Fe-SMA板修复桥梁横隔板裂纹的试验与数值研究

  正交异性钢桥面板由顶板、纵向加劲肋与横隔板焊接组成，具有整体性好、自重轻、承载能力大以及施工周期短等优点,已在英国的Severn桥、美国的Williamsburg桥、我国虎门大桥等数千座不同结构及形式的桥梁中得到使用，形成了较为成熟的应用体系。然而，该类钢桥面板构造复杂、焊缝众多且应力集中部位较多，在车辆荷载的反复作用下极易发生疲劳破坏，许多桥梁在投入到正常的使用中十年内即出现了大量裂纹。对多个正交异性钢桥的调查研究根据结果得出，产生疲劳裂纹数量最多的部位是纵肋与横隔板的连接处，其中横隔板弧形切口处存在比较大的残余应力和应力集中，疲劳开裂问题较为严重。

  目前，修复正交异性钢桥面板疲劳裂纹的方法最重要的包含止裂孔法、裂缝切除复焊法、正交异性组合桥面板法、局部补强法、复合止裂孔法等。其中，复合止裂孔法可以看作传统止裂孔法与局部补强法的结合，通过引入高强螺栓、碳纤维复合材料（CFRP）等方式在止裂孔处引入摩擦力或增大止裂孔处的局部刚度，在保留传统止裂孔法施工便捷性的同时，改善止裂孔部位的应力集中，有效减缓或避免二次开裂的发生。然而对CFRP施加预应力要使用到大型液压千斤顶设备和昂贵笨重的锚具，增加了施工难度和成本。

  铁基形状记忆合金（Fe-SMA）具备低温冷拉变形后受热恢复其初始形状的能力，即形状记忆效应。粘贴Fe-SMA板对横隔板弧形切口处疲劳裂纹做修复，可以在增加开裂部位局部刚度的基础上，利用其形状记忆效应在被加固结构上引入预压应力，实现交通少干扰、可更换、实施简便的高效无损修复过程，为疲劳损伤钢桥板的高效局部维护提供了一种全新修复方案。

  Fe-SMA拥有独特的热力学响应，常温下其形状被改变后能够保留较大的残余应变，它被加热到一定跃变温度后又能恢复到变形前的形状。将Fe-SMA构件固定于被加固结构后，通过升温激活Fe-SMA得到回复应力，可在被加固结构内施加预应力。对于预应力的引入，并不是特别需要在现场使用复杂的大型张拉和锚固设备，操作的流程简单，对母结构亦无损伤。Fe-SMA在强度、塑性、加工成形等方面性能优越，且生产所带来的成本相比来说较低，仅是NiTi-SMA造价的1/10左右，更适合在土木工程结构加固领域推广应用。该材料在不损伤被加固结构的温度范围内能够得到较高的回复应力，还可以通过多次加热激活来弥补长期和疲劳荷载作用下蠕变等引发的预应力加固效果损失。

  Fe-SMA加固结构的工作原理如图1所示。首先将Fe-SMA拉伸至预定应变，继而卸载使其自由收缩至剩余应变，然后将Fe-SMA构件连接到被加固结构上，被加固结构和其他构件之间的变形协调将约束其自由变形。之后升温激励Fe-SMA从而引入预应力，冷却收缩效应将使Fe-SMA构件中的应力进一步增大，在完成上述激活加固过程后，被加固结构可继续正常服役。

  研究团队自主研发了国产的Fe-SMA，有助于我国打破国际产品的技术垄断，增加中国制造在土木工程应用领域的竞争力，并降低基础设施加固整个产业链的造价，助力“城市更新”和“交通强国”的国家战路。国产Fe-SMA表现出卓越的抗拉强度和优异的延展性，Fe-SMA热轧板和冷轧板的拉伸强度分别为1136MPa与894MPa，极限应变分别为45.0%与35.5%；在4%预拉伸和150℃、200℃、250℃和300℃激活温度下得到的回复应力分别为192.3MPa、226.4MPa、270.8MPa和291.4MPa，能够很好的满足目前工程结构加固应用中针对钢板裂纹修复的需求。国产Fe-SMA材料现已具备批量生产条件，性价比明显优于国外同种类型的产品，更适用于在土木工程中的大量应用。

  正交异性钢桥面板纵横交错，焊缝众多，存在多处疲劳细节。试验中若采用桥面系模型，一方面试件的均一性很难保证，另一方面也无法确保疲劳裂缝最先发生于目标细节。因此，该文提出一种能够模拟隔板弧形切口附近受力情况的横隔板局部模型作为试验模型，如图2所示，具体几何参数如图3所示。在横隔板弧形切口边缘处预制长度60mm的裂纹，并在其端部设置直径16mm的止裂孔，裂纹所在位置对应横隔板最小截面，其截面宽度设计值为175.3mm，厚度取小跨径钢与组合结构桥梁横隔板或横梁的常用厚度12mm。

  为对比研究止裂孔法和Fe-SMA板粘贴止裂孔法对横隔板裂纹的修复效果，共设计5个横隔板试件。对于试件S-H-1，采用传统止裂孔法修复，而试件S-FH-1至S-FH-4，则用Fe-SMA板粘贴止裂孔法修复，以Fe-SMA板的激活温度和厚度作为控制变量，5种加固方案的具体参数见表1，Fe-SMA板均进行4%预拉伸处理。

  试件如图4所示。对S-FH组试件表明上进行打磨和酒精清理，均匀涂抹结构胶后，将Fe-SMA板对称粘贴至横隔板两侧，随后用压板和木工夹加压养护5天。养护完成后使用热风枪对Fe-SMA板中间100mm长度范围进行升温激活，从而在开裂局部引入预压应力。

  如图5所示，试件采用中点对称加载，采用MTS 311.31S电液伺服高性能试验机，对试件施加0-128.6kN的轴向拉伸荷载，荷载梯度为20kN/级。之后采用频率为10Hz的拉-拉正弦波荷载进行疲劳加载，应力幅值为55MPa，应力比为0.1。沿预制裂缝延长线mm范围内对称布置应变测点于横隔板两侧，采用HBM 1615B数据采集仪实时收集数据。

  用Abaqus所建立的数值模型，如图6所示，在横隔板上端部以面力的形式施加128.6kN轴向拉伸荷载，下端部设置嵌固边界约束。横隔板、Fe-SMA板和结构胶之间界面接触方式设置为“cohesive behavior”，根据测量结果，胶层厚度为1mm。选用等效温度场法在Fe-SMA的激活区域引入预应力。整个模型均采用实体单元C3D8R，横隔板上的预制裂纹则用Seam模拟。模型各组件整体网格划分精度为5mm，在横隔板止裂孔周边局部区域网格加密为1mm， 以提高计算精度。

  修复过程中升温激活Fe-SMA在横隔板上引入的预压应力在止裂孔边缘处达到最大值，随着与止裂孔边缘距离的增加，预压应力逐渐减小，在距止裂孔边缘90mm处接近0MPa。激活完成后，随着温度恢复到室温，预压应力值逐渐减小并趋于稳定，横隔板两个侧面受力均衡，所测得的预压应力值非常接近。激活Fe-SMA板在横隔板止裂孔边缘可以引入44.2～63.9MPa的压应力，能够很大程度地减少荷载作用下止裂孔边缘的应力幅和应力集中情况，极大改善横隔板弧形切口处的疲劳受力性能。在相同激活温度下，2mm厚的Fe-SMA板在止裂孔边缘所引入的预压应力，比1.75mm厚的Fe-SMA板高出约9MPa。在相同Fe-SMA板厚度下，200℃激活的Fe-SMA板在止裂孔边缘引入的预压应力比150℃激活的Fe-SMA板高出将近20MPa。

  与仅用止裂孔修复相比，粘贴Fe-SMA板显著提升了横隔板开裂局部的截面刚度，横隔板上的应力-荷载曲线斜率显著减小，止裂孔边的应力集中情况得到了明显改善。未激活时，仅粘贴1.75mm厚的Fe-SMA板可以使止裂孔边缘应力降低66.76%。激活条件下，1.75mm厚200℃激活、2mm厚200℃激活和2mm厚150℃激活的Fe-SMA板修复后，横隔板止裂孔边缘处的应力分别降低了83.93%、88.45%和81.84%。对于仅用止裂孔修复的横隔板，当距止裂孔边缘的距离小于60 mm时，横隔板上的局部应力开始大于开裂截面的平均应力，并随着距离的减小而飞速增加。激活Fe-SMA引入预压应力使得横隔板上应力保持低于未加固横隔板截面的平均应力水平。

  在止裂孔的基础上粘贴Fe-SMA板（未激活）后，由此明显地增加的局部刚度可以大大降低循环荷载作用下止裂孔边缘的应力幅，修复后横隔板的疲劳寿命是单纯止裂孔修复的3.73倍。在止裂孔的基础上粘贴Fe-SMA板并激活后，增加局部刚度和引入预压应力显著改善了横隔板裂缝处的抗疲劳性能，修复后横隔板的疲劳寿命是单纯止裂孔修复的7.35倍。激活温度为200℃时，2mm厚Fe-SMA板修复横隔板的疲劳寿命是单纯止裂孔修复的12.68倍，为1.75mm厚Fe-SMA板修复的1.72倍。Fe-SMA板厚为2mm时，150℃激活温度时横隔板的疲劳寿命是单纯止裂孔修复的10.58倍。

  根据数值模拟结果，Fe-SMA板几何尺寸中厚度参数对应力集中系数的影响最大。该板的厚度从1mm增加到3mm，在钢板上引入的预压应力由60MPa增加至105MPa，应力集中系数则由4.7降为1.1，开裂部位的局部刚度增大1.5倍，加固效果非常明显。考虑到Fe-SMA的激活速度与受热均匀性，在实际应用中建议使用2mm厚度的Fe-SMA板。

  Fe-SMA板宽度从68mm增大到75mm，应力集中系数则由3.0降为2.4，改善较为显著。当宽度继续增大时，应力集中系数降低幅度很小。因此Fe-SMA板的宽度无须过大，超过止裂孔边缘约10mm即可。对于板的长度，其粘结长度对横隔板上应力无明显影响，在未改变激活长度情况下Fe-SMA板的回复应力相同，而随着激活长度的增加孔边缘应力有增大的趋势。考虑到实际操作情况，建议激活长度为50～100mm。

  横隔板修复效果与Fe-SMA的激活温度呈正相关性，当激活温度从150℃增长到200℃，钢板孔边应力、最大主应力、应力集中系数分别减小了23%、25%、26%。激活温度越高，Fe-SMA板的应力分布越均匀。为达到良好的加固效果，使Fe-SMA板得到充分的利用，在情况允许的条件下应采用更高的激活温度。得益于Fe-SMA的形状记忆效应，预应力的引入只需在现场进行热激励，操作简单便捷，能够降低实施工程的成本。该方法已在苏通大桥等数座千米级跨江跨海大桥的实桥加固中得到应用，跟踪结果为，加固后裂纹均未发生扩展，具有理想的加固效果。

  同济大学首创的主动维护技术能及时精准地进行局部疲劳开裂修复，有很大成效避免裂缝进一步扩展，经试验、数值、理论研究及实桥应用验证，加固效果非常明显。随着国产Fe-SMA的生产所带来的成本大幅度降低，该疲劳裂缝主动修复技术的推广前景极为广阔，能为全国范围内钢桥等钢结构基础设施的疲劳裂纹修复，提供全新的有效方法和参考借鉴。