栓接鋼箱梁高強度螺栓病害分析

潘思彤，夏 天，李澤新

（1.中電建路橋集團有限公司，北京100048；2.武漢城市公共設(shè)施運營發(fā)展有限公司，湖北 武漢；3.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國家重點實驗室，湖北 武漢430034；4.中鐵大橋科學研究院有限公司，湖北 武漢430034）

0 引 言

橋梁上高強度螺栓斷裂原因包括材質(zhì)初始缺陷、加工工藝、應(yīng)力腐蝕、疲勞斷裂、受力性能等多個方面。而栓接鋼箱梁由于結(jié)構(gòu)形式特殊，有必要在上述多種可能中找出高強度螺栓斷裂的主要原因，以便采取相應(yīng)的維修措施，保障結(jié)構(gòu)安全運營。

1 概述

某跨江斜拉橋為雙塔雙索面半漂浮支撐體系混合梁橋，跨徑布置為（50＋180＋618＋180＋50）m（圖1），建成于2000年。鋼箱梁部分長904 m，為雙箱分離的扁平箱梁，梁高3 m、頂寬29 m，兩側(cè)設(shè)風嘴。節(jié)段間采用M22高強度螺栓拼接，每標準節(jié)段用栓4 332套，其中橋面頂板1 484套、斜腹板752套、底板584套、內(nèi)腹板300套、外腹板276套，中間頂板U肋936套。全橋高強度螺栓一共363 888套。高強度螺栓材質(zhì)為20 MnTiB，性能等級為10.9 s，設(shè)計預(yù)拉力為200 kN。高強度螺栓布置見圖2。

圖1 橋梁立面布置圖（單位：m）

圖2 高強度螺栓布置圖

2019年發(fā)現(xiàn)該橋高強度螺栓有439套斷裂、16 073套嚴重銹蝕，影響結(jié)構(gòu)安全，因此有必要對螺栓銹蝕斷裂原因進行分析，并采取針對性維修措施。

2 病害情況調(diào)查

目前嚴重銹蝕螺栓數(shù)量為16 073套，斷裂螺栓為439套。高強度螺栓病害分布位置見表1，歷年病害調(diào)查結(jié)果見表2。高強度螺栓病害有如下規(guī)律：一是斷裂螺栓主要集中分布在底板和斜腹板，底板占比為69%，腹板占比為31%，頂板螺栓未發(fā)現(xiàn)斷裂。二是斷裂螺栓的節(jié)段接頭在鋼箱梁各處隨機分布，普遍滲水嚴重，且該類接頭處的橋面鋪裝普遍損壞嚴重。三是歷年檢查結(jié)果表明，斷裂部位的高強度螺栓更換后容易再次斷裂。四是很多嚴重銹蝕的高強度螺栓，其截面上95%的部位已斷裂，剩余部位還殘存連接的情況，肉眼觀察不易發(fā)現(xiàn)，需用小錘敲擊才能發(fā)現(xiàn)。五是螺栓年斷栓率約為0.05%，隨著運營環(huán)境的惡化，有繼續(xù)增長的可能。

表1 高強度螺栓病害分布位置

表2 歷年病害調(diào)查結(jié)果

可以看出，高強度螺栓銹蝕斷裂與滲水引起的腐蝕有著密切的關(guān)系。小錘敲擊法是檢查螺栓銹蝕最直接可靠的方法。

3 高強度螺栓金相分析

3.1 斷口宏觀分析

439套斷裂螺栓斷口表現(xiàn)為應(yīng)力腐蝕斷裂特征明顯的有415套，占總數(shù)的94.6%，斷口表現(xiàn)為一般脆性斷裂的有24套，占總數(shù)的5.4%。可以推斷，螺栓斷裂的原因主要是高應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力腐蝕，少量有初始缺陷的一般脆性斷裂破壞的高強度螺栓。詳見圖3。

圖3 典型高強度螺栓斷口

3.2 斷口金相及電鏡分析

選取部分斷裂螺栓進行金相分析和電鏡掃描。金相分析圖譜表明斷裂螺栓均為索氏體，具有良好的綜合機械性能，說明螺栓熱處理工藝滿足要求。

電鏡掃描圖譜（見圖4、圖5）表明斷裂螺栓具有應(yīng)力腐蝕特征，能從圖像中分辨出斷裂的缺陷源區(qū)、缺陷發(fā)展區(qū)等一系列斷裂發(fā)展形態(tài)。

圖4 典型高強度螺栓斷口金相圖譜

圖5 典型斷裂螺栓電鏡掃描圖譜

5 高強度螺栓接頭檢測

從橋上卸取了8塊高強度螺栓接頭拼接板進行摩擦系數(shù)試驗，實測摩擦系數(shù)為0.58～0.67，均大于規(guī)范最低限值0.45，滿足規(guī)范要求。選取了460套螺栓進行扭矩測試，其中實測扭矩與設(shè)計值偏差在10%以內(nèi)的有448套，占97.0%，偏差超過10%的有12套，占3%。

高強度螺栓接頭摩擦系數(shù)和扭矩基本滿足規(guī)范要求，說明該橋高強度螺栓斷裂與超擰聯(lián)系不大，施工基本規(guī)范。

6 高強度螺栓接頭受力分析

建立鋼箱梁局部有限元模型（圖6），計算箱梁中跨1/4截面附近處的底板和頂板應(yīng)力幅值。采用板殼單元shell181建模，一共劃分67 646個單元。在模型端部一端約束X、Y和Z向位移，在有斜拉索處約束豎向位移，對稱面上采用對稱約束，模型的另一端施加整體模型計算得到等效內(nèi)力幅值，計算最大軸力工況和最小軸力工況下箱梁局部應(yīng)力幅值。

圖6 鋼箱梁局部有限元模型

在最大軸力幅值作用下，底板的平均應(yīng)力幅值為80 MPa（見圖7、圖8）；在最小軸力幅值作用下，底板平均應(yīng)力幅值為60 MPa?？梢钥闯?，底板的應(yīng)力幅值基本在60～80 MPa之間變化，綜合考慮可取底板應(yīng)力平均值70 MPa，以此作為計算該底板螺栓應(yīng)力幅值的標準。

圖7 最大軸力作用下底板應(yīng)力圖

圖8 最大軸力作用下頂板應(yīng)力圖

計算結(jié)果表明，鋼箱梁在活載作用下，底板的應(yīng)力幅大于頂板的應(yīng)力幅，因此底板螺栓的受力較頂板螺栓受力更為不利，加上底板積水使高強螺栓易發(fā)生銹蝕的共同作用，易引發(fā)螺栓應(yīng)力腐蝕進而疲勞斷裂，與檢測發(fā)現(xiàn)的鋼箱梁拼接接頭的高強度螺栓斷裂主要發(fā)生在箱梁底板上這一現(xiàn)象吻合。

7 高強度螺栓應(yīng)力幅值及疲勞強度分析

采用實體單元solid45和預(yù)緊單元prets179建模，進行高強度螺栓連接的接觸分析。拼接板與芯板之間采取摩擦接觸連接，通過定義接觸面的摩擦系數(shù)，達到在拼接板與芯板之間的內(nèi)力傳遞。

計算得到活載作用下螺栓的拉應(yīng)力幅值為12.33～15.06 MPa。而M22摩擦型高強度螺栓連接常幅疲勞強度在50%保證率下為123.7 MPa，在97.7%保證率下為100.0 MPa（其疲勞抗力方程式為：lgN+4lgσ=15.0），均大于15 MPa，滿足規(guī)范要求。詳見圖9、圖10、圖11。

圖9 底板高強度螺栓連接有限元計算模型

圖10 底板沿拉力方向（Z向）應(yīng)力云圖

圖11 高強度螺栓軸向應(yīng)力云圖

8 結(jié)論

（1）螺栓斷裂的原因主要是橋面鋪裝損壞導致積水滲入箱梁引起的應(yīng)力腐蝕，偶發(fā)因素為有初始缺陷的高強度螺栓的脆性斷裂破壞。

（2）在維修橋面排水系統(tǒng)并采用防水膠對箱梁內(nèi)部滲水點進行封堵后，高強度螺栓銹蝕和斷裂情況得到明顯好轉(zhuǎn)。

（3）正交異性板鋼橋面鋪裝容易損壞，當鋪裝再次損壞時，橋面積水會再次下滲，使鋼箱梁螺栓斷裂，因此采用新材料延長橋面鋪裝使用壽命才是保證高強度螺栓安全正常使用的關(guān)鍵。