考虑温度效应的大跨度桥梁钢结构疲劳裂纹扩展研究

引言

当前桥梁设计规范主要考虑静态荷载和机械疲劳因素，对温度效应的考虑相对不足。实际工程中发现，许多桥梁结构的早期损伤都与温度应力密切相关。特别是在焊接接头、螺栓连接等应力集中区域，温度变化引起的附加应力会显著加速疲劳裂纹的萌生和扩展。

1 大跨度桥梁钢结构疲劳裂纹扩展的理论基础

1.1 疲劳裂纹扩展的基本理论与模型

在疲劳裂纹扩展是钢结构在循环荷载作用下逐渐产生并发展的过程，其理论基础主要建立在断裂力学和材料科学的基础上。对于大跨度桥梁钢结构而言，理解这一过程对评估结构安全性和预测使用寿命至关重要。

在断裂力学中，疲劳裂纹扩展通常分为三个阶段：裂纹萌生、稳定扩展和快速断裂。其中稳定扩展阶段对结构寿命影响最大，也是研究的重点。Paris 在 1961 年提出的 Paris 公式是描述这一阶段裂纹扩展速率的最经典模型：

其中，表示每个荷载循环下的裂纹扩展量，为应力强度因子幅值，和是与材料相关的常数。这一公式表明，裂纹扩展速率主要取决于应力强度因子的变化范围。近期研究表明，该模型虽然简单实用，但在考虑温度效应等环境因素时需要进行修正。

裂纹扩展行为还受到多种因素的影响，包括材料特性、应力状态和环境条件等。对于大跨度桥梁钢结构，温度变化会显著改变材料的力学性能，进而影响裂纹扩展速率。温度升高通常会使钢材软化，降低其抵抗裂纹扩展的能力；而温度降低则可能增加材料的脆性，改变裂纹扩展模式。

1.2 温度效应对钢结构疲劳性能的影响机制

温度变化对大跨度桥梁钢结构疲劳性能的影响机制主要体现在材料性能改变和热应力产生两个方面。由于震前温度变化对轨道应力影响显著，这种效应在桥梁钢结构中同样具有重要影响。

从材料性能角度看，温度升降会直接改变钢材的微观结构和力学特性。当温度升高时，钢材原子振动加剧，晶格间距扩大，导致弹性模量和屈服强度降低，材料抵抗裂纹扩展的能力随之减弱。相反，低温环境下钢材脆性增加，虽然裂纹扩展速率可能减缓，但发生脆性断裂的风险显著提高。研究表明，大跨径公路桥梁钢结构在服役过程中，温度变化会显著影响其疲劳裂纹扩展速率。这种温度敏感性与钢材的化学成分、微观组织密切相关，特别是焊接接头等关键部位表现更为明显。

热应力效应是温度影响的另一重要机制。由于桥梁结构各部位存在温度梯度，不同区域的膨胀收缩程度不一致，从而产生附加的热应力。这种热应力会与机械应力叠加，改变裂纹尖端的应力场分布。当温度波动频繁时，热应力的循环变化会加速裂纹扩展过程。值得注意的是，在大跨度桥梁中，钢拱系统和主梁等构件的温度变形会相互制约，形成复杂的应力应变关系，这使得裂纹扩展路径可能出现偏转或分叉现象。

温度效应还通过改变裂纹闭合行为间接影响疲劳性能。裂纹闭合是指裂纹面在卸载过程中提前接触的现象，它能有效降低实际起作用的应力强度因子范围。温度变化会影响裂纹面的氧化程度和塑性变形量，从而改变闭合效应的大小。高温环境下，裂纹面氧化加剧，闭合效应增强；而低温条件下，材料塑性降低，闭合效应减弱。这种差异导致相同应力条件下，裂纹扩展速率呈现温度依赖性。

从工程应用角度看，温度效应对不同结构部位的疲劳性能影响程度存在差异。焊接接头由于存在残余应力和组织不均匀性，对温度变化更为敏感；而母材区域的温度效应相对较弱。大跨径公路桥梁钢结构在施工阶段就受到温度影响[11]，这种影响会持续存在于整个服役周期。因此，在疲劳寿命评估中，需要针对不同部位建立差异化的温度修正系数。

综合来看，温度效应对钢结构疲劳性能的影响是一个多尺度、多物理场耦合的过程，涉及材料性能变化、热应力产生和裂纹闭合行为改变等多个方面。理解这些机制有助于更准确地预测实际环境下的裂纹扩展行为，为桥梁维护决策提供科学依据。

2 考虑温度效应的疲劳裂纹扩展实验与数值模拟

2.1 温度环境下的疲劳裂纹扩展实验设计

为了系统研究温度效应对大跨度桥梁钢结构疲劳裂纹扩展行为的影响，本节设计了针对不同温度条件下的疲劳裂纹扩展实验方案。实验采用标准紧凑拉伸（CT）试样，材料选用与大跨度桥梁实际用钢一致的Q345qD 桥梁钢，以保障实验结果的工程适用性 [1]。

实验系统主要由三部分组成：温度控制装置、疲劳加载系统和裂纹监测设备。温度控制采用环境箱实现，可在 - 4 0 % 至 60℃范围内精确调节，模拟我国不同气候区域的极端温度条件。疲劳加载系统采用液压伺服控制，能够施加符合 ASTM E647 标准的循环荷载。裂纹长度监测采用高精度显微镜配合数字图像相关技术，确保测量精度达到 。这种组合监测方法可以有效捕捉裂纹扩展过程中的细微变化，特别是温度波动导致的扩展路径偏转现象。

试样制备严格遵循标准规范，所有CT 试样均从同一批次钢材中取样，并经过相同的热处理工艺以消除残余应力影响。试样缺口采用线切割加工，确保初始裂纹的一致性。考虑到焊接接头是桥梁结构的薄弱环节，实验还特别设置了包含典型焊接接头的试样组，以对比分析母材与焊接区域在不同温度下的裂纹扩展差异[13]。

实验方案设计了四个温度梯度（ - 2 0 % 、 0 % 、 2 0 % 、 4 0 % ），每个温度条件下进行三组平行实验以保证数据可靠性。加载频率控制在 范围内，应力比 R=0.1，模拟桥梁实际承受的交通荷载特征。实验过程中实时记录裂纹长度、循环次数以及试样表面温度分布，为后续建立温度修正模型提供数据支持。

2.2 基于有限元的疲劳裂纹扩展数值模拟分析

参数分析表明，温度波动幅度和频率对裂纹扩展行为具有重要影响。当温度变化幅度增大时，热应力循环与机械应力循环的叠加效应更加明显，导致裂纹扩展速率加快。而温度变化频率则主要影响裂纹尖端塑性区的大小，低频温度波动会产生更大的塑性区，从而改变裂纹闭合效应。这些发现为理解实际桥梁环境下的疲劳损伤累积过程提供了理论依据。

通过系统模拟不同温度工况，建立了考虑温度效应的裂纹扩展速率修正公式。该公式在传统 Paris 公式基础上引入了温度影响因子，能够更准确地反映温度变化对裂纹扩展的加速或抑制作用。模型的应用价值在于，工程人员可以通过输入当地温度历史数据，预测特定环境下桥梁钢结构的疲劳寿命，为制定针对性的检测维护计划提供参考。

3 结束语

温度变化显著影响钢结构的疲劳裂纹扩展行为。实验结果表明，温度升高会加速裂纹扩展速率，而温度降低则起到抑制作用。这种影响主要通过改变材料力学性能和产生热应力两种机制实现。温度升高导致钢材弹性模量和屈服强度降低，同时热应力与机械应力叠加，共同促使裂纹尖端应力场强度增大。

参考文献

[1] 夏齐炜. 耐热钢CrMoCoV 表面裂纹疲劳扩展试验及考虑闭合效应的数值分析研究 [J]. 压力容器 ,2018,(2):1-7.

[2] 邓军 .CFRP 板与钢梁粘接的疲劳性能研究 [J]. 土木工程学报 ,2008,(5):14-18.

[3] 聂建明 . 基于扩展有限元的钢 -STC 组合桥面开裂性能研究 [J]. 国防交通工程与技术 ,2023,(2):18-22.