鋼箱梁橋結(jié)構(gòu)檢測(cè)與安全評(píng)估研究

摘 要：裂紋是鋼箱梁典型病害之一，本文結(jié)合某鋼箱梁橋結(jié)構(gòu)檢測(cè)進(jìn)行研究，在橋梁的檢測(cè)基礎(chǔ)上采用靜載試驗(yàn)進(jìn)行承載力的研究，從撓度和應(yīng)變分布角度來(lái)探究橋梁的結(jié)構(gòu)損傷性能。研究表面關(guān)鍵截面處采集的撓度和應(yīng)變?cè)囼?yàn)值分布較為規(guī)律，校驗(yàn)系數(shù)為0.4～0.6之間，表明鋼箱梁橋的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。在探究鋼箱梁表面裂紋產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上進(jìn)行養(yǎng)護(hù)措施的總結(jié)，旨在不斷維修橋梁的安全穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：鋼箱梁;靜載試驗(yàn);結(jié)構(gòu)檢測(cè);養(yǎng)護(hù)措施

中圖分類(lèi)號(hào)：U445.71 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

鋼材具有強(qiáng)度高、韌性好等特點(diǎn)，自19世紀(jì)工業(yè)革命發(fā)明以來(lái)逐漸得到生產(chǎn)工藝優(yōu)化，被應(yīng)用于各類(lèi)工業(yè)及建筑中。20世紀(jì)初，鋼材焊接技術(shù)極大促進(jìn)了鋼材在特殊結(jié)構(gòu)中的生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)。隨著公路橋梁技術(shù)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)材料逐漸被應(yīng)用到橋梁建設(shè)項(xiàng)目中，對(duì)于大跨徑的懸索橋、斜拉橋等特殊結(jié)構(gòu)橋型，鋼材的材料和結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)也至關(guān)重要，需進(jìn)行合理科學(xué)的力學(xué)分析。盡管鋼結(jié)構(gòu)的利用普及率較高，但對(duì)于其的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)和評(píng)定技術(shù)卻缺乏系統(tǒng)研究，鋼結(jié)構(gòu)橋梁在長(zhǎng)期的車(chē)輛荷載損傷疲勞后會(huì)存在性能衰減，主要體現(xiàn)在承載力水平下降，結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性劣化，極端情況下會(huì)直接造成結(jié)構(gòu)的失效和橋梁垮塌，因此，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋梁的結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)和安全評(píng)估就顯得尤為重要。蔡正東通過(guò)對(duì)火災(zāi)前后鋼結(jié)構(gòu)橋梁的下?lián)献冃魏陀捕冗M(jìn)行測(cè)定，并建立了鋼結(jié)構(gòu)有限元橋梁模型，通過(guò)應(yīng)力和位移指標(biāo)的變化對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評(píng)估分析。姚南基于現(xiàn)有的橋梁結(jié)構(gòu)損傷模型進(jìn)行修正，并建立了基于動(dòng)力響應(yīng)的鋼結(jié)構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)安全分析方法。雷俊卿結(jié)合具體懸索鋼結(jié)構(gòu)橋梁進(jìn)行案例分析，從結(jié)構(gòu)安全的劣化、檢測(cè)評(píng)估和加固等角度進(jìn)行研究，對(duì)提升橋梁的耐久性提供了經(jīng)驗(yàn)參考。曾勇從鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞性能進(jìn)行分析，從橋梁的結(jié)構(gòu)檢測(cè)、維修加固等環(huán)節(jié)進(jìn)行了成本費(fèi)用的評(píng)估。王虹斌將鋼結(jié)構(gòu)橋梁理論力學(xué)結(jié)果和動(dòng)載實(shí)測(cè)下數(shù)值進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)了鋼箱梁橋梁的檢測(cè)方法和注意事項(xiàng)。上述研究表明，受鋼結(jié)構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)差異、服役環(huán)境不同等因素限制，結(jié)構(gòu)檢測(cè)和安全評(píng)估很難做到標(biāo)準(zhǔn)化，但基于有限元模擬和實(shí)測(cè)動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果仍舊能在一定程度上反映橋梁服役水平。本文以某鋼箱梁橋?yàn)槔?，進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的安全檢測(cè)和評(píng)估，旨在為相關(guān)研究提供理論支撐和經(jīng)驗(yàn)參考。

1 工程概況

本研究針對(duì)某高架鋼箱梁橋進(jìn)行試驗(yàn)分析，橋梁的服役時(shí)間為21年，跨徑為30 m，橋梁的下部結(jié)構(gòu)采用獨(dú)柱式橋墩和預(yù)應(yīng)力蓋梁，橋梁橫斷面如圖1所示。

對(duì)鋼箱梁進(jìn)行內(nèi)部病害的檢測(cè)分析，主要考察腹板裂紋的分布和發(fā)展規(guī)律，檢測(cè)人員要對(duì)日常巡檢過(guò)程中存在的裂紋病害進(jìn)行定位，沿裂紋發(fā)展方向進(jìn)行標(biāo)記，采用裂紋觀測(cè)儀對(duì)裂紋的寬度進(jìn)行測(cè)量，研究共發(fā)現(xiàn)鋼箱梁內(nèi)部縱向裂紋27條，裂紋的寬度分布如表1所示。鋼箱梁的裂紋病害主要集中在梁端至1/4跨處，裂紋長(zhǎng)度從65～280 mm分布不等，其中，裂紋寬度小于0.1 mm的有16條，超出規(guī)范限定要求（0.2 mm）的有3條，對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的裂紋深度探測(cè)，達(dá)35～62 mm不等，裂紋深度已超過(guò)保護(hù)層厚度，說(shuō)明鋼箱梁內(nèi)部存在嚴(yán)重?fù)p傷的裂紋問(wèn)題，會(huì)直接影響鋼箱梁結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。

鋼箱梁中裂紋的產(chǎn)生不是單一因素造成的，涂層的劣化、腐蝕也會(huì)在一定程度上加劇裂紋程度，相互關(guān)聯(lián)的關(guān)系如圖2所示。涂層的剝落會(huì)使得鋼材面的保護(hù)層失效，在雨水的侵蝕作用下會(huì)加劇鋼材腐蝕進(jìn)而造成和加劇裂紋拓展，待裂紋對(duì)鋼箱梁造成結(jié)構(gòu)損傷時(shí)，會(huì)造成鋪裝層病害的產(chǎn)生蔓延，使得整體橋梁上部結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)。

2 現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)

受長(zhǎng)期的車(chē)輛荷載疲勞作業(yè)和自然侵蝕，該鋼箱梁橋的承載能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定已產(chǎn)生一定劣化，為進(jìn)一步探究鋼箱梁橋的損傷劣化規(guī)律，采用進(jìn)一步的靜載試驗(yàn)來(lái)探究結(jié)構(gòu)損傷特性，主要考慮鋼箱梁橋特定關(guān)鍵截面的下?lián)虾蛻?yīng)力（應(yīng)變）分布變化。在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)靜載前，通過(guò)力學(xué)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析得到設(shè)計(jì)荷載作用下橋面的最大正/負(fù)彎矩截面，并將其定位靜載數(shù)據(jù)測(cè)試和采集控制點(diǎn)，相關(guān)測(cè)點(diǎn)布置如圖3和圖4所示。

如圖所示，研究分別在鋼箱梁的梁端、1/4跨、3/4跨和跨中進(jìn)行位移計(jì)的布置。在5個(gè)關(guān)鍵截面處沿鋼箱梁腹板進(jìn)行5組應(yīng)變片的均勻分布，在鋼箱梁底部布置2組應(yīng)變片。在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)撓度和應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并觀測(cè)加載過(guò)程中裂紋是否產(chǎn)生新增。采用120 t的卡車(chē)在跨中處進(jìn)行布置，如圖5所示。

3 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力測(cè)試結(jié)果分析

鋼箱梁在靜載作用下不同測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變?cè)囼?yàn)值與理論值對(duì)比結(jié)果如表2所示。

由以上圖表分析可知，實(shí)測(cè)的箱梁應(yīng)變值要整體小于理論值，且中梁和邊梁的應(yīng)變分布也大體較為接近。關(guān)鍵截面的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)主要在0.5～0.6之間，說(shuō)明實(shí)際服役鋼箱梁橋的強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，相關(guān)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余應(yīng)變均在﹣15%～10%范圍內(nèi)，說(shuō)明對(duì)于單片的鋼箱梁而言，在長(zhǎng)期的車(chē)輛疲勞作用下處于彈性工作階段。

3.2 撓度測(cè)試結(jié)果分析

研究對(duì)關(guān)鍵截面的撓度進(jìn)行測(cè)試并與理論值進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表3所示。

將上述不同界面處撓度數(shù)值隨梁梁長(zhǎng)位置進(jìn)行撓度曲線繪制，如圖8～圖9所示。

如圖所示，中梁和邊梁關(guān)鍵截面的撓度隨梁長(zhǎng)方向呈對(duì)稱(chēng)分布，其中，中梁和邊梁在跨中處的撓度分別為18.53 mm和18.65 mm，校驗(yàn)系數(shù)分別為0.55和0.61，表明鋼箱梁橋的剛度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。撓度曲線的分布較為光滑，表明橋梁的工作性能較好，隨荷載的增加呈彈性變化，這與簡(jiǎn)支梁橋型的撓度曲線分布規(guī)律較為接近。

3.3 裂紋分布

在靜載過(guò)程中，觀察鋼箱梁腹板的裂紋分布和發(fā)展情況，研究表明：本次靜載試驗(yàn)過(guò)程中未產(chǎn)生新增的裂紋病害，歷史裂紋病害也沒(méi)有明顯的發(fā)展蔓延趨勢(shì)。腹板裂紋分布如圖10所示。

其主要原因是鋼箱梁的裂紋損傷是長(zhǎng)期的疲勞荷載所導(dǎo)致，疲勞作用下鋼材易產(chǎn)生性能劣化，當(dāng)疲勞次數(shù)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，鋼材表面會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂破壞，隨著荷載的持續(xù)增加，表面裂紋初見(jiàn)開(kāi)展蔓延，裂紋深度逐漸擴(kuò)大，直至造成鋼材斷裂。因此，對(duì)于鋼箱梁內(nèi)部產(chǎn)生的裂紋問(wèn)題要尤為關(guān)注，要進(jìn)行必要的養(yǎng)護(hù)加固維修，保障橋梁的長(zhǎng)期健康安全穩(wěn)定。

4 鋼箱梁裂紋防治技術(shù)研究

4.1 裂紋產(chǎn)生原因

相關(guān)研究表明，在鋼箱梁拼接組合過(guò)程中會(huì)進(jìn)行焊接，由箱梁裝配過(guò)程中產(chǎn)生形變而導(dǎo)致的裂紋開(kāi)展問(wèn)題占到40%左右，而初始裂紋病害和不滿(mǎn)足疲勞荷載而產(chǎn)生的裂紋也占據(jù)一定比例。在長(zhǎng)期的鹽堿腐蝕環(huán)境下，鋼材表明的腐蝕而產(chǎn)生的疲勞裂紋也是一定影響因素?？傮w而言，鋼箱梁在服役期間產(chǎn)生裂紋的原因主要包括：

（1）材料缺陷。鋼材是經(jīng)高溫?cái)嗔讶蹱t產(chǎn)生的材料，但受鋼材質(zhì)量和施工工藝影響，在鋼箱梁成型和焊接過(guò)程中會(huì)由于內(nèi)部不均勻雜質(zhì)顆粒分布和細(xì)微裂紋產(chǎn)生缺陷。這類(lèi)初始的細(xì)微質(zhì)量缺陷在實(shí)際的服役過(guò)程中會(huì)急劇劣化，塑性變形荷載作用下會(huì)產(chǎn)生明顯的表面裂紋。

（2）設(shè)計(jì)施工缺陷。鋼結(jié)構(gòu)在組合焊接前需要進(jìn)行構(gòu)造設(shè)計(jì)和受力分析，若沒(méi)有經(jīng)過(guò)科學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，會(huì)使得構(gòu)件內(nèi)部之間會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中。此外，在鋼箱梁組合中會(huì)進(jìn)行焊接、變形、剪切等一些的施工，亦會(huì)造成材料存在一定的變形和應(yīng)力擴(kuò)散，在重載交通環(huán)境下會(huì)造成裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展。

（3）養(yǎng)護(hù)維修因素。在鋼箱梁橋服役階段，長(zhǎng)期的車(chē)輛荷載作用會(huì)使得鋼結(jié)構(gòu)局部產(chǎn)生一定的變形和連接部位松動(dòng)，在雨雪和冷熱交替關(guān)鍵性亦會(huì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)表層產(chǎn)生一定的侵蝕，加劇構(gòu)件的劣化過(guò)程和脆性破壞。當(dāng)鋼箱梁表面出現(xiàn)裂紋時(shí)，技術(shù)人員會(huì)通過(guò)焊接和涂裝等工藝對(duì)裂紋進(jìn)行修補(bǔ)，及時(shí)的維修加固措施能夠減緩鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕和開(kāi)裂，但若對(duì)細(xì)微表層裂紋等病害不加以重視，會(huì)加劇鋼材內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷和破壞。

4.2 養(yǎng)護(hù)措施

鋼箱梁上部承受往復(fù)車(chē)輛的持續(xù)疲勞作用，直接加劇結(jié)構(gòu)的內(nèi)部疲勞劣化。在裂紋發(fā)展初期會(huì)誘發(fā)應(yīng)力的重力分布不均衡問(wèn)題。當(dāng)鋼箱梁的整體剛度劣化到一定程度時(shí)會(huì)加劇橋面鋪裝層的裂紋和結(jié)構(gòu)損壞，養(yǎng)護(hù)技術(shù)人員應(yīng)采取必要措施進(jìn)行鋼箱梁橋的維護(hù)。

（1）止裂孔。止裂孔是抑制鋼結(jié)構(gòu)表面裂紋的關(guān)鍵便捷措施，一般沿裂紋端部進(jìn)行微小孔隙的鉆孔?？紤]到鉆孔的面積和覆蓋范圍，建議鉆孔的直徑可以覆蓋裂紋內(nèi)側(cè)尖端。

（2）支撐架。當(dāng)裂紋發(fā)展可能誘發(fā)進(jìn)一步鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷時(shí)，會(huì)直接影響結(jié)構(gòu)剛度、應(yīng)力分布狀態(tài)，可采用必要的支撐架進(jìn)行焊接，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷的有效抑制。

（3）焊接涂裝。必要條件時(shí)可以采用點(diǎn)焊的方式對(duì)裂紋進(jìn)行修復(fù)，但此類(lèi)修復(fù)方式僅對(duì)鋼材表面起到修復(fù)，若裂紋損傷到一定深度時(shí)，點(diǎn)焊修復(fù)將失效。一般而言，在表面裂紋修復(fù)后還需要進(jìn)行涂裝保護(hù)，增強(qiáng)保護(hù)層厚度和防腐能力。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在鋼箱梁橋病害和性能檢測(cè)的基礎(chǔ)上，針對(duì)鋼箱梁橋進(jìn)行靜載試驗(yàn)，通過(guò)不同關(guān)鍵截面處獲取的撓度、應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究表明鋼箱梁橋的強(qiáng)度和剛度均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，從裂紋分布和產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，并總結(jié)相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)措施，研究對(duì)于維系鋼箱梁橋梁的安全健康服役具有一定經(jīng)驗(yàn)參考價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：詹海雷（1989—），男，江西上饒人，本科，路橋工程師，從事路橋設(shè)計(jì)工作。