钢结构桥梁疲劳2019年度研究进展

张清华，崔闯，卜一之，李乔，夏嵩

(西南交通大学 土木工程学院，成都 610031)

钢结构桥梁以其轻质高强、跨越能力大、易工厂化制造和便于装配化施工等突出优点，在现代桥梁工程中得到了广泛应用，但中国钢结构桥梁的发展和应用长期滞后于欧美和日本等发达国家。在交通强国战略深入推进的时代背景下，中国将大力推广钢结构桥梁建设，推动钢结构桥梁向“绿色、环保、可持续”方向发展：国务院政府工作报告中明确提出积极推广绿色建筑和建材，大力发展钢结构；交通部在“十三五”规划中指出加快推进钢结构桥梁的发展应用。钢结构桥梁是未来一段时期中国桥梁工程的重要发展方向。

但由于服役环境、荷载条件和交通需求、结构体系和构造细节设计等诸多因素耦合影响，钢结构桥梁疲劳开裂并导致结构服役性能显著恶化甚至直接导致灾难性事故的案例，在全球范围内频发且呈逐年上升态势，已成为制约钢结构桥梁服役安全和服役质量的世界难题。疲劳问题作为钢结构桥梁的基本问题之一，一直是桥梁工程界的热点研究课题[1-7]。高速、重载的发展方向对在役和新建钢结构桥梁的实际抗疲劳性能提出了更高的要求，大量在役钢结构桥梁的实际性能随服役时间的延长而不断劣化，如何通过理论研究、模型试验和实桥监测深化对于钢结构桥梁疲劳问题基本属性和失效机理的认识，引入先进的抗疲劳设计理念、制造技术和疲劳损伤监测与检测技术，发展高疲劳抗力新结构，建立钢结构桥梁服役过程性能劣化控制方法与智能监测系统，解决新建和在役钢结构桥梁的疲劳性能不足与性能需求不断提高之间的突出矛盾，是桥梁工程界亟需解决的关键问题。学者们围绕钢结构桥梁疲劳损伤演化与服役性能劣化机理、钢结构桥梁疲劳抗力评估与预测、钢结构桥梁疲劳裂纹监测与检测方法、疲劳开裂加固与维护技术等诸多方面开展了卓有成效的研究，主要对2019年学者们在上述方面所取得的研究进展进行梳理和总结，明确当前的研究现状、待解决的关键问题以及下阶段的研究重点和发展方向。

1 疲劳损伤演化与服役性能劣化机理

学者们对钢结构桥梁疲劳损伤演化与服役性能劣化机理开展了卓有成效的研究，研究内容涵盖构造细节疲劳失效机理与疲劳抗力提升机制、钢结构桥梁疲劳可靠度、钢结构桥梁疲劳裂纹扩展特性和服役性能劣化机理等方面。

1.1 疲劳失效机理与提升设计疲劳抗力

在钢结构桥梁构造细节疲劳失效机理与疲劳抗力提升机制方面，周绪红等[2-3]和张清华等[8]针对纵肋与顶板构造细节和纵肋与横隔板交叉构造细节开展了试验和理论研究，明确了其受力特性和实际疲劳抗力。为了提升钢结构桥梁构造细节的疲劳性能，提出了增大焊缝熔透率和镦边纵肋等方法，但试验和理论研究均表明[8-10]：虽然引入镦边纵肋能够提高顶板焊趾开裂模式的疲劳抗力，但无法改善顶板焊根这一疲劳易损部位的疲劳抗力。为了提升纵肋与横隔板交叉构造细节的疲劳性能，提出了优化横隔板开孔形式和设置内隔板等方法，研究表明[3,11]：优化横隔板开孔形式可以有效改善弧形开孔的局部应力集中问题，提高横隔板弧形开孔位置的疲劳抗力；设置内隔板虽能够提高纵肋腹板焊趾开裂模式的疲劳抗力，但施工困难且可能引发纵肋内焊机器人不能进入纵肋进行内侧焊缝施焊等问题。聂建国[1]和张喜刚等[5]明确指出发展高性能结构是实现中国工程结构可持续发展的必由之路。深化钢结构桥梁疲劳损伤机理的认识，并据此发展高性能新型构造细节和高性能结构，有效提升结构体系的疲劳抗力，是解决钢结构桥梁疲劳开裂问题的有效途径和当前的研究重点。

图1 高性能新型正交异性钢桥面板结构及其疲劳开裂模式Fig.1 High performance new orthotropic steel bridge panel structure and its fatigue cracking mode

另外，在钢结构桥梁疲劳可靠度和疲劳裂纹扩展特性等方面，李杰[12]在对工程结构整体可靠性研究的基础上，建立了工程结构可靠性理论分析的新体系。李传习等[13]和李爱群等[14]基于可靠度理论对随机车辆荷载作用下钢桥面板的疲劳可靠度进行了评估，确定了运营荷载和构造细节设计等因素对钢桥面板疲劳可靠度的影响规律。卜一之等[15]和张清华等[16]建立了三维疲劳裂纹扩展模拟方法，对钢桥面板的疲劳裂纹扩展特性进行了系统研究，得到了其疲劳裂纹扩展规律。

1.2 疲劳抗力劣化机理与服役性能劣化

黄云等[17]针对表面缺陷对构造细节疲劳抗力劣化效应的影响问题开展了探索性研究，结果表明，初始制造缺陷是决定构造细节疲劳抗力的控制性影响因素。但当前关于初始制造缺陷对钢结构桥梁疲劳抗力劣化问题研究仍较为欠缺，亟需开展深化研究。在钢结构桥梁的加工制造过程与疲劳抗力的相关关系方面，黄云等[17]和Cui等[18]对于制造过程中产生的初始制造缺陷和初始残余应力所致的钢结构桥梁疲劳抗力劣化与失效机理问题进行了深入研究。由建造技术和方法所决定，钢结构桥梁焊接节点不可避免地存在初始制造缺陷和焊接残余应力。初始制造缺陷在细观尺度上所导致的几何不连续、应力集中和局部塑化，是显著降低疲劳裂纹萌生寿命并导致构造细节过早发生疲劳失效的关键。Cui等[18]从初始制造缺陷的细观尺度形态特性和微观金相组织形态特征出发，建立了从疲劳微裂纹成核、萌生到宏观裂纹扩展失效的大跨度钢结构桥梁焊接节点跨尺度疲劳损伤评估模型，揭示了初始制造缺陷对钢结构桥梁焊接节点疲劳抗力的劣化机理，结果表明：对于裂纹萌生寿命占绝对主导的钢结构桥梁，初始制造缺陷可导致疲劳抗力降低高达80%以上，典型分析结果如图2所示。对于焊接残余应力，研究表明，在外部车辆等交变荷载的作用下，焊接残余应力将逐步消散，消散过程由外部循环荷载幅值、应力比等参数所决定，如图3所示。总体而言，该因素对钢结构桥梁疲劳抗力的劣化效应显著小于初始制造缺陷所致劣化效应。

图3 初始焊接残余应力在外荷载作用下的耗散机制Fig.3 Dissipation mechanism of initial welding residual stress under external load

在外部腐蚀环境特性对钢结构桥梁疲劳损伤与服役性能劣化的效应机制方面，卫星等[19]、Jie等[20]、Macho等[21]研究了人工预腐蚀和复杂应力场交互作用下构件连接部位的疲劳性能问题，就腐蚀对于疲劳损伤的效应机制和复合型疲劳裂纹的扩展准则进行了深入系统的实验和理论研究，结果表明：腐蚀将显著加速疲劳损伤的演化过程，进行疲劳抗力评估时必须充分考虑腐蚀的劣化效应问题。高宗余等[4]指出，在海洋桥梁工程结构中，车辆荷载与复杂海洋荷载对于结构疲劳抗力的耦合劣化机理、海水腐蚀与结构疲劳损伤的交互作用机制等问题仍有待进一步研究。贾东林针对在役铆接钢结构桥梁进行的大量研究表明，在受腐蚀和反复车辆荷载的共同作用下，铆接钢桁梁桥构件和节点的疲劳抗力随服役过程的延长而不断劣化，进而导致结构体系的疲劳性能退化和剩余寿命降低，其疲劳问题本质上属于多尺度经时演化问题；腐蚀和疲劳累积损伤两种经时效应的交互作用，共同决定铆接钢桁梁桥疲劳性能的演化过程[22-23]。随着服役时间的延长，构件和节点的腐蚀与疲劳损伤相互促进，二者的交互作用将在构件和节点层面导致其疲劳开裂模式迁移，并加速疲劳抗力劣化，进而导致结构体系层面的主导疲劳失效路径迁移，疲劳性能发生经时演化，如图4所示。关于经时演化过程、关键影响因素及其效应机制等方面的研究当前正在进行中。

图4 典型在役铆接钢桁梁桥疲劳性能的经时演化过程Fig.4 Time-dependent evolution process of typical fatigue performance of riveted steel truss bridges in service

2 钢结构桥梁疲劳性能评估

2.1 疲劳性能评估方法

当前广泛采用的钢结构桥梁疲劳性能评估方法主要包括两类：基于应力幅与疲劳寿命相关关系的疲劳性能评估方法和断裂力学方法[24-35]。其中，基于线性累积损伤理论的名义应力法、热点应力法、结构应力法和切口应力法等在钢结构桥梁疲劳性能评估中得到了广泛使用[24-35]。Huang等[24]考虑钢桥面板纵肋与横肋交叉焊缝的多开裂模式和主导失效路径问题，基于热点应力法对该细节进行了寿命评估。祝志文等[25]基于实桥监测数据对钢桥面板横肋弧形开孔位置的疲劳裂纹扩展特性和失效机理进行了研究，并基于名义应力法和热点应力法对该部位的疲劳性能进行了评估，基于热点应力法确定了弧形开孔母材的疲劳强度等级(FAT125)。热点应力法能够考虑焊接结构焊趾处的应力集中效应，但计算结果易受模型有限元网格的尺寸影响。Luo等[26]采用切口应力法对钢桥面板顶板与纵肋连接构造细节的疲劳抗力评估问题进行了研究，确定了镦边纵肋与顶板焊接构造细节的疲劳抗力。Wang等[27]对钢桥面板顶板与纵肋构造细节的疲劳裂纹扩展机理进行了探究，在此基础上采用切口应力法对该构造细节的疲劳性能进行了评估。由于切口应力对焊缝部位的几何特征参数极为敏感，而在焊接过程中，焊缝的尺寸在一定的范围内波动且随机性较大，实际上难以准确确定实际焊趾部位的准确几何参数，在一定程度上限制了切口应力法的应用。Li 等[28]针对钢桥面板关键构造细节多开裂模式条件下的焊接节点主导疲劳开裂模式和疲劳性能问题进行了研究。在断裂力学方法方面，陈艾荣等[29-30]和Cui等[18]基于断裂力学，通过非线性疲劳累积损伤理论考虑多因素的耦合致损效应，对实际交通荷载作用下的钢结构桥梁的疲劳寿命评估问题进行了研究。Sun等[31-32]基于钢材金相组织微观损伤力学理论，提出了自适应的大跨度钢结构桥梁跨尺度疲劳损伤评估方法，考虑了车辆的动态响应对实桥进行寿命评估。传统断裂力学方法用于疲劳寿命评估结果的关键问题在于评估的准确性高度依赖评估模型中参数的取值，而相关参数受外界环境和结构材料基本属性的影响而具有较大的变异性，加剧了疲劳寿命评估结果的离散性。基于断裂力学和损伤力学的疲劳性能评估方法仍有待进一步研究。

在钢结构桥梁疲劳性能评估方法研究方面，黄云[33]对于随机荷载作用下因荷载相互作用而导致的裂纹扩展加速或迟滞效应问题进行了研究，引入弹塑性断裂力学理论考虑裂纹尖端塑性区的相互作用和裂纹扩展特性，建立了基于微小时间尺度的变幅疲劳裂纹扩展理论模型，提出了基于可靠度的钢桥面板构件疲劳抗力评估方法。当前的疲劳性能和评估方法研究主要聚焦于钢结构桥梁关键构造细节的单一开裂模式，通常不考虑结构体系的多疲劳开裂模式特性，因此无法确定结构体系的主导疲劳开裂模式和结构体系的实际疲劳抗力。为此，张清华等[8]基于钢结构桥梁疲劳问题的基本属性，以正交异性钢桥面板为研究对象，提出了基于主导疲劳开裂模式的结构体系疲劳抗力评估方法，并对其在钢结构桥梁疲劳抗力评估中应用的关键问题进行了系统深入的研究，证明了其适用性、先进性和优越性[8,28]，如图5所示。

图5 基于主导疲劳开裂模式的结构体系疲劳抗力评估方法Fig.5 Fatigue resistance assessment method for structural systems based on the dominant fatigue cracking mode

2.2 疲劳损伤状态预后

在既有钢结构桥梁疲劳损伤状态预后方面，Cui等[34]结合动态称重系统(WIM)的车辆实测数据，建立了车辆预测随机模型，考虑日均随机车流和焊接残余应力，建立了基于可靠度理论的钢结构桥梁疲劳损伤概率预测方法。研究结果表明：对直接承受轮载作用的钢桥面板而言，直接承受轮载作用区域的疲劳损伤远大于非轮载作用区；不考虑焊接残余应力将导致钢结构桥梁疲劳损伤评估结果偏于不安全。在此基础上，针对以往随机车流模拟中未考虑不同时段早晚高峰与日夜车辆比重差异的问题，结合实时监测交通荷载数据建立了贝叶斯综合自回归移动平均(ARIMA)模型[34]。基于该模型可考虑车桥耦合振动、铺装层温度、车速、车辆横向分布等关键影响因素的效应，实现未来一段时间内钢结构桥梁的疲劳损伤预后。在此基础上，通过集成数据处理，特征值提取、故障诊断和损伤预后等模块，初步建立了钢结构桥梁疲劳损伤智能监测与评估系统。相关研究成果在深中通道、武汉青山长江大桥、宜昌伍家岗长江大桥、济南长清黄河大桥、西江特大悬索桥、军山长江大桥等重大工程建设项目中得到了成功应用。

3 钢结构桥梁疲劳裂纹监测与检测

人工巡检仍是当前实桥的主要检测手段，通过目视辅以磁粉或渗透检测进行[35]；通过结构响应监测信息识别结构损伤是另一类常用方法[46-39]。Wei等[37]、李宏男等[38]和伊廷华等[39]通过桥梁结构健康监测系统所获取的结构响应数据反演结构的损伤状态并识别损伤。该类方法的损伤识别结果与传感器的类型和布设位置有关，在高冗余度结构的局部微小损伤监测与识别方面仍面临困难和挑战[40-41]。在桥梁健康监测领域，为降低桥梁结构的运维成本、提高桥梁结构损伤检测的时效性与鲁棒性，深度融合新一代信息技术，发展新一代桥梁损伤监测与检测技术是未来的重要发展方向[42-43]。李宏男等[44]和朱宏平等[45-46]分别构建了不同的神经网络模型，建立了监测数据与结构损伤状态之间复杂的映射关系，达到了快速识别结构状态的目的。鲍跃全等[47]和Xu等[48-49]提出了基于计算机视觉和人工智能的结构裂纹识别方法，实现了结构表面浅层疲劳裂纹的远程智能化监测。钟新谷等[50]发展了以无人飞机为工作平台的桥梁结构表面裂缝形状与宽度识别的检测系统。为检测结构内部或隐蔽裂纹，基于声发射技术的无损检测方法在桥梁结构得到了广泛应用[51]。王介修等[52]基于超声波在裂纹面处的反射与衍射原理，提出了钢结构桥梁疲劳裂纹特征参数的定量检测方法，该方法可有效检测浅层或隐蔽性裂纹的深度与扩展方向。Nowak等[53]研究了声发射传感器位置和数量等参数对疲劳裂纹回波的影响问题，通过铁路钢结构桥梁疲劳裂纹的实桥监测，阐明了声发射信号与裂纹扩展之间的内在关联机制。何燕等[54]通过试验确定钢绞线损伤过程的声发射特征，以声发射特征参数作为损伤程度指标，建立了基于声发射技术的桥梁钢绞线损伤演化过程监测系统。由于大多数基于声发射技术的检测方法易受人为操作经验、服役环境等不稳定因素干扰，且检测仅限于传感器安装位置的局部范围内。为满足大跨度钢结构桥梁长距离检测的需要，马宏伟等[55]基于混沌振子检测系统，阐明了超长距离检测条件下超声导波关键特征参数对裂纹检测结果的影响规律。上述方法适用于宏观裂纹检测，对于疲劳开裂早期微小裂纹的检测有效性仍有待进一步验证。

目前，疲劳裂纹的非人工检测方法主要包括三大类：基于应变的光纤应变传感器和薄膜传感器检测的间接损伤识别方法[56]、基于声发射技术的裂纹直接检测方法[57]以及基于计算机视觉的裂纹图像智能识别非接触式检测方法[42,58-59]。崔闯等[60]结合智能检测技术的最新发展和钢结构桥梁疲劳问题的基本属性，初步探索了钢结构桥梁疲劳裂纹定位与识别的智能化方法：1)对超声导波钢结构疲劳裂纹检测问题进行了全过程数值模拟和试验研究，结果表明，超声导波在桥梁构件裂纹缺陷定位检测方面具有良好的适用性；2)对基于纳米涂层智能传感器的裂纹监测方法进行了理论研究与数值模拟，结果表明，纳米涂层对于微小裂纹敏感度较高；3)基于计算机视觉技术的裂纹识别理论，提取了实际裂纹图像中的形态特征，与实测值的对比结果表明，计算机视觉技术在应用于疲劳裂纹测量时有较高的可靠性；4) 将深度学习引入结构损伤状态的模式识别中，用于识别和挖掘时域信号、图像信号中的损伤信息，结果表明，以监测数据为基础、以模损伤模式识别为目标的神经网络系统在实际工程中有广阔的应用前景。其在当前钢结构桥梁疲劳裂纹智能定位与识别方法的主要研究内容如图6所示。

图6 钢结构桥梁疲劳裂纹智能定位与识别方法Fig.6 Intelligent fatigue crack location and identification method of steel bridge

4 钢结构桥梁疲劳加固与维护

图7 钢结构桥梁疲劳开裂加固与维护方法Fig.7 Reinforcement and maintenance methods of fatigue cracking of steel bridge

5 结论与展望

总体而言，通过学者们长期艰苦卓绝的不懈努力，在钢桥疲劳研究领域取得了可喜进展。在当前的时代背景下，站在巨人的肩膀上，紧紧抓住交通强国战略和中国大力推广钢结构桥梁的历史机遇，引入数学、力学、理论分析、试验检测技术、加工制造技术和人工智能等领域的最新成果，在基础理论和重大工程应用两方面继续努力，进一步深化对于钢结构桥梁疲劳失效机制的认识，发展新的理论与方法，根据实际需求拓展新的研究领域，通过创新性成果为钢结构桥梁的可持续发展建立更为完备的保障体系，前景光明，但仍然任重道远。笔者认为以下几个方面的研究对于深化钢结构桥梁疲劳开裂问题本质属性的认识、提高结构体系的疲劳性能具有重要的推动作用，是下一阶段的研究重点：

1)在高性能材料应用方面，耐候钢在中国的钢结构桥梁中逐步得到推广应用，在非氯离子腐蚀环境，如极寒、高海拔地区具有广阔应用前景。近年来，中国在耐候钢制造技术方面取得了快速发展和进步，但耐候钢结构桥梁技术还处于起步阶段。亟需探究外部腐蚀环境下多物理场作用对于耐候钢结构桥梁的耦合疲劳致损机理；提高钢材的强度等级并发展高强度耐候钢，进一步推进桥梁工程的轻质、高强、大跨和耐久等多个维度的协同发展；结合高性能材料基础理论研究成果和实际需求，发展适用的自动化、智能化焊接技术，推动耐候钢结构桥梁产业化进程。

2)对于钢结构桥梁疲劳失效机理等基础科学问题的研究，下一阶段可从如下几个方面开展研究工作：① 引入先进的试验检测技术，阐明疲劳裂纹萌生和扩展过程的微观和介观机制，明确关键影响因素对于疲劳性能的效应机理；② 进一步发展评估方法，将当前的宏观尺度唯象学评估方法向介观和微观尺度拓展，研究并发展适用的疲劳抗力评估新理论、新指标和新方法；③ 将研究对象和评估方法由特定的构造细节和特定的疲劳开裂模式拓展至结构体系，进一步完善结构体系的疲劳抗力评估方法；④ 揭示腐蚀等环境因素的疲劳性能效应机制，阐明服役过程构造细节和结构体系的主导疲劳开裂模式迁移机理；⑤ 充分考虑制造和服役全过程的疲劳性能影响因素并量化其实际效应，构建面向疲劳性能的钢结构桥梁全寿命过程全息模拟和预测理论与方法。

3)在钢结构桥梁疲劳损伤监测与检测方面，当前仍主要以人工巡检的方式对在役钢结构桥梁疲劳裂纹进行定期检测，工作强度大、效率低且局限性问题突出，难以取得较好的检测效果。为克服人工巡检的弊端、保障钢结构桥梁的服役安全和服役质量，亟需发展桥梁检测新技术，实现钢结构桥梁损伤状态的实时智能监测和检测。由于钢结构桥梁的疲劳行为属于典型的局部微小区域刚度退化行为，对高冗余度钢结构桥梁整体刚度的影响极小，传统的监测或检测技术难以实现对于疲劳开裂早期微小裂纹的准确检测。发展针对钢结构桥梁疲劳微裂纹的智能化监测与检测方法，研究并建立钢结构桥梁疲劳损伤的智能监测与检测系统，是下阶段的关键研究课题。

4)在钢结构桥梁疲劳加固与维护方面，当前关于加固方法及加固体系疲劳性能的研究仍极为欠缺：① 当前的研究对象主要是非贯穿型疲劳裂纹，对于实桥中大量存在的贯穿型长大疲劳裂纹加固方法的研究仍较为欠缺；② 钢结构桥梁的疲劳开裂加固属于含裂纹加固体系的多路径、多模式体系疲劳问题，其疲劳破坏过程属于协同受力性能劣化与疲劳累积损伤演化的耦合过程，只有阐明关键疲劳易损部位疲劳开裂与加固体系协同受力性能劣化的耦合机理，才能够实现对装配式加固体系疲劳问题的深刻认识，揭示加固方法的疲劳性能强化机理；③ 当前亟需对加固体系进行由构造细节到结构体系的多维度研究，确定加固体系的控制疲劳易损部位及其主导疲劳破坏模式，阐明疲劳损伤演化与协同受力性能劣化的耦合过程，提出基于协同受力性能劣化的剩余疲劳寿命评估方法，准确评估加固体系的剩余疲劳寿命；④ 关于加固技术产业化的研究严重滞后于实际需求。亟需根据钢结构桥梁典型疲劳裂纹的扩展特性，对已提出的多种钢结构桥梁疲劳开裂加固方法进行深入研究，确定不同加固方法的适用范围，在此基础上，研发相应的装配化、规格化加固结构产品并发展钢结构桥梁疲劳开裂快速加固成套体系。