橋鋼箱梁安全與耐久制造技術(shù)分析

【摘要】近十幾年來，懸索橋鋼箱梁的安全與耐久性問題非常突出，本文主要對懸索橋鋼箱梁板材選用、焊接結(jié)構(gòu)形式、面板單元、U肋嵌補段處理方面探討，并提出建議，確保橋梁使用壽命。

一、橋梁鋼結(jié)構(gòu)用鋼的選擇

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力行為合理使用不同強度級別的材料一般來講，鋼材強度愈高，屈強比增大，延伸率減少，工藝性能下降。鋼材厚度加大時，熱軋后的冷卻過程產(chǎn)生板厚方向的溫度差，發(fā)生缺陷，同一種材料因板厚改變性能有所下降，特別是對延伸率和沖擊功。隨厚度增加，顯著的內(nèi)部非金屬夾雜可以造成板厚方向的強度降低和焊接時的缺陷，有害的非金屬夾雜物偏析所形成硫化帶（硫的層狀偏析）導(dǎo)致焊接熱裂紋發(fā)生。合理選擇板厚十分重要，日本港大橋主體結(jié)構(gòu)采用從SMA41A～HT80不同強度級別和質(zhì)量等級的鋼材12種，板厚t=18～75mm達20余種。

二、焊接接頭

焊接時再冶金過程，微觀組織的變化使在接頭區(qū)10-3～10-1cm數(shù)量級的變化決定了焊接接頭的性能。焊接裂紋大多發(fā)生在有幾個構(gòu)件匯集在一起而成強拘束的T型接頭和十字接頭上，而且，從裂紋發(fā)生的時間看，冷裂紋約占90%。裂紋是造成結(jié)構(gòu)破壞的最主要原因，疲勞破壞由于設(shè)計不良而引起占54%，防止焊接裂紋是焊接接頭設(shè)計和制造的重要工作。不論焊接接頭形式如何，典型的焊縫只有兩類即坡口焊縫（熔透，部分熔透型）和角焊縫，盡量減少焊縫數(shù)量和焊角尺寸；避免交雜的多拘束件連接；焊縫盡量避開工作應(yīng)力嚴(yán)重的區(qū)域；減少幾何不連續(xù)性；減小交叉焊縫的數(shù)量是焊接接頭設(shè)計的重要原則。

三、結(jié)構(gòu)形式的選用

1、當(dāng)正交異性橋面結(jié)構(gòu)中，主要部件為橋面板，縱肋及橫梁（肋）?？v肋可以是開口或閉口型式，因后者具有抗扭性強和優(yōu)越的荷載分配能力得以廣泛采用。日本于80年代后期幾乎不再采用開口肋。正交異性板的受力行為可簡單理解為3個受載體系，第一體系將帶縱肋的板作為主梁共同受載；第二體系視橋面板橫梁橫向受載；第三體系以支承在縱橫肋間的連續(xù)板受載，應(yīng)力疊加組合。第二，三體系的橫向荷載作用是肋與板間縱向焊縫裂紋疲勞形成的主要力學(xué)因素。

2、對薄壁受壓構(gòu)件橫隔板，為確保板件的受壓穩(wěn)定性，需要適當(dāng)?shù)脑O(shè)置加勁肋構(gòu)成帶肋板。加勁肋將整板劃分成效的板塊。設(shè)計需要保證局部板塊的穩(wěn)定承載力不低于整體構(gòu)件。顯然，加勁肋在其中的作用十分重要，形成了強肋弱板的格局，考慮板塊屈曲時，加勁肋成為波節(jié)線，同時與構(gòu)件受載必須有足夠的剛度保證。相同穩(wěn)定理論和實驗證明，加勁肋應(yīng)滿足臨界剛度的最低要求。當(dāng)單純受壓的縱向加勁肋剛度為臨界剛度3倍以上時，不會有局部板塊失穩(wěn)發(fā)生。當(dāng)受彎梁腹板豎向加勁肋為臨界剛度10倍，縱向加勁肋為6倍以上時，不會有局部板塊失穩(wěn)。

四、板單元制作

板單元制作中特別是面板單元U肋與頂板的焊接，其焊接質(zhì)量直接關(guān)系到鋼箱梁的安全與耐久性。自從發(fā)現(xiàn)縱肋與面板的連接焊縫處產(chǎn)生疲勞裂紋后，當(dāng)縱肋開坡口，采用喉部高度不小于7.5mm的半熔透角焊縫連接縱肋與面板時能夠滿足使用要求，因此該構(gòu)造細節(jié)演變?yōu)榭v肋開坡口、并保證焊縫喉高不小于肋板厚度，熔透深度≥0.75倍肋板厚度。

1、由于面板焊接熱量較大，板單元發(fā)生較大的變形，依靠火焰矯正又會影響板單元幾何尺寸，國內(nèi)常規(guī)制造技術(shù)是根據(jù)板單元焊接過程中的熱量的輸入、應(yīng)力分布及變形趨勢，總結(jié)焊接變形規(guī)律，設(shè)計制作焊接反變形胎架?，F(xiàn)在面板單元的制造從構(gòu)造設(shè)計到現(xiàn)場焊接都得到了高度重視，縱肋與面板熔深厚度要求不斷提高，焊接工藝也不斷創(chuàng)新。其中新奧克蘭大橋、港珠澳大橋明確指出不允許火焰矯正，因此采用門式自動焊接、焊接機器人焊接和液壓矯正機矯正，不僅提高了生產(chǎn)效率，也極大控制了焊接變形。

2、U肋與頂板的焊縫目前國內(nèi)通常采用探傷方式為磁粉，由于MT只能對焊縫表面的缺陷進行檢測，不能對內(nèi)部質(zhì)量進行判斷，所以該焊縫內(nèi)部質(zhì)量、熔深等指標(biāo)只能通過試板做金相試驗來判定。這種破壞性試驗效率不高，代表性有局限性。新高奧克蘭橋、港珠澳大橋U肋焊縫采用UT加相控陣方法進行檢測。相控陣可進行快速檢測，并生成被測工件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精度、詳細的橫斷面圖像。

五、U肋嵌補段的處理

早期橋梁的鋼橋面，其工地接頭主要采用的是嵌補段進行焊接連接，縱肋承受彎曲，其下翼緣出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，對焊接連接處理如存在缺陷或過度不均勻，就會在接頭處出現(xiàn)疲勞裂紋。現(xiàn)在縱肋對接焊連接部位產(chǎn)生疲勞裂紋較多，閉口縱肋的工地焊接連接采用嵌補段進行對接時，往往采用的是鋼襯墊，縱肋厚度一般6mm或8mm，故在縱肋一般不開坡口，而是預(yù)留一定間隙。鋼襯墊在工廠預(yù)制時先是定位焊固定在閉口縱肋內(nèi)側(cè)，U肋嵌補段由于工地焊接產(chǎn)生疲勞破主要原因：1、在制造正交異性鋼橋面時，定位焊接一般不連續(xù)，懸索橋存梁時間較長鋼襯墊與U肋間會銹蝕。橋位焊接時，無法清除間隙的鐵銹易產(chǎn)生微裂紋，在焊接U肋嵌補段時，沒有將定位焊熔透，較好的方法是采用連續(xù)的定位焊接。2、U肋嵌補段的焊接一般處在仰位焊接，焊縫成型差且咬邊深度較大，焊接質(zhì)量很難保證，而且焊縫外觀較差。大量研究表明，U肋工地焊接接頭的疲勞等級很低，解決U肋工地接頭焊接疲勞問題比較好的方法就是面板焊接，縱肋采用高強度螺栓連接。該方法可服了全焊接的缺點。