大跨度懸索橋鋼加勁梁典型病害及維修策略

曾 勇，向中富，于 福，姜學(xué)良，沈新慧，李賢仰

(1.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，中國(guó)重慶400074;2.重慶市山區(qū)橋梁與隧道工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地)，中國(guó)重慶400074;3.中交一航局第二工程有限公司，中國(guó)山東青島266071;4.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，中國(guó)陜西西安100044;5.云南省楚雄公路管理總段路橋公司，中國(guó)云南楚雄675000;6.中交第二航務(wù)工程局有限公司，中國(guó)湖北武漢430040)

正交異性橋面板鋼箱梁的疲勞開(kāi)裂的事例已在許多鋼橋中出現(xiàn)［1-3］。關(guān)于鋼橋面板的疲勞開(kāi)裂，最早出現(xiàn)在英國(guó)的Seven橋，該橋分別于1971年和1977年發(fā)現(xiàn)了疲勞裂紋。德國(guó)的Haseltal和Sinntal橋也在運(yùn)營(yíng)后不久，鋼橋面板出現(xiàn)了疲勞裂紋。此外，日本、美國(guó)、荷蘭、法國(guó)等國(guó)家也都出現(xiàn)了正交異性橋面板鋼箱梁疲勞開(kāi)裂的事例［3］。疲勞損傷破壞是大跨徑鋼橋在運(yùn)營(yíng)期間的主要病害之一。

1 鋼箱梁的疲勞損傷

正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，正交異性鋼橋面板除作為橋面外，還是主梁截面的組成部分，它既是縱、橫梁的上翼緣，又是主梁的上翼緣。由于正交異性鋼橋面板的應(yīng)力狀態(tài)非常復(fù)雜，鋼橋面板容易開(kāi)裂的部位主要是焊接連接點(diǎn)，即鋼橋面板各部件連接處的焊縫。也有因應(yīng)力集中導(dǎo)致易開(kāi)裂的部位，見(jiàn)圖1～圖6，如橫梁腹板的開(kāi)孔處［4-6］。

圖3 鋼箱梁的U肋焊縫的縱向裂紋Fig.3 Longitudinal fatigue cracks of U ribs

圖4 U肋與橫梁腹板焊縫的疲勞裂紋Fig.4 Fatigue cracks of U ribs and webs

圖5 鋼箱梁的U肋對(duì)接焊縫裂紋Fig.5 Butt weld cracks of box girders

圖6 鋼箱梁的橫梁腹板開(kāi)孔邊緣裂紋Fig.6 Cracks of web openings edge

2 油漆涂裝層的損傷

油漆涂裝層的腐蝕失效不同于金屬涂層或金屬材料的腐蝕，無(wú)腐蝕電流產(chǎn)生，所以它不是電化學(xué)腐蝕，而是物理和化學(xué)的腐蝕作用［7］。鋼箱梁涂膜劣化類型包括粉化、起泡、裂紋、脫落、生銹等5種。

鋼箱梁風(fēng)嘴加勁肋角處往往存在點(diǎn)狀銹蝕，且數(shù)量較多，見(jiàn)圖7。在底板，特別是焊縫處存在點(diǎn)狀剝落銹蝕［8］。有些地方出現(xiàn)刮傷，但數(shù)量不是很多。在橋檢車(chē)滑軌焊縫處局部出現(xiàn)條狀銹蝕，見(jiàn)圖8。

圖7 鋼箱梁底部局部點(diǎn)狀銹蝕Fig.7 Corrosion points at the bottom of steel box girder

圖8 底部焊縫局部銹蝕剝落Fig.8 Corrosion rust flaking of steel box girder

3 鋼橋面板的疲勞細(xì)節(jié)

閉口縱肋正交異性鋼橋面板構(gòu)造復(fù)雜，加工、焊接不當(dāng)難免會(huì)出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，同時(shí)大量的焊接工作中不可避免存在焊接缺陷，這些都導(dǎo)致正交異性鋼橋面板在車(chē)輪荷載作用下易產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂［9］。而我國(guó)迅速發(fā)展的交通運(yùn)輸事業(yè)使單車(chē)荷重和交通量都有顯著提高，特別是重車(chē)比例的日益增大和嚴(yán)重的超載現(xiàn)象都加劇了鋼橋面板的疲勞損傷。因此，正交異性鋼橋面板的疲勞問(wèn)題在科研和設(shè)計(jì)中都應(yīng)給予足夠的重視。

鋼橋面板容易開(kāi)裂的部位主要是各部件連接處的焊縫和有因應(yīng)力集中導(dǎo)致易開(kāi)裂的部位［9］。鋼箱梁的鋼橋面板有7種構(gòu)造需要考慮疲勞:縱肋對(duì)接焊縫;縱肋與頂板的角焊縫連接;縱肋與橫梁腹板的連接;橫梁腹板與頂板的連接;縱隔板與頂板的連接;橫梁腹板開(kāi)孔;頂板的對(duì)接焊縫(縱、橫向)。結(jié)合國(guó)外文獻(xiàn)中已經(jīng)報(bào)道的疲勞裂紋位置［2-6，9］，圖9顯示了鋼箱梁鋼橋面板易于產(chǎn)生疲勞裂紋的關(guān)鍵部位。

圖9 正交異性鋼橋面板典型疲勞細(xì)節(jié)Fig.9 Typical fatigue details of orthotropic steel deck

縱肋受彎曲和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)共同作用，其受力情況較為復(fù)雜。對(duì)于縱肋對(duì)接焊縫來(lái)講，多是由于彎曲作用導(dǎo)致縱肋底部焊縫在順橋向應(yīng)力反復(fù)作用下產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂?？v肋對(duì)接焊縫多發(fā)生垂直焊縫方向裂紋［9］。

縱肋與頂板焊縫的疲勞開(kāi)裂發(fā)生在焊縫根部，斷口穿過(guò)焊縫，也可以發(fā)生在焊縫趾部穿過(guò)縱肋腹板或頂板。

縱肋與橫梁腹板焊縫的疲勞開(kāi)裂一般發(fā)生在焊縫根部，裂紋斷口往往穿過(guò)焊縫，也可能出現(xiàn)在焊縫趾部穿過(guò)橫梁腹板。

在車(chē)輪荷載作用下，橫梁腹板平面內(nèi)將產(chǎn)生彎曲效應(yīng)，而相鄰縱肋間的橫梁腹板形成一個(gè)齒狀懸臂結(jié)構(gòu)，其在彎矩作用下，在根部產(chǎn)生可觀的水平剪應(yīng)力和豎直正應(yīng)力。

4 正交異性鋼橋面板鋼箱梁的疲勞檢測(cè)

正交異性鋼橋面板疲勞問(wèn)題比較突出，主要有以下幾個(gè)方面:

1)鋼橋面板承受車(chē)輛輪胎荷載的反復(fù)作用;

2)鋼橋面板受力復(fù)雜，交叉部位應(yīng)力集中嚴(yán)重;

3)U肋與橫隔板處的角焊縫、許多現(xiàn)場(chǎng)拼接接頭的焊接質(zhì)量不易保證;

4)鋼橋面板的應(yīng)力影響線較短，一輛車(chē)經(jīng)過(guò)會(huì)產(chǎn)生數(shù)個(gè)應(yīng)力循環(huán)。

隨著這些大跨徑鋼橋的投入運(yùn)營(yíng)，疲勞檢測(cè)維修策略已作為大跨徑鋼橋維護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究的重要內(nèi)容之一被提到議事日程。任何一座橋梁，不管設(shè)計(jì)與施工如何的完美無(wú)缺，進(jìn)入實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程以后，都會(huì)出現(xiàn)一些病害，必須用相應(yīng)的檢測(cè)維修來(lái)糾正，以保證橋梁的正常使用。鋼橋超過(guò)中年期后，病害就會(huì)增多，材料越易疲勞與腐蝕，需要越多的檢測(cè)維修。

4.1 評(píng)判既有的疲勞裂紋

可以通過(guò)目測(cè)既有的疲勞裂紋，查明發(fā)生疲勞裂紋出現(xiàn)的原因，評(píng)估疲勞裂紋的擴(kuò)展情況。

4.2 疲勞損傷程度診斷

判斷裂紋是否因疲勞引起，判斷疲勞裂紋出現(xiàn)的時(shí)間并預(yù)測(cè)其產(chǎn)生范圍，對(duì)疲勞裂紋的壽命預(yù)測(cè)。

4.3 對(duì)疲勞裂紋的評(píng)價(jià)和判斷

4.3.1 目測(cè)判斷

當(dāng)目測(cè)發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋出現(xiàn)，須采取緊急維修措施。

4.3.2 測(cè)量調(diào)查

分析造成疲勞損傷的作用應(yīng)力較大的部位，同時(shí)關(guān)注由形狀引起的應(yīng)力集中和由外曲面引起的應(yīng)力集中等部位。橋面板與橫隔板的雙側(cè)角焊縫、橋面板與U肋角焊縫、底板與側(cè)板折角處橫隔板搭接焊縫、面板與底板的縱向?qū)雍缚p是檢查時(shí)候的重點(diǎn)關(guān)注部位。

4.3.3 安全性的診斷

檢查關(guān)鍵部件是否出現(xiàn)疲勞裂紋，如果有，須對(duì)裂紋的長(zhǎng)度、寬度以及裂紋附近的應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，分析裂紋的擴(kuò)展行為，這種處理方法如圖10。

圖10 疲勞裂紋處理方法Fig.10 Repair approaches of fatigue cracks

5 鋼箱梁裂紋的修補(bǔ)

鋼橋面板開(kāi)裂所帶來(lái)的后果嚴(yán)重，首先鋼橋面板疲勞裂紋若不能得到及時(shí)修補(bǔ)，非但會(huì)導(dǎo)致鋼橋面鋪裝迅速破壞，而且會(huì)威脅行車(chē)安全，給橋梁的安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)隱患。其次鋼橋面板疲勞開(kāi)裂后維修難度大，費(fèi)用高且耗時(shí)長(zhǎng)，修補(bǔ)后的細(xì)節(jié)疲勞抗力并不能有實(shí)質(zhì)性的提高反而會(huì)降低，修補(bǔ)效果差。

鋼橋在運(yùn)營(yíng)期間進(jìn)行檢查和修復(fù)，對(duì)防止早期疲勞裂紋的擴(kuò)展和延長(zhǎng)橋梁使用壽命具有非常重要的意義。近些年來(lái)，由于歐美、日本等國(guó)己經(jīng)將橋梁維修管理中的鋼橋疲勞問(wèn)題列為重點(diǎn)對(duì)象，并在橋梁維修手冊(cè)中進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定和說(shuō)明。

鋼橋加工制造過(guò)程中的鋼材及焊縫缺陷，應(yīng)由制造企業(yè)按照質(zhì)量檢驗(yàn)規(guī)程，使用X射線和超聲波探傷等無(wú)損檢測(cè)方法加以控制。對(duì)鋼橋運(yùn)營(yíng)期間出現(xiàn)的裂紋，常用方法有目檢、磁粉探傷檢查等。發(fā)現(xiàn)裂紋后，應(yīng)由專業(yè)技術(shù)焊工及時(shí)修補(bǔ)，制止裂紋的擴(kuò)展，焊縫修補(bǔ)次數(shù)應(yīng)控制不超過(guò)兩次。

當(dāng)承受拉應(yīng)力部位的裂紋不能閉合時(shí)，應(yīng)先燒碼板，設(shè)法將裂紋拉攏，然后預(yù)熱及焊接。修復(fù)工作進(jìn)行前，應(yīng)制定相應(yīng)的修補(bǔ)方案及焊接修復(fù)工藝，焊接工藝應(yīng)進(jìn)行必要的測(cè)試和評(píng)定，對(duì)于重要部位處焊縫的修復(fù)，為慎重起見(jiàn)，應(yīng)征得有關(guān)專家的認(rèn)可后方能實(shí)施［10］。

5.1 鋼箱梁母材上的裂紋

1)表面及近表面的裂紋。先用圓弧過(guò)渡的打磨方法消除，后用磁粉探傷復(fù)檢。

2)內(nèi)部裂紋。先用超聲波探傷找出裂紋位置，再用射線探傷找出裂紋的實(shí)際位置，最后采用截?cái)喾ɑ蛲谘a(bǔ)法來(lái)處理。

截?cái)喾ㄌ幚?，適用于單一線狀裂紋。其處理過(guò)程如下:對(duì)裂紋部位作表面清理和打磨，直至露出裂紋，再用磁粉或著色或射線探傷或放大鏡判斷裂紋的走向、并換出裂紋的兩個(gè)尖端，在沿裂紋延伸直向距尖端約40～50 mm處，各鉆一個(gè)“截止孔”，然后再擴(kuò)大、補(bǔ)焊。

挖補(bǔ)法處理，常用于星狀裂紋和分枝狀裂紋的處理。其處理過(guò)程如下:先找裂紋所在區(qū)域，再用氣割挖出裂紋，所割面積比原裂紋面積每邊大40～50 mm，然后補(bǔ)以新板，或?qū)⒂辛鸭y的部位整體替換。

5.2 焊接熱影響區(qū)的裂紋

一般采用打磨法消除，并用磁粉或著色探傷確認(rèn)已無(wú)裂紋。

5.3 焊縫裂紋

用X射線或超聲波探傷找出裂紋的尖端，然后在裂紋兩端鉆截止孔，孔深稍大于裂紋深度，再除去整條裂紋，修磨成合適的坡口，用射線探傷驗(yàn)證裂紋已完全挖凈后，補(bǔ)焊。

6 鋼箱梁疲勞檢查結(jié)果的評(píng)定

對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞損傷的可靠性評(píng)定，就是發(fā)現(xiàn)鋼箱梁某部位發(fā)生疲勞裂紋后，采取何種對(duì)策以及對(duì)策的緊迫性進(jìn)行評(píng)定，判斷的內(nèi)容包括:①疲勞裂紋的累積損傷度;②疲勞損傷的“擴(kuò)展性”;③鋼箱梁的“冗余度”;④疲勞裂紋對(duì)鋼箱梁的影響程度。每個(gè)項(xiàng)目都是根據(jù)某一功能的疲勞極限狀態(tài)評(píng)定，所以疲勞評(píng)定等級(jí)是鋼箱梁構(gòu)件能否滿足某項(xiàng)功能要求的評(píng)定結(jié)果，以 A，B，C，D，E表示。

鋼箱梁某一具體部位出現(xiàn)疲勞裂紋時(shí)，先根據(jù)疲勞損傷進(jìn)展性與冗余度進(jìn)行評(píng)級(jí)，再與累積損傷度確定疲勞可靠性的評(píng)級(jí)。對(duì)于鋼箱梁的各個(gè)對(duì)疲勞敏感部位分別確定鋼箱梁可靠性級(jí)別。最后根據(jù)評(píng)級(jí)結(jié)果，確定采取相應(yīng)的維護(hù)對(duì)策與時(shí)間。

預(yù)測(cè)疲勞裂縫，重點(diǎn)在于檢查部位的選定，以及檢查周期和的確定。該評(píng)價(jià)能否較正確掌握所考慮部位的實(shí)際的應(yīng)力史，以及能否選定符合實(shí)際狀態(tài)的接頭的疲勞強(qiáng)度是決定評(píng)定準(zhǔn)確的關(guān)鍵。對(duì)于鋼箱梁的疲勞累積可靠性評(píng)價(jià)，累積損傷度是一個(gè)主要評(píng)判指標(biāo)，其判定疲勞退化等級(jí)見(jiàn)表1。

表1 累積疲勞損傷度判定劣化等級(jí)Table 1 Deterioration determination of cumulative fatigue damage

疲勞損傷的“擴(kuò)展性”:判斷退化狀態(tài)擴(kuò)展的快或慢。構(gòu)件的“冗余度”:當(dāng)構(gòu)件或疲勞細(xì)節(jié)處產(chǎn)生的疲勞損傷連續(xù)發(fā)展時(shí)，需要判斷結(jié)構(gòu)是否會(huì)明顯地喪失強(qiáng)度和承重能力。圖11為進(jìn)行疲勞損傷評(píng)定的流程圖。

圖11 疲勞損傷評(píng)定的流程Fig.11 Flow chart of fatigue damage assessment

7 結(jié)語(yǔ)

正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)和受力復(fù)雜，同時(shí)由于重車(chē)比例的日益增大和嚴(yán)重的超載現(xiàn)象都加劇了鋼橋面板的疲勞損傷，這些都導(dǎo)致正交異性鋼橋面板在車(chē)輪荷載作用下易產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂。

鋼箱梁鋼橋面板易于產(chǎn)生疲勞裂紋的關(guān)鍵部位有縱肋對(duì)接焊縫;縱肋與頂板的角焊縫連接;縱肋與橫梁腹板的連接;橫梁腹板與頂板的連接;縱隔板與頂板的連接;橫梁腹板開(kāi)孔;頂板的對(duì)接焊縫(縱、橫向)。

筆者闡述了鋼箱梁的疲勞檢測(cè)內(nèi)容和鋼箱梁的裂紋的修補(bǔ)流程，分析了鋼箱梁的各主要構(gòu)件的檢查周期。根據(jù)采取何種維護(hù)對(duì)策以及維護(hù)對(duì)策的緊迫性進(jìn)行判斷，提出了鋼箱梁疲勞評(píng)估的判斷項(xiàng)目。

［1］小西一郎.鋼橋:1分冊(cè)［M］.北京:人民鐵道出版社，1981.

［2］Fisher J W.Fatigue and fracture in steel bridges:case studies［M］.New York:John Wiley＆ Sons，Inc.，1984.

［3］錢(qián)冬生.關(guān)于正交異性鋼橋面板的疲勞［J］.橋梁建設(shè)，1996(2):8-13.Qian Dongsheng.On fatigue of orthotropic steel bridge decks［J］.Bridge Construction，1996(2):8-13.

［4］Kolstein M H.Fatigue Classification of Welded Joints in Orthotropic Steel Bridge Decks［D］.Holland:Technische Universiteit Delft，2007.

［5］Pfeila M S，Battista R C，Mergulhao A J R.Stress concentration in steel bridge orthotropic decks［J］.Journal of Constructional Steel Research，2005，61:1172-1184.

［6］童樂(lè)為，沈祖炎.鋼橋面縱肋現(xiàn)場(chǎng)對(duì)焊接頭的疲勞性能［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，26(2):130-133.Tong Lewei，Shen Zuyan.Fatigue behaviour of field-butt-welded rib Joints in orthotropic steel bridge decks［J］.Journal of Tongji University，1998，26(2):130-133.

［7］葉覺(jué)明.大跨度橋梁鋼箱梁的防腐涂裝［J］.現(xiàn)代涂料與涂裝，2002(1):19-21.Ye Jueming.Painting of long span bridge［J］.Modern Paint and Finishing，2002(1):19-21.

［8］曾勇.大跨度懸索橋設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)的監(jiān)測(cè)、維護(hù)與管理策略研究［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2009.

［9］楊光.鋼橋面系抗疲勞設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題研究［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2008.

［10］周世忠.江陰長(zhǎng)江公路大橋工程技術(shù)總結(jié)［M］.北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2005.