91年前史的撤除橋梁上取下三根鉚接十字梁,經過在橫梁下翼緣上外表張貼2塊CFRP板和在下外表錨固預應力CFRP板來進行加固(如圖9所示),有用抑制了鋼梁鉚釘孔微裂紋的疲憊擴展。Miller等使用CFRP板對既有鋼橋主梁進行加固,經荷載實驗,銹蝕鋼梁的整體剛度進步了11.6%。

          Sen等使用實驗和有限元分析,驗證了CFRP環氧樹脂復合板加固鋼混組合梁的可行性,并且能夠進步疲憊壽數。Moy等選用超高模量CFRP板成功加固倫敦地鐵阿克頓橋后,測得活載應力下降了24%。Ghafoori等用預應力無粘結加固體系(PUR),對瑞士一座120年前史鐵路鉚接鋼梁橋進行加固。測驗結果標明,預應力碳纖維板下降了活載的均勻應力,并且環境溫度的升高將導致碳纖維板的應力水平增大,但增幅不大。Hosseini等在澳大利亞DiamondCreek公路橋監測無應力粘結體系(BR)加固作用。經過現場車載實驗,橫梁底部拉應力減少了15%。

          由于鋼材和碳纖維布熱膨脹系數不匹配,無預應力粘結碳纖維布板的溫度變化會引起明顯的熱應力循環。在規劃實踐粘結碳纖維加固計劃時,有必要考慮這些循環應力。在正交異性鋼橋面板疲憊加固方面,沒有有實橋使用,但存在理論與實驗研討。李傳習等對張貼CFRP板加固,及未加固的含人工缺陷弧形缺口細節的疲憊功能進行比較研討。結果標明,若以疲憊裂紋長度6.5mm作為損害容限,單面張貼CFRP加固含缺陷弧形切斷的疲憊壽數為未加固切斷的8~15倍。王秋東等針對鋼箱梁頂板與豎向加勁肋焊接接頭疲憊細節,選取了3個已有焊趾疲憊裂紋的部分足尺試件作為研討目標。結果標明,CFRP補強法可顯著進步疲憊裂紋的擴展壽數;在CFRP補強的根底上進行鉆孔或裂紋焊合處理,可進一步下降疲憊裂紋的擴展速率。綜上可見,選用CFRP加固鋼結構疲憊裂紋有很好的作用,可為加固正交異性鋼橋面板疲憊裂紋提供必定參考。

          引入形狀回憶合金的可行性研討

          雖然CFRP已被證實有用,但在一些情況下施加預應力需求空間和設備(例如液壓驅動裝置),因而人們考慮引入形狀回憶合金來提供預應力。

          最早被土木工程領域關注的是鎳鈦形狀回憶合金(NiTiSMA)。Shimamoto等將預緊的SMA纖維嵌入到一側有裂紋的環氧樹脂片材中,并加熱SMA。SMA發生的康復應力能夠經過添加環氧樹脂的壓應力來減小裂紋頂級應力。Tsoi等初步得出了該復合資料能發生115MPa的康復應力。休斯頓大學El-Tahan等開發了一種用于修正疲憊損害鋼構件的SMA-CFRP補片。實驗標明,對預應變為0.11的SMA金屬絲加熱至回憶形變完全釋放后冷卻至室溫,能夠得到約390MPa的安穩預應力,且40℃內的冷熱循環對預應力簡直無影響。隨后El-Tahan和Dawood發現,由預應力和外荷載在SMA絲發生的最大應力,低于SMA從CFRP脫膠的最大應力。在經過應力幅為預應力20MPa、50MPa和80MPa的200萬次循環荷載后,其預應力水平分別下降了8%、12%和23%。相關于其他預應力修正技能而言,該辦法不需求裝置錨固裝置或千斤頂,經過對SMA加熱或通電即可施加預應力。但是,該體系的完整性和有用性,依賴于SMA絲與CFRP貼片、CFRP貼片與鋼板外表之間的有用粘結。

          近年來,鐵基形狀回憶合金(Fe-SMA)逐漸受到重視。瑞士Empa發明了一種新式Fe-SMA筋和鋼帶(Fe-17Mn-5Si-10Cr-4Ni-1(V,C))。隨后Ghafoori研討發現,在經過高周疲憊荷載后,這種合金的剛度保持安穩不變。在循環荷載下,經過200萬次循環后,SMA的康復應力從359MPa下降到284MPa(約下降20%)。此外,Hosseini等研討了Fe-SMA在不同約束條件下的康復應力演化規則以及二次激勵下的循環行為。結果標明,雖然循環加載過程中康復應力減小,但第二次熱激活能夠康復大部分的放松康復力?,F在,關于Fe-SMA的研討首要會集在混凝土結構中,涉及鋼結構疲憊修正較少。Izadi和Ghafoori等使用Fe-SMA條加固含裂紋鋼板的試件。經高周疲憊荷載實驗標明,激活溫度為260℃時,Fe-SMA中的預應力水平規模能達330-410MPa,并且在損害鋼板中發生35-72MPa的壓應力。此外,SMA中的康復力在循環荷載下會丟失17-20%,經過二次熱激勵后能康復大部分丟失的預應力。實驗結果標明,激活的Fe-SMA條能夠為開裂鋼板提供足夠的壓應力,然后減少了鋼板受拉應力和裂紋頂級應力強度因子。Izadi和Hosseini等對由Fe-SMA加固的長6.4m的鋼梁進行了一系列靜力和疲憊四點彎曲實驗。結果標明,在100℃、160℃、260℃的活化溫度下,康復應力大約分別為160MPa、330MPa和430MPa。并且由此在下翼緣發生的壓應力規模為10-30MPa,并能夠多次被激活,乃至到達更高溫度(比初始激活溫度),這將發生更高的預應力水平。此外,激活溫度為260℃的Fe-SMA加固鋼梁能安穩接受200萬次高周疲憊荷載,實驗測驗機械錨固無滑移現象。

          現在,雖然在正交異性鋼橋面板中沒有有實踐使用,但經過這一系列根底功能研討能夠看出,選用形狀回憶合金進行疲憊加固具有較好的使用前景,有必要在結構上和耐久性問題上進行深入研討。

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