現(xiàn)代橋梁鋼結(jié)構(gòu)安全與耐久第一頁(yè)，共105頁(yè)。引言橋梁鋼結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代工業(yè)文明和先進(jìn)技術(shù)的載體，橋梁結(jié)構(gòu)有收藏歷史文化痕跡的特點(diǎn)。追求結(jié)構(gòu)的耐久性是橋梁工程師的社會(huì)責(zé)任。隨著后消費(fèi)主義時(shí)代的到來，片面追求橋梁的幾何尺度和異化外型尋求所謂的視覺沖擊，使橋梁被奢侈化，有使用功能和目的被淡化的傾向。橋梁鋼結(jié)構(gòu)耐久性的根本是減少和控制結(jié)構(gòu)的損傷，完整性設(shè)計(jì)的理念是以損傷力學(xué)為基礎(chǔ)，確定損傷容限，設(shè)計(jì)低損傷的焊接接頭和耐久的構(gòu)造細(xì)節(jié)，更理性地評(píng)定結(jié)構(gòu)的安全和耐久性。高強(qiáng)度材料并非完美無缺，缺口敏感會(huì)引發(fā)焊接接頭的脆斷和高強(qiáng)鋼絲、高強(qiáng)度螺栓以應(yīng)力腐蝕為主導(dǎo)的延遲斷裂。強(qiáng)肋弱板，板先于肋退出工作。是鋼結(jié)構(gòu)帶肋板穩(wěn)定設(shè)計(jì)的正確理念。第二頁(yè)，共105頁(yè)。1.回顧與思考1.1起點(diǎn)

1874年美國(guó)在密西西比河上建成雙層雙線公鐵兩用Eads橋，采用桁拱結(jié)構(gòu)，最大跨度158.6m，使用了含有Cr1.5%-2%，抗拉強(qiáng)度約為685MPa的低合金鋼，卷成452mm的鉚接鋼管做主要受力構(gòu)件，至今已服役136年。第三頁(yè)，共105頁(yè)。

1882-1889年，英國(guó)建成ForthBridge鐵路橋，跨度L＝521m懸臂桁架，下弦采用鉚接鋼管

2-Ф3600mm，用鋼量約54，000t，至今服役已達(dá)

121年。第四頁(yè)，共105頁(yè)。

1927年，美國(guó)建成世界上第一座全焊鋼橋，

1935年日本在國(guó)內(nèi)建成首座焊接橋。

1937年，首座由中國(guó)人設(shè)計(jì)施工的錢塘江公鐵兩用大橋建成，跨度66m，采用比利時(shí)生產(chǎn)的Cr-Cu鋼，抗拉強(qiáng)度Rm=520MPa，同年美國(guó)舊金山金門大橋建成，跨度1280m，時(shí)為世界第一。第五頁(yè)，共105頁(yè)。1.2發(fā)展冶金軋制及熱處理技術(shù)的進(jìn)步，熱械控制工藝（TMCP)的應(yīng)用使鋼材的強(qiáng)度，韌性，可焊性，冷成型性和耐腐蝕性有了極大的提高，出現(xiàn)了高性能鋼材（HPS)和橋梁高性能鋼（BPS），促進(jìn)了長(zhǎng)跨橋梁鋼結(jié)構(gòu)的輕型化和可持續(xù)發(fā)展。正在興建的意大利墨西拿海峽橋主跨達(dá)3300m，按四車道加雙線鐵路，壽命200年設(shè)計(jì)。法國(guó)米勞高架橋總成2460m，用鋼量43000t，采用HPS460ML，箱梁板厚80mm，索塔板厚120mm，日本新建的東京灣三號(hào)跨海大橋采用160+440+160m桁架結(jié)構(gòu)，BPS500和BPS700，鋼的總用量達(dá)到20000t。第六頁(yè)，共105頁(yè)。第七頁(yè)，共105頁(yè)。在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的環(huán)境下，中國(guó)最近成功建成的京滬高鐵大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋跨度為336m，6線公鐵兩用，采用國(guó)產(chǎn)Q420QE鋼；蘇通長(zhǎng)江公路大橋采用跨度為1088m的斜拉橋，它們的建成充分體現(xiàn)了中國(guó)橋梁設(shè)計(jì)的最高水準(zhǔn)。國(guó)產(chǎn)低合金高強(qiáng)度鋼（HSLA)和橋梁結(jié)構(gòu)用鋼已構(gòu)成系列。目前，我國(guó)的年鋼產(chǎn)量超過5億噸，橋梁鋼結(jié)構(gòu)的年產(chǎn)量超過200萬噸。第八頁(yè)，共105頁(yè)。

美國(guó)，日本及歐共體的HPS鋼性能對(duì)比第九頁(yè)，共105頁(yè)。鋼材類型化學(xué)組成類型板厚（mm）拉伸試驗(yàn)沖擊試驗(yàn)屈服強(qiáng)度（MPa）抗拉強(qiáng)度（MPa）試驗(yàn)溫度（℃）吸收功（J）抗拉強(qiáng)度470MPa級(jí)別鋼材0.3%Cu-3%Ni2540551202301.5%Ni-2.5%Mo503585150281極低C含量-0.3%Cu-2.5%Ni5042856403570.3%Cu-2%Ni-0.5%Cr-0.3%Mo2545559403011%Cu-1%Ni-0.05%T254745840322抗拉強(qiáng)度470MPa級(jí)別鋼材0.3%Cu-3%Ni40599666-5310極低C含量-0.3%Cu-2.5%Ni50492621-53260.3%Cu-2%Ni-0.5%Cr-0.3%Mo50549672-5319日本含鎳高等耐候鋼的典型力學(xué)性能第十頁(yè)，共105頁(yè)。第十一頁(yè)，共105頁(yè)。1.3問題焊接技術(shù)的應(yīng)用促進(jìn)了橋梁鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，也隨之帶來了新的問題。焊接熱過程使接頭區(qū)域的金屬微觀組織發(fā)生了改變的同時(shí)，產(chǎn)生了焊接缺陷和殘余應(yīng)力，降低了結(jié)構(gòu)的止裂能力和抗疲勞性能，因而，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的材料選擇，細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)以及焊接工藝提出了更高的要求。第十二頁(yè)，共105頁(yè)。1.4教訓(xùn)焊接橋梁應(yīng)用以來，世界各國(guó)因焊接接頭而引發(fā)的重大事故值得我們不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，吸取教訓(xùn)。

比利時(shí)：1939-1940年，Albert運(yùn)河上連續(xù)發(fā)生焊接橋梁的斷裂事故；德國(guó)：1971年，萊茵河Koblenz鋼箱梁橋懸臂施工底板失穩(wěn)事故；韓國(guó)：1994年，圣水大橋吊桿斷裂事故；（15年）日本及德國(guó)正交異性鋼橋面板的疲勞損傷。日本：2010年，生月大橋斜桿疲勞斷裂。（19年）第十三頁(yè)，共105頁(yè)。德國(guó)Koblenz大橋坍塌第十四頁(yè)，共105頁(yè)。損傷箇所生月大橋の損傷について損傷狀況道路の概要有料道路名生月大橋有料道路路線名主要地方道平戸生月線供用H3年7月31日延長(zhǎng)１．１ｋｍ（うち橋梁：０．９６ｋｍ）幅員５．５ｍ（６．５）ｍ?yè)p傷箇所平戸側(cè)生月側(cè)②④北側(cè)南側(cè)ひび割れ(B)の実測(cè)結(jié)果長(zhǎng)さ41cm箱型②①①③北側(cè)P7P6P5P4至生月方面至平戸方面L=960mL=212.5mひび割れ(A)の実測(cè)結(jié)果長(zhǎng)さ51cmひび割れ(A)ひび割れ(Ｂ)第十五頁(yè)，共105頁(yè)。第十六頁(yè)，共105頁(yè)。第十七頁(yè)，共105頁(yè)。第十八頁(yè)，共105頁(yè)。第十九頁(yè)，共105頁(yè)。第二十頁(yè)，共105頁(yè)。第二十一頁(yè)，共105頁(yè)。第二十二頁(yè)，共105頁(yè)。第二十三頁(yè)，共105頁(yè)。第二十四頁(yè)，共105頁(yè)。第二十五頁(yè)，共105頁(yè)。第二十六頁(yè)，共105頁(yè)。中國(guó)：建設(shè)及服役過程中有不同類型的結(jié)構(gòu)事故和病害發(fā)生，值得我們的關(guān)注和深思。正交異性板結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋64m正交異性板鋼箱梁示意圖第二十七頁(yè)，共105頁(yè)。裂紋

裂紋裂紋第①類裂紋第①類裂紋（角焊縫連接失效）裂紋裂紋第②類裂紋第③類裂紋縱肋與橫肋/橫隔板的連接部位裂紋

第二十八頁(yè)，共105頁(yè)。裂紋裂紋裂紋縱肋與面板縱向連接焊縫開裂

縱肋與橫肋連接部位弧形缺口處橫肋腹板開裂第二十九頁(yè)，共105頁(yè)。主跨310m分體式鋼箱梁橫斷面示意圖第三十頁(yè)，共105頁(yè)。橫隔板開裂

第三十一頁(yè)，共105頁(yè)。橫隔板開裂及加固焊趾處開裂及加固第三十二頁(yè)，共105頁(yè)。橫隔板開裂后的止裂及加固第三十三頁(yè)，共105頁(yè)。888m鋼箱梁橫斷面示意圖橋面板頂面縱向裂紋

縱肋與橋面板角焊縫縱向開裂

第三十四頁(yè)，共105頁(yè)。橫隔板過焊孔部位縱肋與橋面板角焊縫縱向開裂

過焊孔下端橫隔板母材開裂

嵌補(bǔ)段裂縫

橫隔板過焊孔上端焊縫開裂

第三十五頁(yè)，共105頁(yè)。橋面板疲勞裂紋第三十六頁(yè)，共105頁(yè)。局部構(gòu)造處的疲勞裂紋第三十七頁(yè)，共105頁(yè)。加固細(xì)節(jié)第三十八頁(yè)，共105頁(yè)。我國(guó)第一座鋼箱梁斜拉橋(288m)疲勞裂紋形態(tài)

U肋對(duì)接接頭處的疲勞裂紋第三十九頁(yè)，共105頁(yè)。U肋縱向焊縫引發(fā)的橋面板疲勞裂紋第四十頁(yè)，共105頁(yè)。1380m鋼箱梁懸索橋正交異性板疲勞裂紋第四十一頁(yè)，共105頁(yè)。構(gòu)造細(xì)節(jié)不當(dāng)引發(fā)的疲勞和斷裂橋面板橫向焊縫收縮而導(dǎo)致橫梁連接破壞第四十二頁(yè)，共105頁(yè)。造橋機(jī)后拉桿斷裂第四十三頁(yè)，共105頁(yè)。橋面系構(gòu)造示意拱橋立面布置圖第四十四頁(yè)，共105頁(yè)。

焊趾水平開裂，端部往腹板延伸

連接角鋼豎向開裂或斷裂

第四十五頁(yè)，共105頁(yè)。螺栓破斷，角鋼斷裂

第四十六頁(yè)，共105頁(yè)。

焊趾水平開裂，螺栓孔處腹板斜向開裂

橫梁加勁肋下端腹板開裂

第四十七頁(yè)，共105頁(yè)。焊縫冷裂紋和層狀撕裂十字接頭處母材的層狀撕裂第四十八頁(yè)，共105頁(yè)。焊縫冷裂紋第四十九頁(yè)，共105頁(yè)。環(huán)境斷裂（應(yīng)力腐蝕）支座錨桿的應(yīng)力腐蝕斷裂第五十頁(yè)，共105頁(yè)。管節(jié)點(diǎn)疲勞斷裂鋼管砼拱節(jié)點(diǎn)相貫線焊縫開裂第五十一頁(yè)，共105頁(yè)。插入式板-管節(jié)點(diǎn)的疲勞開裂第五十二頁(yè)，共105頁(yè)。第五十三頁(yè)，共105頁(yè)。插入式板-管節(jié)點(diǎn)斷裂第五十四頁(yè)，共105頁(yè)。結(jié)構(gòu)及節(jié)點(diǎn)失穩(wěn)第五十五頁(yè)，共105頁(yè)。造橋機(jī)主桁受壓弦失穩(wěn)破壞第五十六頁(yè)，共105頁(yè)。節(jié)點(diǎn)板面外失穩(wěn)破壞第五十七頁(yè)，共105頁(yè)。母材缺陷引發(fā)的焊接結(jié)構(gòu)開裂鋼管拱母材近縫區(qū)開裂鋼箱梁腹板工地焊接接頭母材近縫區(qū)開裂第五十八頁(yè)，共105頁(yè)。風(fēng)致疲勞吊桿風(fēng)致疲勞斷裂第五十九頁(yè)，共105頁(yè)。第六十頁(yè)，共105頁(yè)。大跨度鋼拱橋長(zhǎng)吊桿風(fēng)致效應(yīng)第六十一頁(yè)，共105頁(yè)。柔性索體的應(yīng)力腐蝕斷裂第六十二頁(yè)，共105頁(yè)。拱橋吊索應(yīng)力腐蝕斷裂第六十三頁(yè)，共105頁(yè)。應(yīng)力腐蝕斷裂形態(tài)第六十四頁(yè)，共105頁(yè)。1.5思考采用焊接結(jié)構(gòu)既要保證安全可靠耐久，又要具備服役過程中的可修復(fù)性。母材的性能≠焊接接頭的性能；增大焊角尺寸≠提高接頭承載能力；焊縫無損檢測(cè)≠完全控制了焊接缺欠；復(fù)雜的細(xì)節(jié)構(gòu)造≠結(jié)構(gòu)創(chuàng)新性；增大安全系數(shù)≠提高安全度；損傷是造成橋梁鋼結(jié)構(gòu)短壽的元兇，它使結(jié)構(gòu)功能退化，最后導(dǎo)致破壞。第六十五頁(yè)，共105頁(yè)。2.橋梁焊接結(jié)構(gòu)的完整性設(shè)計(jì)2.1損傷和損傷容限橋梁是一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，它的破壞不能簡(jiǎn)單歸結(jié)為承載力不足，而是由于局部損傷不斷發(fā)展所致。因而影響橋梁安全和耐久的根本原因是損傷。所有結(jié)構(gòu)從材料、加工過程到服役期不可避免地會(huì)在內(nèi)部和表面形成和發(fā)生微小缺陷，在一定外部因素（荷載、溫度、腐蝕等）作用下這些缺陷不斷擴(kuò)展和合并，形成宏觀裂紋，對(duì)結(jié)構(gòu)造成損傷而導(dǎo)致破壞，這些導(dǎo)致材料和結(jié)構(gòu)力學(xué)性能劣化的微觀結(jié)構(gòu)變化稱為損傷。第六十六頁(yè)，共105頁(yè)。損傷容限的概念是承認(rèn)結(jié)構(gòu)在使用前就帶來初始缺陷，但必須通過有效性設(shè)計(jì)的方法把這些缺陷或損傷在結(jié)構(gòu)使用期間內(nèi)控制在一定范圍內(nèi)保證結(jié)構(gòu)使用的安全與耐久性。2.2橋梁鋼結(jié)構(gòu)的損傷隨著高強(qiáng)度材料的使用所帶來的材料對(duì)損傷的敏感性；損傷往往不改變材料固有的基本力學(xué)性能但卻明顯改變了破壞形式，彈塑性材料呈現(xiàn)脆性破壞的形式，同時(shí)表現(xiàn)在低能量破壞，盡管應(yīng)力水平不高，危險(xiǎn)性卻特大；第六十七頁(yè)，共105頁(yè)。損傷分類：材料損傷——材料生產(chǎn)過程中帶來的缺陷（分層非金屬夾雜物等冶金缺陷）；材質(zhì)改變——焊接熱過程使焊接接頭區(qū)附近母材（HAZ）強(qiáng)度提高，塑性韌性下降；工藝損傷——加工制造過程，施工過程的缺陷如焊接缺陷，特別容易由不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合而發(fā)生（鋼管拱節(jié)點(diǎn)采用肋鈑加勁，導(dǎo)致疲勞壽命降低2/3）；結(jié)構(gòu)不良細(xì)節(jié)—結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)先天不足而帶來的嚴(yán)重幾何應(yīng)力集中；JSSC（日本鋼協(xié)）橋梁鋼結(jié)構(gòu)焊接裂紋統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：因結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)不良占47％，因加工工藝占31％，因材料占17％，因其它占5％，可見細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)的重要性?！続WSD1.1中對(duì)吊耳附連件構(gòu)造細(xì)節(jié)了（臨時(shí)或永久性設(shè)計(jì)）可能引發(fā)疲勞裂紋的提醒，應(yīng)引起充分的重視】

圖中裂紋在焊縫端部向構(gòu)件延伸第六十八頁(yè)，共105頁(yè)。2.3焊接結(jié)構(gòu)的完整性設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)條件—使用要求，使用環(huán)境與使用壽命；關(guān)鍵構(gòu)造細(xì)節(jié)—簡(jiǎn)捷的傳力系統(tǒng)，安全耐久的構(gòu)造形式，方便制造、安裝和使用維護(hù)的設(shè)計(jì)；材料及焊接接頭選擇—材料強(qiáng)度與韌性，焊接接頭設(shè)計(jì)，焊接性和可檢測(cè)性分析；制造工藝控制—焊接工藝評(píng)定，焊接應(yīng)力與變形控制，焊接缺陷預(yù)防；疲勞與斷裂控制—荷載與環(huán)境條件，損傷容限分析，疲勞壽命評(píng)估；使用與維護(hù)要求—損傷監(jiān)測(cè)，維修規(guī)程，完整性評(píng)價(jià)；經(jīng)濟(jì)合理的工程造價(jià)。第六十九頁(yè)，共105頁(yè)。完整性評(píng)定方法英國(guó)中央電力局（CEGB）R6評(píng)定方法（2000—帶缺陷焊接結(jié)構(gòu)的完整性評(píng)定：Kr=K/Kmax

；Lr=P/PL(σy)Kr－脆性破壞敏感參數(shù)；Lr－塑性破壞敏感參數(shù)；K－斷裂驅(qū)動(dòng)力；Kmax－斷裂阻力；P－作用載荷；PL－帶缺陷的極限載荷；歐洲統(tǒng)一工業(yè)結(jié)構(gòu)完整性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)（SINTAP2000)、英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（BS7910-1999）及美國(guó)API579推薦評(píng)定方法的應(yīng)用。第七十頁(yè)，共105頁(yè)。3.焊接接頭3.1焊接接頭的力學(xué)性能不均勻性第七十一頁(yè)，共105頁(yè)。3.2焊接接頭工作應(yīng)力的非均勻性（應(yīng)力集中）結(jié)構(gòu)上的幾何應(yīng)力集中和焊縫缺口敏感第七十二頁(yè)，共105頁(yè)。對(duì)接接頭應(yīng)力分布第七十三頁(yè)，共105頁(yè)。3.3焊接接頭力學(xué)性能的匹配第七十四頁(yè)，共105頁(yè)。3.4拘束應(yīng)力對(duì)T形和十字接頭的影響第七十五頁(yè)，共105頁(yè)。第七十六頁(yè)，共105頁(yè)。3.5焊縫內(nèi)部缺陷對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響第七十七頁(yè)，共105頁(yè)。3.6焊后處理對(duì)疲勞強(qiáng)度的改善第七十八頁(yè)，共105頁(yè)。焊趾修磨第七十九頁(yè)，共105頁(yè)。焊趾錘擊第八十頁(yè)，共105頁(yè)。焊趾TIG重熔（鎢極惰性氣體保護(hù)重熔）技術(shù)第八十一頁(yè)，共105頁(yè)。第八十二頁(yè)，共105頁(yè)。第八十三頁(yè)，共105頁(yè)。第八十四頁(yè)，共105頁(yè)。第八十五頁(yè)，共105頁(yè)。第八十六頁(yè)，共105頁(yè)。3.7正交異性板的構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)第八十七頁(yè)，共105頁(yè)。第八十八頁(yè)，共105頁(yè)。第八十九頁(yè)，共105頁(yè)。日本“公路鋼橋的疲勞設(shè)計(jì)指南”對(duì)正交異性板的構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)有如下要求：

U肋和橋面板的焊接接頭第九十頁(yè)，共105頁(yè)?？v肋穿過橫梁的構(gòu)造細(xì)節(jié)及焊縫要求第九十一頁(yè)，共105頁(yè)。橫梁拼接處的細(xì)部構(gòu)造要求第九十二頁(yè)，共105頁(yè)。容易發(fā)生疲勞裂紋的部位第九十三頁(yè)，共105頁(yè)。3.8相貫連接管節(jié)點(diǎn)的疲勞設(shè)計(jì)相貫節(jié)點(diǎn)主腹桿交匯類型：X、T、Y、N、K、KT等第九十四頁(yè)，共105頁(yè)。受力特點(diǎn)

主管受力復(fù)雜，除軸向力外，尚有環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力。主腹管連接處幾何應(yīng)力集中嚴(yán)重，HHS的SFC可高達(dá)10～20.破壞形式不再以單一形式表現(xiàn)，主要有沖剪、局部變形及弦管失圓（0.03d）形式，其承載力效率低為突出特點(diǎn)，在交變載荷作用下，受弦管剛度的影響，管節(jié)點(diǎn)的抗疲勞能力幾乎是各類結(jié)構(gòu)中最低的。HHS節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中第九十五頁(yè)，共105頁(yè)。

HSS節(jié)點(diǎn)的S-N曲線對(duì)所有類型的管節(jié)點(diǎn)（T.Y.K)通用。IIW，ECCS，AWS建議對(duì)應(yīng)力幅S采用熱點(diǎn)應(yīng)力，但也可以使用名義應(yīng)力或沖剪應(yīng)力。對(duì)同一構(gòu)造細(xì)節(jié)AWS、API、DNV、ECCS、IIW，各家提供的S—N曲線略有差別。第九十六頁(yè)，共105頁(yè)。插入式板-管節(jié)點(diǎn)在相關(guān)疲勞規(guī)范中屬于強(qiáng)度很低的細(xì)節(jié)，謹(jǐn)慎使用。鋼管砼節(jié)點(diǎn)的疲勞設(shè)計(jì)CFST節(jié)點(diǎn)由于砼的作用有效提高了節(jié)點(diǎn)剛度（徑向變形僅為HSS的1/10)，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到了緩解。試驗(yàn)證明：帶肋板的相貫節(jié)點(diǎn)，由于應(yīng)力集中和焊接缺陷，疲勞裂紋在腹管與肋板連接處發(fā)生，疲勞破壞轉(zhuǎn)移到腹管上，其壽命僅為不設(shè)肋板的1/3。顯然，節(jié)點(diǎn)不設(shè)肋板，是保證節(jié)點(diǎn)抗疲勞性能的重要條件。管節(jié)點(diǎn)相貫連接，焊縫類型設(shè)計(jì)應(yīng)按部份熔透型或全熔透型要求。第九十七頁(yè)，共105頁(yè)。相貫連接焊縫的焊后修磨處理，是保證節(jié)點(diǎn)耐勞性能的必要條件。