斜拉橋鋼箱梁裂縫病害分析及維修建議?

黃新明賴敏芝

(1．湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖北 武漢 430070;2．湖北交投科技發(fā)展有限公司,湖北 武漢 430030)

斜拉橋鋼箱梁裂縫病害分析及維修建議?

黃新明1賴敏芝2

(1．湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖北 武漢 430070;2．湖北交投科技發(fā)展有限公司,湖北 武漢 430030)

鋼箱梁是斜拉橋的主要承重構(gòu)件,鋼箱梁U肋、橫隔板和各構(gòu)件連接處出現(xiàn)裂縫會(huì)影響橋梁的使用壽命。文章以某公路大橋?yàn)槔?對(duì)該橋鋼箱梁出現(xiàn)裂縫的成因進(jìn)行分析,并提出相應(yīng)的維修建議,以期對(duì)斜拉橋鋼箱梁裂縫病害維修起到借鑒作用。

斜拉橋;鋼箱梁;裂縫病害

0 引言

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸事業(yè)的快速發(fā)展,大跨度橋梁得到了迅速發(fā)展。鋼箱梁相對(duì)于混凝土箱梁而言,因其具有自重小、外觀輕盈、抗彎剛度大、抗風(fēng)性能好、吊裝方便快捷等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái),正交異性鋼橋面板疲勞開裂的事故在國(guó)內(nèi)外的大跨鋼橋中均已出現(xiàn),疲勞損傷破壞是大跨徑鋼橋在運(yùn)營(yíng)期間的主要病害之一,一旦鋼箱梁產(chǎn)生開裂問(wèn)題又未能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)與處理,將有可能造成比較嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失與社會(huì)影響[1]。

1 工程概況

某斜拉橋是一座全長(zhǎng)2847m,主橋?yàn)?48＋204＋460＋204＋48)m雙塔雙索面半漂浮體系鋼箱梁斜拉橋,按雙向六車道設(shè)計(jì),荷載標(biāo)準(zhǔn)為汽車－超20級(jí),掛車－120,于2001年建成通車。主橋主梁采用單箱三室全焊封閉流線型扁平鋼箱梁,除風(fēng)嘴采用Q235－B外,其余均采用Q345－C鋼材。鋼箱梁劃分為87個(gè)梁段制造安裝,總寬度為38．8m,風(fēng)嘴寬3．3m,梁內(nèi)中心輪廓高為3．0m。鋼箱梁橫斷面布置見(jiàn)圖1。

圖1 鋼箱梁橫斷面圖(單位:cm)

2 病害情況

經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)營(yíng),由于重載交通量不斷增加,在2014年全橋的定期檢查中,發(fā)現(xiàn)全橋鋼箱梁存在多處疲勞裂縫病害[2]。鋼箱梁U肋處的病害主要有:斜向裂縫、橫向裂縫、豎向裂縫、縱向裂縫、L形裂縫、U形裂縫,共計(jì)722條,最長(zhǎng)裂縫700mm;U肋鋼板斷裂;涂層脫落。另外,有些已經(jīng)焊接過(guò)的老病害重新開裂,有些焊縫開裂并向U肋延伸。U肋裂縫見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 U肋斜向開裂

圖3 U肋焊縫開裂

鋼箱梁橫隔板處均有裂縫產(chǎn)生,裂縫形式含豎向、橫向和斜向裂縫,以斜向裂縫為主?？v橋方向橋塔及其附近處鋼箱梁橫隔板裂縫較其它部位多;橫橋方向裂縫主要位于重車道和行車道處,裂縫均位于橫隔板與U肋接縫處或橫隔板與面板接縫處。橫隔板裂縫共發(fā)現(xiàn)1507條,老病害修補(bǔ)后重新開裂49處,最大裂縫長(zhǎng)度為1500mm。橫隔板處裂縫見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 橫隔板斷裂

圖5 橫隔板焊后重新開裂

各構(gòu)件連接裂縫主要有:U肋與橋面板連接焊縫、橫隔板與頂板連接焊縫、橫隔板與U肋連接焊縫、縱隔板與橋面板連接焊縫、橫隔板與縱隔板連接焊縫。U肋與橋面板連接處焊縫開裂現(xiàn)象較多,共298處,單條最大裂縫長(zhǎng)度為1211mm。其中大部分裂縫為焊接后重新開裂,裂縫發(fā)展方向?yàn)榭v向,往U肋斜向延伸。

3 裂縫產(chǎn)生原因分析

3．1 U肋的U形裂縫

扁平鋼箱梁頂板和U肋相當(dāng)于支承于彈性支座上的多跨梁,直接作用于U肋和頂板的局部輪壓荷載,在中部導(dǎo)致頂板和U肋的聯(lián)合撓曲,進(jìn)而在焊接裂縫處出現(xiàn)疲勞裂紋,向下發(fā)展直至貫通。在較大的豎向輪壓荷載作用下,端部橋面板和U肋的焊接處將產(chǎn)生較大的固端彎矩,并帶有高度的應(yīng)力集中,從而導(dǎo)致焊縫開裂。

3．2 橫隔板上的裂縫

橫隔板開裂的主要原因是正交異性鋼橋面板在承受重型活載時(shí),該處的局部應(yīng)力較大引起的疲勞破壞。橫隔板開裂區(qū)域的應(yīng)力主要由兩部分組成:一部分是車輪荷載直接作用下的局部應(yīng)力,另一部分是由橫隔板上各U肋穿孔之問(wèn)的齒形板形成的懸臂梁效應(yīng)引起的局部應(yīng)力,后者的應(yīng)力與橫隔板上緣的水平剪力成正比[3]。U肋過(guò)焊孔處橫隔板容易出現(xiàn)應(yīng)力集中,在活載的反復(fù)作用下,最終導(dǎo)致疲勞破壞。

3．3 U肋與橋面板、橫隔板處焊縫開裂

在較大的豎向輪壓荷載作用下,橋面板和U肋會(huì)產(chǎn)生較大的局部撓曲變形,由于變形的連續(xù)性,同時(shí)引起相鄰部件的變形。由于U肋的撓曲變形,引起了橋面板的面外變形,從而在橋面板與U肋角焊縫的焊趾、焊跟處產(chǎn)生次彎矩。在次彎矩的作用下,U肋的焊趾處產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力和應(yīng)力集中,容易造成U肋焊趾、焊跟處產(chǎn)生焊縫開裂。

U肋在橫隔板附近的變形約束剛度要相對(duì)大于中間部位,剛度越大,次彎曲應(yīng)力越大,因此疲勞裂紋通常會(huì)在此位置首先開裂。焊縫疲勞裂紋一旦產(chǎn)生,一般呈縱向發(fā)育擴(kuò)展,有些裂紋發(fā)展方向會(huì)偏離焊趾,向U肋母材擴(kuò)展,造成母材發(fā)生剪切破壞。

3．4 設(shè)計(jì)構(gòu)造因素

與設(shè)計(jì)構(gòu)造因素相關(guān)的主要有鋼箱梁鋼材的選擇,橋面板厚度、底板厚度、縱向加勁肋厚度及型式、橫隔板鋼板厚度及型式等鋼箱梁主要設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇[4]。

4 鋼箱梁裂縫維修策略

鋼箱梁的日常檢測(cè)對(duì)于保證橋梁的正常運(yùn)營(yíng)相當(dāng)重要,對(duì)鋼橋運(yùn)營(yíng)期間出現(xiàn)的裂紋,常用方法有人工目視檢測(cè)法、射線探傷法、超聲波探傷法、磁粉探傷法、滲透探傷法等。當(dāng)目測(cè)發(fā)現(xiàn)裂縫出現(xiàn),評(píng)估裂縫的擴(kuò)展情況,必要時(shí)采取緊急維修措施[]。

對(duì)于鋼箱梁比較常見(jiàn)的焊縫裂紋,可以采用常規(guī)焊接工藝進(jìn)行處治,根據(jù)部位的不同,在焊接時(shí)層數(shù)的位置有所區(qū)別,具體處治措施如下。

4．1 橫隔板及構(gòu)件連接處角裂縫維修

在裂縫終端鉆直徑8mm的止裂孔,防止裂紋再次擴(kuò)展,止裂孔深度應(yīng)超過(guò)裂紋深度。用直徑10mm或8mm碳棒,氣刨每條裂紋焊縫,刨槽深度超過(guò)板厚的2/3,刨槽四面斜坡角應(yīng)大于10度,底部應(yīng)圓滑過(guò)度。采用砂輪機(jī)將清刨部位進(jìn)行打磨處理,使坡口面光滑、無(wú)飛濺、無(wú)夾碳、露出金屬本色。采用手工電弧焊進(jìn)行焊接,焊完后進(jìn)行碳弧氣刨清根,并可見(jiàn)正面焊肉,打磨干凈后再采用手工電弧焊焊接;焊后進(jìn)行外觀報(bào)檢,24h后進(jìn)行超聲波探傷檢測(cè),達(dá)到焊接要求。焊縫修補(bǔ)次數(shù)應(yīng)控制不超過(guò)兩次,但焊接前必須制訂符合規(guī)范要求焊接工藝,由專業(yè)焊工進(jìn)行施焊。

4．2 U肋處裂縫維修

(1)U肋開裂的情況。對(duì)長(zhǎng)度較短,未延伸至U肋底板的裂縫,采用普通的焊接方式對(duì)該裂縫進(jìn)行修補(bǔ)焊接。

(2)U肋斷裂的情況。對(duì)長(zhǎng)度較長(zhǎng),延伸至U肋底板和貫穿的裂縫,可采用U肋替代嵌補(bǔ)法或U肋幫襯加固法。

U肋替代嵌補(bǔ)法:將出現(xiàn)開裂范圍的U肋完全割除,兩端切割面垂直,對(duì)切割面進(jìn)行打磨處理后,采用原規(guī)格U肋制作等長(zhǎng)的嵌補(bǔ)段,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)嵌補(bǔ)焊接。U肋與橋面板采用原設(shè)計(jì)焊縫,U肋間采用內(nèi)部帶襯板的對(duì)接焊縫。焊接應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范及原設(shè)計(jì)文件的要求。

U肋幫襯加固法:首先對(duì)各裂縫進(jìn)行修補(bǔ)焊接,然后打磨平整,之后采用特制U肋幫襯段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)幫襯段與原U肋周邊的圍焊,焊接應(yīng)滿足相關(guān)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

鋼箱梁的結(jié)構(gòu)和受力比較復(fù)雜,在車輛荷載的反復(fù)作用下,鋼箱梁焊縫極易出現(xiàn)疲勞破壞,尤其是超載車輛普遍存在,對(duì)鋼箱梁疲勞問(wèn)題的影響更大。筆者闡述了鋼箱梁易于產(chǎn)生裂縫的關(guān)鍵部位有U肋焊縫及鋼板裂縫、橫隔板處裂縫、U肋與橋面板連接焊縫、橫隔板與頂板連接焊縫、橫隔板與U肋連接焊縫、縱隔板與橋面板連接焊縫、橫隔板與縱隔板連接焊縫。應(yīng)加強(qiáng)日常檢查工作,定期對(duì)重點(diǎn)部位焊縫實(shí)施外觀檢查,必要時(shí)可采取自動(dòng)監(jiān)測(cè)手段對(duì)病害的發(fā)展進(jìn)行監(jiān)測(cè),實(shí)時(shí)掌握病害的發(fā)展情況,以便采取及時(shí)有效的措施對(duì)病害予以治理。

[1]胡潔．某公路大橋鋼箱梁焊縫疲勞裂紋原因分析與處治[J]．福建建材,2013,(4):55－57．

[2]中華人民共和國(guó)交通部．JTGH11－2004,公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范[S]．北京:人民交通出版社,2004．

[3]宋廣君,華龍海．某斜拉橋鋼箱梁橫隔板裂縫分析與加固方法研究[J]．橋梁建設(shè),2014,(4):107－111．

[4]曾勇,向中富,于福,等．大跨度懸索橋鋼加勁梁典型病害及維修策略[J]．重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,(S1):700－704．

[5]姜竹生,瞿濤,呂磊,等．鋼箱梁典型病害分析及其檢測(cè)與維護(hù)技術(shù)研究[J]．防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào), 2011,(5):572－577．

10．3969/j．issn．1672－9846．2015．04．021

U448．27;U445．7＋1

A

:1672－9846(2015)04－0081－03

2015－05－08

黃新明(1975－),男,湖北黃梅人,湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院道橋系副教授,主要從事橋梁加固研究。

賴敏芝(1976－),女,浙江龍游人,湖北交投科技發(fā)展有限公司高級(jí)工程師,主要從事橋梁檢測(cè)工作。