預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)壽命是工程界的難題之一。正交異性鋼橋面板的工作壽命較設(shè)計(jì)預(yù)期低得多，多發(fā)性的疲勞斷裂不但降低結(jié)構(gòu)承載力且極難修復(fù)，成為橋梁界難解的心病。其原因是荷載效應(yīng)與焊接接頭疲勞抗力不匹配。
疲勞現(xiàn)象是接頭損傷與反復(fù)荷載相互作用的結(jié)果。一方面，正交異性鋼橋面板超長(zhǎng)大密度U肋焊縫損傷分布和類型難以確定；另一方面，作用其上的移動(dòng)荷載位置、大小及頻度也不明確，因此導(dǎo)致該類橋面板的預(yù)期壽命更難確定。
解決問題的根本是實(shí)現(xiàn)低損傷、高品質(zhì)的焊接接頭。受U肋封閉構(gòu)造空間所限，與頂板連接采用單側(cè)部分熔透焊縫，使未熔透部分成為類裂紋缺口，大大降低了接頭抗力。
細(xì)節(jié)改善行為，損傷控制壽命，工藝決定成敗。國(guó)內(nèi)獨(dú)創(chuàng)的雙側(cè)埋弧全熔透焊接工藝成功用于U肋焊接，使接頭的抗疲勞可靠性大幅度提高，成為破解正交異性鋼橋面板低齡化的利器。
現(xiàn)狀：低齡化病害成難題
正交異性板鋼橋是20世紀(jì)將焊接技術(shù)用于橋梁結(jié)構(gòu)的杰出作品，它構(gòu)造合理、用料經(jīng)濟(jì)、最大限度地滿足了橋梁的復(fù)雜受力要求，廣泛地應(yīng)用于全球的橋梁工程超過70年。鋼橋面板內(nèi)焊縫長(zhǎng)度和密集度，為所有焊接結(jié)構(gòu)所不及，然而橋梁長(zhǎng)達(dá)百年的設(shè)計(jì)服役期卻是最高的焊接結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)和要求。
正交異性鋼橋面板的低齡化，主要為超長(zhǎng)U肋縱向焊縫區(qū)控制。運(yùn)營(yíng)服役期間，隨機(jī)出現(xiàn)形態(tài)、長(zhǎng)度、位置、數(shù)量難以控制的多發(fā)性縱向疲勞裂紋，不但過早地降低了橋梁的使用功能，而且修復(fù)成功率極低、修復(fù)成本極高。正交異性鋼橋面的低齡化病害已成為橋梁界尚未解決的難題。據(jù)日本在上世紀(jì)70年代的統(tǒng)計(jì)——12小時(shí)通過3000輛大型車的橋梁，橋面板發(fā)生穿透裂紋的壽命約為10年。相較而言，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)病害的時(shí)間更短。
疲勞裂紋擴(kuò)展并穿透橋面板后，在荷載作用下會(huì)加速擴(kuò)展。當(dāng)長(zhǎng)度和數(shù)量增多時(shí)，結(jié)構(gòu)的承載功能顯著降低。修復(fù)處理和加固橋面板的難度由圖3、4可見一斑。采用焊接修復(fù)短期有效，長(zhǎng)期尚未有過成功。
焊接接頭：濃縮結(jié)構(gòu)壽命的連接
焊接熱過程不但使接頭區(qū)微觀金屬組織粗化、綜合力學(xué)性能下降，而且會(huì)形成內(nèi)部和外部缺陷、咬邊、未熔透未熔合等幾何缺陷，也形成了接頭區(qū)域的力學(xué)、化學(xué)、金屬學(xué)和幾何學(xué)的不連續(xù)現(xiàn)象。幾何缺陷為斷裂力學(xué)中的“類裂紋缺口”，與焊接裂紋相同，是引發(fā)疲勞裂紋和控制壽命的最重要因素。美國(guó)國(guó)家公路合作研究計(jì)劃（NCHRP）147號(hào)報(bào)告中，總結(jié)了128根焊接鋼梁的疲勞試驗(yàn)結(jié)果，表明疲勞裂紋均源于焊縫的微小缺陷。在疲勞壽命中的很大部分，疲勞裂紋呈半橢圓形，沿板厚方向擴(kuò)展。裂紋穿透板厚的擴(kuò)展過程，約占疲勞壽命的80%～95%，具體取決于細(xì)節(jié)。從這個(gè)方面看，力學(xué)不連續(xù)所表現(xiàn)的焊接殘余應(yīng)力影響，是遠(yuǎn)小于“缺口效應(yīng)”的。
焊接接頭的疲勞抗力，與焊縫大小無直接關(guān)系，也與結(jié)構(gòu)鋼屈服強(qiáng)度無關(guān)（fy≤960MPa)，而是由焊接過程對(duì)接頭區(qū)域的損傷決定（類裂紋缺口）。
德國(guó)焊接大師D.Radaj用“最好的焊接結(jié)構(gòu)是沒有焊縫的結(jié)構(gòu)”，表明焊接接頭存在缺陷的必然性?！镀诹W(xué)》作者許金泉教授也將缺陷控制壽命的理念表述為，“萬物皆有缺陷，亦皆會(huì)自行產(chǎn)生缺陷。缺陷生滅不息，有累積之勢(shì)。其勢(shì)由強(qiáng)弱，故萬物之?dāng)?shù)各異。觀其象，察其理，形其勢(shì)，知其數(shù)，道其存焉。數(shù)相違，勢(shì)必偽，理必悖，象必妄，故貴在知數(shù)。”
U肋與橋面板間的焊接接頭呈斜T形(70°～75°)，屬T形焊接接頭?！睹绹?guó)橋梁焊接規(guī)范》(AASHTO/AWS D1.5M/D1.5)對(duì)T形接頭有如下規(guī)定：承受著繞平行于接頭軸線發(fā)生彎曲的角接和T形接頭，其焊縫設(shè)計(jì)必須避免任何焊根部產(chǎn)生拉應(yīng)力集中。T形接頭采用雙側(cè)部分熔透焊縫時(shí)，視未熔透部分為缺陷，抗疲勞性能較熔透焊縫低，其降低系數(shù)在《美國(guó)建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(ANSI/AISC 360-10) 中根據(jù)未熔透長(zhǎng)度計(jì)算，并以Rpjp<1表示。
在封閉的U肋、狹小的空間內(nèi)，對(duì)T形接頭內(nèi)側(cè)施焊，焊接工藝難以實(shí)現(xiàn)。長(zhǎng)期以來，世界各國(guó)的正交異性板均采用U肋外側(cè)施焊，形成部分熔透的單面焊縫，成為違規(guī)的特例。
預(yù)測(cè)疲勞壽命的困惑
預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)壽命是預(yù)測(cè)損傷擴(kuò)展的過程，屬工程界一大難題。橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)壽命只能用預(yù)期值。設(shè)計(jì)服役年限≥100年是結(jié)構(gòu)預(yù)期壽命，以結(jié)構(gòu)出現(xiàn)可見裂紋而無須修復(fù)為限。在明確裂紋位置和材料力學(xué)名義應(yīng)力幅水平的條件下，評(píng)定結(jié)構(gòu)壽命的方法用S-N曲線法。S-N曲線由典型的焊接接頭疲勞實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)確定。壽命可表述為：N=C·S-m
S為按材料力學(xué)方法求得的單向應(yīng)力幅，對(duì)于復(fù)雜受力體系，需作簡(jiǎn)化處理。
用斷裂力學(xué)方法預(yù)測(cè)疲勞壽命，由裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度范圍ΔK和初始損傷a0求得：
由于正交異性板上作用荷載位置和大小、頻度的不確定，橋面板結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)期的損傷分布和損傷程度也不確定，而且損傷處的名義應(yīng)力難以準(zhǔn)確計(jì)算。多種因素?zé)o法構(gòu)成確定的關(guān)系，何時(shí)、何處會(huì)出現(xiàn)疲勞裂紋，以及壽命的預(yù)測(cè)也很難準(zhǔn)確。
由于正交異性橋面板第Ⅰ體系和第Ⅲ體系所發(fā)生的應(yīng)力成正交，對(duì)疲勞互不影響，在疲勞壽命的預(yù)測(cè)上也會(huì)各有不同。
疲勞壽命的失效標(biāo)準(zhǔn)是出現(xiàn)可見裂紋，穿透性裂紋的表面長(zhǎng)度約為3倍板厚以上。
依據(jù)等疲勞損傷原則確定疲勞壽命
正交異性橋面板縱向呈多跨連續(xù)狀，多軸效應(yīng)使第Ⅲ體系活載作用的反復(fù)次數(shù)，大大超過第Ⅰ體系的主體結(jié)構(gòu)。依據(jù)等疲勞損傷的原則，當(dāng)主體結(jié)構(gòu)失效時(shí)，恒幅疲勞壽命為NⅠ，所出現(xiàn)的裂紋長(zhǎng)度aⅠ與橋面板aⅢ相同時(shí)，橋面板的恒幅疲勞壽命NⅢ>NⅠ，這樣可以避免橋面板疲勞裂紋的早期出現(xiàn)。
按國(guó)內(nèi)公路規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)疲勞車加載，假定車過橋一次，按重車多軸效應(yīng)考慮，第Ⅲ體系的加載次數(shù)為第Ⅰ體系的k倍。由于橫向加載對(duì)縱向軸距的不敏感，當(dāng)橫隔板間距定為3m時(shí)，k=2.5，恒幅加載次數(shù)NⅢ=2.5×2×106=5×106。據(jù)此，正交異性橋面的第Ⅰ體系和第Ⅲ體系應(yīng)按不同壽命進(jìn)行設(shè)計(jì)，以推遲橋面板疲勞裂紋的出現(xiàn)時(shí)間。
等損傷、不等壽命設(shè)計(jì)法也是飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)原則之一。
抗疲勞的最佳對(duì)策
焊接接頭的高品質(zhì)需要工藝來實(shí)現(xiàn)。將軋制T形鋼作為標(biāo)準(zhǔn)，確定為U肋焊接接頭追求的工藝目標(biāo)。
對(duì)焊接接頭“不求完美無缺，但求合于使用”，是國(guó)際焊接協(xié)會(huì)（IIW）制定的設(shè)計(jì)和工藝準(zhǔn)則，應(yīng)用于U肋則可具體為“力求低缺陷，追求高品質(zhì)”的工藝指標(biāo)。
采用U肋不開坡口內(nèi)外側(cè)埋弧焊接工藝，使全熔透和有效控制焊接缺陷的高品質(zhì)焊接接頭得以實(shí)現(xiàn)。U肋不開坡口焊，填充金屬量小，焊接變形和殘余應(yīng)力相應(yīng)減小。在焊劑保護(hù)下的埋弧焊，熱過程穩(wěn)定、成型好、缺陷少，且熔透率可達(dá)100%，對(duì)提高抗疲勞性能更為有利。帶肋板采用智能型裝備焊接和工廠化高效率生產(chǎn)，焊縫實(shí)現(xiàn)全長(zhǎng)檢測(cè)，使產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠。
驗(yàn)證性疲勞試驗(yàn)
通過不同模型的疲勞試驗(yàn)，驗(yàn)證了U肋全熔透焊接接頭良好的抗疲勞性能和可靠的焊接工藝，如圖17、18和表1。
細(xì)節(jié)改善行為，損傷控制壽命，工藝決定成敗。是焊接接頭抗疲勞的基本理念，也是焊接結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)理念的表現(xiàn)。
從單側(cè)到雙側(cè)焊，U肋焊接接頭性能發(fā)生了本質(zhì)的改變，全熔透雙側(cè)埋弧焊工藝的實(shí)施，使接頭品質(zhì)優(yōu)化，抗疲勞性能得到了更大的提升。實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)U肋焊接接頭、超長(zhǎng)齡期服役、低維修的目標(biāo)。體現(xiàn)了中國(guó)制造對(duì)世界橋梁發(fā)展的貢獻(xiàn)。目前該項(xiàng)工藝已經(jīng)正式使用于公路和鐵路橋，正交異性鋼橋面板抗疲勞性能的低齡化的破解，讓橋梁工程師在優(yōu)化橋面板厚度、橫隔板間距上獲得了更大的空間。使輕量化的鋼結(jié)構(gòu)更具國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。
“經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是評(píng)定技術(shù)水準(zhǔn)的重要標(biāo)準(zhǔn)”不會(huì)隨時(shí)間推移而改變。