Cold Reinforcement and Evaluation of Steel Bridges with
Fatigue Cracks
Abstract: Cold reinforcement techniques refer to reinforcement methods that produce no or only low tensile residual stresses in structural details, avoiding new fatigue vulnerable details. To ensure the fatigue safety and extend the fatigue life of steel bridges, cold reinforcement techniques are proposed to stop the fatigue cracking of the critical details of orthotropic steel decks (OSDs) and web gap zones. Cold reinforcement techniques were evaluated by fatigue testing in the laboratory, in situ steel bridge case studies, and numerical fracture mechanics analysis using the extended FEM. Compared with drilling stop-holes, cold bonding of steel plates or bonding and bolting of steel angles have shown to effectively decrease local stresses, increase local rigidity, and extend fatigue lives. For in situ case studies on both a railway and a highway bridge, measured fatigue stress range spectra indicated that the bonding and bolting steel plate methods significantly enhance local rigidity and decrease local stresses. Numerical fracture mechanics results reveal fatigue stresses at the crack tip below the threshold of crack propagation.
Introduction
Steel bridges are vulnerable to fatigue cracking due to the coupled actions of increasing traffic load, corrosive environmental effect,complex stress concentration, and fabrication defect. About 90% of fatigue cracks in steel bridges were caused by out-of-plane distortion,which was a common phenomenon in steel bridges constructed before the mid-1980s. Orthotropic steel decks (OSDs) of bridges show fatigue cracking due to the structural geometric complexity, inevitable welding defects, and welding residual stress. Fatigue cracks in OSDs were first identified in the Severn Bridge in 1971; many fatigue cracks were observed only 5 years after opening the bridge to traffic. Many highway steel bridges have been built in China since the 1990s, and some of them, such as the Humen Bridge, the Haicang Bridge, and the Jiangyin Yangtze River Bridge, also face the fatigue cracking problem in OSDs, often less than 10 years after opening to traffic. Engineering practice shows that fatigue cracking is a significant factor for the safety of steel bridges.It is thus necessary to develop effective and durable reinforcement methods for these fatigue-sensitive details to ensure structural service safety and extend the service life and maintenance cycle of steel bridges.
To address fatigue problems in steel bridges, reinforcement methods are classified in this paper as “hot reinforcement” and “cold reinforcement” methods according to the temperature produced during the reinforcing process and subsequent formation of tensile residual stresses. The term hot reinforcement is used to emphasize reinforcement techniques that normally introduce significant tensile residual stresses, new fatigue vulnerable details, or secondary damage to the original structure. Hot reinforcement techniques involve welding, such as welding of new steel plates directly to the cracked areas or rewelding of cracked details . The Severn Bridge,for example, has original fillet welds of rib-to-deck detail that were removed and replaced by partial penetration welds. Traditional hot reinforcement techniques may worsen fatigue problems, and details reinforced by welding may crack again.In contrast, the term cold reinforcement is introduced in this paper to highlight reinforcement methods with no or low tensile residual Stresses or damage to the original structural details; no new fatigue vulnerable details are introduced, and less traffic interruptions are necessary because of strengthening interventions. Typical cold reinforcement methods include drilling a stop-hole, bolting a T-section steel or angle steel, bonding a steel angle using adhesives, and realizing a composite deck plate system without welding shear connectors.Kolstein drilled stop-holes at fatigue crack tips, and bolted steel plates on cracked regions of OSDs using high-strength bolts.Test results showed that the fatigue life of strengthened details was 20 times longer than that for the original detail. Walter et al. proposed casting a cement-based composite pavement on the OSD plate to replace conventional pavement. Experimental research showed that this method drastically reduced the stresses of fatigue vulnerable details. The sandwich plate system (SPS) has also been used to replace the conventional pavement to reduce the level of fatigue stresses in OSDs. Wang et al. found that the bonding steel plates using high-strength adhesives could effectively prevent fatigue crackpropagation in the OSDs of bridges. Existing research has demonstrated that the cold reinforcement methods are promising to significantly improve the fatigue performance of steel bridges.
In this paper, cold reinforcement methods are investigated for strengthening typical fatigue vulnerable details in steel bridges. The effectiveness of the reinforcement is evaluated by a full-scale fatigue test in the laboratory, in-situ case studies of two bridges, and numerical fracture mechanics analyses based on the extended FEM
Cold Reinforcement Techniques
Several research studies have been devoted to cold reinforcement techniques to study the behavior of fatigue cracks in steel bridges.Based on previous research, typical cold reinforcement techniques for steel bridges are summarized and analyzed in the following section.
Drilling Stop-Hole Method
The drilling stop-hole method is often used to stop further fatigue cracking. The method extends the fatigue life and improves the fatigue safety of cracked details that cannot be replaced when the fatigue crack is detected. This method decreases or eliminates the stress concentrati
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钢筋混凝土桥梁冷加固与疲劳裂纹评估
摘要：冷加固技术是指在结构细节中不产生或仅产生低拉伸残余应力的加固方法，从而避免新的疲劳脆弱细节。 为了确保疲劳安全并延长钢桥的疲劳寿命，建议采用冷加固技术来阻止正交异性钢板（OSD）和腹板间隙区的关键细节的疲劳开裂。 冷加固技术通过实验室疲劳测试，原位钢桥案例研究和使用扩展有限元法的数值断裂力学分析进行评估。 与钻孔堵孔相比，钢板的冷粘合或钢角的粘接和螺栓连接已显示出有效降低局部应力，增加局部刚度，延长疲劳寿命。 对于铁路和公路桥梁的现场案例研究，测量的疲劳应力范围谱表明，粘接和螺栓连接的钢板方法显着增强局部刚度并降低局部应力。 数值断裂力学结果揭示裂纹尖端以下裂纹扩展的疲劳应力。
介绍
钢桥由于交通负荷增加，环境腐蚀性，应力集中和制造缺陷的耦合作用而容易疲劳开裂。 大约90％的钢桥疲劳裂缝是由平面外变形引起的，这是20世纪80年代中期以前建造的钢桥的常见现象。 由于结构几何复杂性，不可避免的焊接缺陷和焊接残余应力，桥梁的正交异性钢甲板（OSD）显示疲劳开裂。 OSD中的疲劳裂纹首先在1971年的Severn桥上发现; 在通车后仅5年就观察到许多疲劳裂纹。 自20世纪90年代以来，中国已经建成了许多高速公路钢桥，其中一些如虎门大桥，海沧大桥和江阴长江大桥，也面临着OSD的疲劳开裂问题，往往不到10年后通车。 工程实践表明，疲劳开裂是影响钢桥安全的重要因素，因此有必要开发这些疲劳敏感细节的有效和持久的加固方法，以确保结构使用的安全性并延长钢桥的使用寿命和维护周期。
为了解决钢桥疲劳问题，根据加固过程中产生的温度和随后形成的拉伸残余应力，本文将加固方法分类为“热加固”和“冷加固”方法。 术语“热补强”用于强调通常引入显着的拉伸残余应力，新的疲劳脆弱细节或对原始结构的二次损伤的补强技术。 热增强技术涉及焊接，例如将新钢板直接焊接到裂纹区域或重新焊接裂纹细节。 例如，塞文河大桥具有原始的肋骨间甲板细节的角焊缝，并被部分穿透焊缝取代。 传统的热加固技术可能会恶化疲劳问题，并且由焊接增强的细节可能会再次破裂。相比之下，本文中引入了术语“冷加固”以突出强化方法，没有残余应力或拉伸残余应力不足或损坏原始结构细节; 没有引入新的疲劳脆弱细节，并且由于加强干预而减少交通中断是必要的。 典型的冷加固方法包括钻一个止水孔，用T型钢或角钢螺栓连接，用粘合剂粘接一个钢角，以及实现一个没有焊接剪力连接器的复合甲板系统。科尔斯坦在疲劳裂纹尖端钻出止裂孔，并使用高强度螺栓将螺栓钢板安装在OSD的裂纹区域。试验结果表明，强化细节的疲劳寿命比原始细节的疲劳寿命长20倍。 Walter等人 建议在OSD板上浇筑水泥基复合材料路面以取代传统路面。 实验研究表明，这种方法大大降低了疲劳脆弱细节的压力。 夹层板系统（SPS）也被用来取代传统的路面，以降低OSD中的疲劳应力水平。 Wang等人 发现使用高强度粘合剂的粘合钢板能够有效地防止桥梁OSD中的疲劳裂纹扩展。 现有研究表明，冷加固方法有望显着改善钢桥的疲劳性能。
在本文中，研究了用于增强钢桥典型疲劳脆弱细节的冷加固方法。 钢筋的有效性通过实验室全尺寸疲劳试验，两座桥梁的现场案例研究以及基于扩展有限元的数值断裂力学分析
冷加固技术
本文在前人研究的基础上，对钢桥梁的典型冷加固技术进行了总结和分析，在以下部分中对钢桥梁的疲劳裂缝进行了研究。
钻孔堵孔法
钻孔堵孔法常用于阻止进一步的疲劳开裂。 该方法延长了疲劳寿命，并提高了检测到疲劳裂纹时无法替代的裂纹细节的疲劳安全性。 该方法通过一定直径的光滑孔来减小或消除裂纹尖端处的应力集中。 该方法执行时没有交通中断。 但是，除非将其与其他加固方法一起使用，否则钻孔堵孔方法可能无法有效地阻止裂纹扩展。 在宾夕法尼亚州伯利恒利哈伊大学进行的研究表明，这种方法仅在平面内弯曲应力小于42 MPa和平面外应力范围小于105 MPa时才能有效地抑制裂纹扩展。 这种方法的有效性取决于在止孔的相对侧出现的疲劳裂纹的疲劳寿命，并且因此取决于孔口的直径和裂纹部件的机械性能。 许多钢桥梁腹板处的疲劳裂纹区域已经通过盲孔钻孔来处理，但是孔径明显影响了阻止裂纹扩展的有效性
冷连接板法
冷连接板方法增加了裂纹区域的局部刚度，同时降低了应力水平，防止了进一步的裂纹扩展。 该方法操作方便，经济。冷连接包括使用高强度结构粘合剂; 螺栓和自攻螺钉; 以及加强材料，例如钢板，成型钢元件，夹层板和碳纤维板。 根据疲劳裂缝区域的特点，将多种类型的冷连接和加固材料结合起来进行混合加固。 对于OSD中的筋肋焊接接头和肋骨 - 膜片焊接接头典型的疲劳裂纹，连接钢板或角钢用于加强裂纹区域，连接类型可以是粘接或螺栓连接。 对于带有变形引起的疲劳裂纹的腹板间隙区域，可以将钢角连接到法兰和腹板加强筋上。 2001年，D#39;Andrea提出了一种通过将法兰和腹板螺栓连接在一起来增加腹板间隙的刚度的方法。 然而，需要足够的刚度来防止相对偏转。 建议在每条腿上附加至少19毫米厚的背对背角或带有四个高强度螺栓的类似T型部分。 事实证明，法兰和加强筋之间的钢角度可以有效地防止腹板间隙区域的变形，从而显着降低疲劳敏感细节中的应力。 现场测试表明，在原始疲劳应变范围大于50微应变的地方，通过粘合剂进行钢角加固是有效的。 该方法显着降低了平面外应变范围并显示出良好的环境耐久性。
超高性能纤维增强混凝土OSD钢板复合系统
实现OSD板复合系统的方法不仅提高了路面性能，而且有效地提高了局部刚度，降低了OSD的应力水平。 超高性能纤维增强混凝土具有较高的抗压强度，较高的抗拉强度，较高的致密性和良好的加工性能。 在OSD的情况下，在OSD平台板上添加一层UHPFRC复合材料，增加了刚性，并导致轮毂集中载荷分布更广泛，从而显着降低疲劳相关应力，并在关键的OSD细节中局部变形。 不要将螺柱或其他连接件焊接到钢材上
甲板板，冷粘接连接件被提出来获得UHPFRC-OSD钢板复合体系。 因此，不会产生新的疲劳脆弱细节。 De Jong（2007）研究了一层粘结钢筋高性能混凝土（RHPC）在复合作用下OSD板的行为。 研究表明，在实现RHPC复合层后，OSD的肋骨和甲板板的应力水平分别降低了60％和80％。 德科尔特全面进行
用粘结复合材料层加固桥面构件的疲劳试验。 在500万次加载循环之后，甲板元件没有发生疲劳裂纹，并且在接合界面没有发生退化或剥离。 Wang等人 研究了采用不同冷连接方式的UHPFRC钢复合系统的优化设计，并分析了其力学性能。在应用中，UHPFRC复合层可以与其他冷加固方法相结合。 建议在OSD板上放置UHPFRC层以减少交通干扰。
其他冷强化方法
钢桥梁中的残余应力是不可避免的，因为钢桥梁中的大多数组件都通过焊接连接。 在使用条件下，拉伸残余应力会叠加由活载和静载引起的应力，从而影响疲劳细节中的压应力或拉应力状态。 Roy等人开发了超声冲击处理（UIT）方法来处理焊接接头。 实验研究表明，UIT增强了所有处理细节的疲劳表现。 同样，山田等人。 开发了在焊趾处产生高压缩残余应力的冲击裂纹改造（ICR）处理。 然而，如果疲劳裂纹传播到一定长度，这两种方法可能影响不大。 OSD段的甲板总是通过焊接连接，纵向肋条用螺栓连接。 对于此细节，可使用轻质砂浆，聚氨酯或泡沫来填充肋条，以增强肋条连接的刚度并降低螺栓孔边缘的疲劳应力。
低温加固方法对变形诱发疲劳裂纹的实验研究
进行全尺寸疲劳试验以分别研究通过钻孔堵塞和粘结钢角进行补强后的腹板间隙细节的疲劳性能。
测试程序
两个I形钢梁试样被设计用于非平面变形引起的疲劳试验，并被命名为试样G40-1和G40-2。试样采用Q345qC牌号钢制造，正常屈服应力为345MPa，其中q表示桥梁中使用的钢，C表示韧性质量。 确定测试样本的尺寸以有效地表示网状缝隙的实际疲劳性能。 有限元
分析表明，试样的长度对平面外变形和腹板间隙的应力状态的影响可以忽略不计。 因此，考虑到固定和加载条件以及疲劳测试的有效性，制作了600毫米长的全尺寸试样。 标称幅面间隙为40mm，实际幅面间隙（Lag）为55mm。选择负载范围以获得在0.2和0.4之间变化的平面外变形位移毫米。 然后，确定加载频率以确保整个加载设置的稳定性。 在每100,000次疲劳循环之后执行一次静态加载循环以记录裂纹长度，面外失真和应力值。
冷强化方法的有效性
腹板间隙处的疲劳裂纹主要由平面外变形引起，该变形通常从角焊缝趾部开始并传播至腹板。 当疲劳裂纹开始传播时，采用冷加固方法加强裂纹区。 分别采用钻孔加固方式和粘接钢角，并进行了全面试验，对加固方法的有效性进行了比较分析。
钻孔停止孔
试件G40-1的疲劳载荷过程分为三个阶段。 在阶段1中，平面外位移范围从0.01到0.31毫米。 第一次疲劳裂纹观察到了25万次循环。 当达到100万次加载循环时，东北侧和西南侧的裂纹长度分别发展到14和15毫米。在试样G40-1中钻出直径为14mm的第一和第二钻孔堵塞孔而不损坏应变片。 在现有研究的基础上，考虑到应变片在疲劳载荷和疲劳裂纹复合模式下获得的高应力范围水平（136 MPa），预期钻孔阻止孔的有效性受到限制（Fisher等，1990）。然而，仍采用直径为14 mm的止水孔与其他加固措施进行比较分析，这些措施对原有结构没有明显的损伤，或未妨碍未来采取其他加固措施。 另外，一个应变计接近疲劳裂纹，将在作者未来的研究中用于热点应力分析。 因此，最大可能的直径为14毫米被执行定位的停止孔，使外径刚好拦截裂纹尖端（德克斯特和欧塞尔2013年）; 否则，停止孔的边缘应该太靠近应变仪。 在阶段2中，裂纹通过东南侧的阻塞孔传播，之后又有46万次循环未能阻止疲劳裂纹扩展。组合裂纹模式I和模式III（开放和剪切），这与之前的实验结果（Alemdar 2011）一致。 当加载周期累计达到151万个周期时，第三个停止孔在位于东南侧的裂缝尖端钻探。 在
阶段3，安装稳定性差，在170万次加载循环后测试结束。
钢角的粘接
将试样G40-2粘贴钢角的方法。 角度与试样G40-2的裂纹区结合。角度的厚度，宽度和深度分别为12,140和110mm。 在粘合角度的过程中，首先制备粘合剂。 然后角度的接触表面以及加强件和凸缘被抛光。 将粘合剂涂覆在凸缘和加强件的接触表面上，并借助于固定装置将角度固定，直到粘合剂完全硬化。
试件G40-2的疲劳载荷过程也分为三个阶段。 在阶段1中，位移范围从0.02到0.25毫米。 当载荷周期达到270万时，西南，西北和东南侧的疲劳裂纹长度分别为38,46和8 mm，这影响了测试装置的稳定性。 暂时停止疲劳载荷，并在试样上粘合四个钢角。在阶段2中，加载周期为370万次，而未观察到裂纹扩展或新的裂纹萌生。 面外失真和应力振幅处于显着较低的水平，这表明了角度键合方法的有效性。 然后，样本G40-2在2014年1月至6月期间受到当地环境条件的影响（温度范围为-4至
37°C），位于中国西安市，属半蒙古季风气候。 此后，在阶段3期间再次进行循环加载。循环加载继续进行，并且没有裂纹扩展或新的裂纹开始。 当装载循环累计至570万时，测试结束。
出于以下原因，阻止孔不能防止试样G40-1中的疲劳裂纹扩展。 首先，尽管直径较大的堵塞孔更有效，但堵塞孔的直径必须限制在14 mm以避免应变片松动。 此外，腹板与加强件的焊缝细节应力约为136 MPa，但Lehigh大学的研究表明，钻孔堵孔方法仅在平面外应力范围小于105 MPa时才有效。 此外，对于变形引起的疲劳裂纹，裂纹模式是混合模式I，模式II和模式III（Mahmoud and Miller 2016）。由于钻孔堵塞是一种有效的方法为了抑制疲劳裂纹的扩展，模式I只是钻出与强化腹板间隙无关的堵孔效果不够好。然而，钻孔堵孔法可以作为一种临时性的方法来降低疲劳裂纹扩展速率，为应用更有效的加固方法提供时间。 关于其他方法，使用粘合剂粘合钢角度避免了法兰和螺栓加强件上的钻孔，并且该方法可以在不中断交通的情况下应用，这是经济和方便的。 OSDs疲劳裂纹冷强化方法的实验研究
测试设置
为了研究OSD冷加固方法的可行性，对全尺寸OSD元件进行了疲劳测试。样本由甲板，纵向加强筋，隔膜和底板组成。 标本的跨度为3.0米，对应于OSD中的典型膜片间距。 在横向方向上，考虑到测试装置的给定尺寸，跨度为1.0米。 标本的中跨区域是首先感兴趣的区域。 甲板和底板的厚度分别为14和16毫米，纵向加强筋和隔板的厚度为10毫米。 U形肋的尺寸为3002808毫米。 横向有五根肋条，间距为600毫米。 肋与肋的连接部分位于主跨的中跨部分，并且连接部分的长度为400mm。
冷强化方法的有效性
当装载循环累计达到328万时，观察到三个裂纹。肋骨至肋条焊缝引起的疲劳裂纹沿肋5处的焊缝传播。 为了防止裂纹扩展进一步疲劳，在裂纹1和3的尖端钻了一些止裂孔。之后可以进行额外的75,000次加载循环，并且在止裂孔的相对侧上发现新的裂纹并将裂纹命名为裂纹4和5，表明阻塞孔不能有效阻止疲劳裂纹扩展。 然后，使用高强度粘合剂将钢板粘合到Rib 5的裂纹板的底部。 钢板的尺寸（3,400 * 180 * 10mm）根据结
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