高速鐵路特大橋鋼桁梁高強(qiáng)度螺栓斷裂分析及養(yǎng)修建議

朱素華 上海鐵路局南京橋工段

高速鐵路特大橋鋼桁梁高強(qiáng)度螺栓斷裂分析及養(yǎng)修建議

朱素華 上海鐵路局南京橋工段

針對(duì)南京大勝關(guān)高速鐵路特大橋鋼桁梁高強(qiáng)度螺栓斷裂現(xiàn)狀，統(tǒng)計(jì)折斷的相關(guān)數(shù)據(jù)、并根據(jù)不同折斷位置、發(fā)生折斷的時(shí)間、折斷的形式等進(jìn)行初步分析，為南京大勝關(guān)長(zhǎng)江高速鐵路特大橋鋼桁梁的今后養(yǎng)護(hù)維修和研究提供參考。

高速鐵路橋；高強(qiáng)度螺栓；折斷；分析；養(yǎng)護(hù)

南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋?qū)儆诟咚勹F路特大型橋梁，是世界首座六線鐵路大橋，于2006年初開(kāi)工，2010年12月建成通車（見(jiàn)圖1）。大橋全長(zhǎng)14.889 km，按六線軌道設(shè)計(jì)(京滬高鐵雙線設(shè)計(jì)時(shí)速300 km/h、滬蓉高鐵雙線設(shè)計(jì)速度250 km/h、地鐵雙線設(shè)計(jì)速度80 km/h)，具有體量大、荷載大、跨度大、速度高的“三大一高”世界領(lǐng)先水平，跨越長(zhǎng)江的水域合建區(qū)段主橋長(zhǎng)1 615.0 m，孔跨式樣為2聯(lián)（84+84）m連續(xù)鋼桁梁/ （108+192+336+336+192+108）連續(xù)鋼桁拱橋，主跨2×336 m連續(xù)鋼桁拱為世界同類橋梁最大跨度，主橋鋼梁重量約為8.2萬(wàn)t，主桁由三片主桁架組成，桁梁總寬41.0 m，兩個(gè)336 m的中跨鋼拱桁，從拱趾到拱頂總高96.18 m。正橋鋼桁梁采用382萬(wàn)套高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接，其中主桁桿件采用M30螺栓連接,橋面系和聯(lián)結(jié)系構(gòu)件采用M24螺栓連接,橋面U形肋和板肋的拼接采用M22螺栓連接。M24、M22高強(qiáng)度螺栓材質(zhì)為20MnTiB，M30高栓材質(zhì)為35VB。

圖1 大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋鋼桁梁橋全景圖

1 高強(qiáng)度螺栓斷裂的基本情況

大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋鋼桁梁高強(qiáng)度螺栓，從2010年12月30日開(kāi)通運(yùn)營(yíng)到2016年3月22日，共發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度螺栓斷裂277套，而且每年都會(huì)發(fā)生高強(qiáng)度螺栓斷裂的現(xiàn)象，其中M30規(guī)格高強(qiáng)度螺栓斷裂34套，M24規(guī)格高強(qiáng)度螺栓斷裂219套，M22規(guī)格高強(qiáng)度螺栓斷裂24套（見(jiàn)表1）。

表1 大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋正橋 高強(qiáng)度螺栓折斷統(tǒng)計(jì)表（規(guī)格及位置）

高強(qiáng)度螺栓發(fā)生斷裂，由于受力、材質(zhì)等原因影響，斷裂位置不一（見(jiàn)圖2～圖6），主要有以下幾種形式：①螺栓絲桿中部；②螺母與螺栓交接處；③螺栓直桿與絲口交界處；④螺栓直桿與螺栓頭部交接處；⑤螺栓直桿中部。其中圖3、圖4、圖5是大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋鋼桁梁發(fā)現(xiàn)最多的斷裂位置，斷裂位置發(fā)生在螺栓直桿與螺栓頭部交接處和螺栓直桿中部屬于延遲斷裂的可能性比較大。

圖2 螺栓絲桿中部

圖3 螺母與螺栓交接處

圖4 螺栓直桿與絲口交界處

圖5 螺栓直桿與螺栓頭部交接處

圖6 螺栓直桿中部

2 高強(qiáng)度螺栓斷裂的原因分析

2.1 氣候條件的不利影響

大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋鋼桁梁橋位于江蘇省西南部、長(zhǎng)江的中下游，屬北亞熱帶向中亞熱帶過(guò)度氣候帶，具有過(guò)度性、季風(fēng)性、濕潤(rùn)性的特點(diǎn)。年平均雨日118.8天，相對(duì)濕度較高：1月份平均為73.7%、7月份平均為81.1%、年平均77.0%。每年的1~4月份、10~12月份晝夜溫差大，這樣的環(huán)境氣候條件對(duì)高強(qiáng)度螺栓的耐侯性有很大的影響，是造成高強(qiáng)度螺栓斷裂的原因之一。

2.2 原材質(zhì)因素造成缺陷

通常，高強(qiáng)度螺栓材質(zhì)自身缺陷會(huì)造成延遲斷裂。高強(qiáng)螺栓的原材料中存在非金屬夾雜物，冶煉和加工過(guò)程中各種介質(zhì)（特別是氫）的侵入，導(dǎo)致在冶煉過(guò)程中，可能會(huì)存在初始缺陷，在制造過(guò)程中，也有可能產(chǎn)生新的制造缺陷，這些都有可能成為日后高強(qiáng)螺栓延遲斷裂的誘因。

2.3 施工誤差引起延遲斷裂

為防止高強(qiáng)度螺栓腐蝕，目前國(guó)內(nèi)通常的做法是對(duì)高強(qiáng)度螺栓表面進(jìn)行處理，雖然可以防腐，但是在施工時(shí)需要在其表面涂抹潤(rùn)滑劑，易造成扭矩系數(shù)離散，導(dǎo)致預(yù)緊力無(wú)法控制，出現(xiàn)超擰問(wèn)題。根據(jù)鐵路鋼橋高強(qiáng)度螺栓連接施工規(guī)定（TBJ214-92），鐵路鋼橋架設(shè)過(guò)程中采用定扭矩扳手進(jìn)行施工扭矩控制。該法技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，但存在施工扭矩控制不準(zhǔn)，班前班后扭矩標(biāo)定，終擰后扭矩檢查復(fù)驗(yàn)等復(fù)雜施工工序，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，施擰質(zhì)量仍主要依靠人工，無(wú)法實(shí)現(xiàn)扭矩精準(zhǔn)控制及記錄，一旦出現(xiàn)超擰，將是高強(qiáng)螺栓延遲斷裂的主因。

2.4 結(jié)構(gòu)應(yīng)力造成自身破壞

對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)而言，連接破壞是結(jié)構(gòu)破壞的最重要原因，結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中等誘因會(huì)導(dǎo)致高強(qiáng)度螺栓自身破壞，主要有螺栓直接剪斷；有裂紋、裂縫；螺紋、螺桿損傷；螺紋磨損嚴(yán)重超過(guò)配合間隙(滑扣)；表面脫碳、鍍鋅層脫落；銹蝕；彎曲、拉伸變形等情況。

3 高強(qiáng)度螺栓缺失對(duì)接頭傳力性能的影響

作為連接部位的重要傳力部件，高強(qiáng)螺栓的斷裂會(huì)導(dǎo)致連接接頭滑移，甚至主體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。栓接接頭在承受外力時(shí)，每排螺栓所傳遞的外力與全部螺栓所傳遞的總外力之比稱為傳力比。

南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋鋼桁梁橋桁架節(jié)點(diǎn)板高強(qiáng)度螺栓的排列形式為長(zhǎng)列多排高強(qiáng)度螺栓接頭，其承載性能、各栓傳力比復(fù)雜，長(zhǎng)列多排高強(qiáng)度螺栓接頭在軸力作用下各排傳力比接近馬鞍型分布，第一排和最末一排螺栓傳力比最大，中間螺栓傳力比較小，由兩邊向中間遞減。螺栓缺失后對(duì)其相鄰的兩排螺栓影響很大，對(duì)其余各排螺栓的傳力比影響不明顯，說(shuō)明螺栓缺失只對(duì)局部范圍內(nèi)的螺栓有影響，但若傳力比較大的螺栓排缺失數(shù)量達(dá)到一定程度后，極易使剩余螺栓傳力比超過(guò)其抗剪承載力而出現(xiàn)剪切破壞（見(jiàn)圖7）。

圖7 螺栓缺失狀態(tài)下各排螺栓的傳力比示意圖

綜上所述，高強(qiáng)度螺栓發(fā)生折斷后，傳力比滑移會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力重分布導(dǎo)致高栓受力不均，從而加劇高強(qiáng)度螺栓的折斷速度，形成惡性循環(huán)，

4 高強(qiáng)度螺斷裂養(yǎng)修建議

高強(qiáng)度螺斷裂原因復(fù)雜，受影響的因素很多，為減少高強(qiáng)度螺栓的斷裂或發(fā)生斷裂的情況下，確保運(yùn)營(yíng)的高速鐵路鋼桁梁橋設(shè)備狀態(tài)良好，重點(diǎn)是做好以下幾方面工作。

4.1 改善高強(qiáng)度螺栓原材料性能

南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋鋼桁梁橋使用的高強(qiáng)度螺栓是材質(zhì)20MnTiB與35VB兩種。20MnTiB栓淬火控制要求較高，導(dǎo)致其加工與施擰難以控制在其有效載荷范圍，從統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)中，可以看到，發(fā)生折斷的20MnTiB高強(qiáng)度螺栓占斷裂總數(shù)的87%，所以盡量采用35VB材質(zhì)的高強(qiáng)度螺栓連接副或其他性能更好的高強(qiáng)度螺栓連接副。

4.2 加強(qiáng)日常養(yǎng)修作業(yè)管理

《高速鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則（試行）》（TG/GW 114-2011）第5.2.1條規(guī)定，鋼桁梁橋每季檢查一遍，南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋鋼桁梁橋目前實(shí)行的是每月檢查一遍，目的是縮短檢查周期，加大高強(qiáng)度螺栓的檢查頻率，盡早發(fā)現(xiàn)斷裂的高強(qiáng)度螺栓，并及時(shí)補(bǔ)充更換，保持該節(jié)點(diǎn)高強(qiáng)度螺栓的處于正常的受力狀態(tài)。

更換高強(qiáng)度螺栓的關(guān)鍵是控制好扭矩，高強(qiáng)度螺栓的施工預(yù)拉力應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，欠擰值或超擰值均不應(yīng)超過(guò)規(guī)定值的10%。高強(qiáng)度螺栓的初擰值應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)確定，一般取終擰值的40%～70%。更換過(guò)的螺栓在檢驗(yàn)之后，均應(yīng)涂上與橋梁結(jié)構(gòu)顯著不同的顏色，并記入橋梁記錄簿，注明其數(shù)量和位置。更換螺栓后，應(yīng)對(duì)其所有相鄰而未更換的螺栓加以敲擊，檢查是否受到損傷。

高強(qiáng)度螺栓更換，對(duì)于大型節(jié)點(diǎn)，同時(shí)更換的數(shù)量不得超過(guò)該節(jié)點(diǎn)螺栓總數(shù)的8%，對(duì)于螺栓數(shù)少的節(jié)點(diǎn)則要逐個(gè)更換。在一個(gè)連接處（或節(jié)點(diǎn)）少量更換的螺栓、螺母及墊圈的材質(zhì)、規(guī)格、強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)與原橋上使用者相同，不準(zhǔn)混用。

溫度與濕度對(duì)扭矩系數(shù)影響很大，雨天、大霧天不得進(jìn)行高強(qiáng)度螺栓施擰作業(yè)。高強(qiáng)度螺栓擰緊后，為防止雨水及潮濕空氣侵入板縫，節(jié)點(diǎn)板束四周的裂縫均應(yīng)膩縫封閉。高強(qiáng)度螺栓、螺母和墊圈的外露部分均應(yīng)進(jìn)行涂裝防銹處理。

4.3 原始資料的收集

南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋鋼桁梁橋 6、7、8號(hào)墩頂與支座連接位置鋼桁梁節(jié)點(diǎn)及部分鋼桁梁上部平弦節(jié)點(diǎn)，靠近江面最近、結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，是高強(qiáng)度螺栓斷裂比較集中的節(jié)點(diǎn)位置，特別是7#墩是2×336 m連續(xù)鋼桁拱固定支座位置，高強(qiáng)度螺栓斷裂數(shù)量已達(dá)51個(gè)，要繼續(xù)做好相關(guān)資料的收集工作，積累高強(qiáng)度螺栓斷裂及補(bǔ)裝的原始數(shù)據(jù)，為今后的設(shè)備養(yǎng)修和科研提供數(shù)據(jù)支持。

5 結(jié)束語(yǔ)

南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋主橋?qū)儆阡撹炝航Y(jié)構(gòu)，高強(qiáng)度螺栓發(fā)生斷裂的原因比較復(fù)雜，存在著現(xiàn)場(chǎng)收集的數(shù)據(jù)因檢查不到位等原因還不全面，部分折斷的高強(qiáng)度螺栓因作業(yè)人員無(wú)法到達(dá)所處位置仍未補(bǔ)裝，養(yǎng)修中補(bǔ)裝的高強(qiáng)度螺栓無(wú)法與原橋材質(zhì)、規(guī)格、強(qiáng)度等級(jí)保持一致，補(bǔ)裝時(shí)現(xiàn)場(chǎng)扭矩系數(shù)確定困難，定扭矩帶響扳手的施工扭矩控制不準(zhǔn)、班前班后標(biāo)定無(wú)法保證等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，為確保鋼桁梁的設(shè)備狀態(tài)良好，需要盡早完善設(shè)備設(shè)施，改善養(yǎng)修作業(yè)條件。

[1]GB-T 1228-2006.鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓[s].

[2]TBJ 214-92鐵路鋼橋高強(qiáng)度螺栓連接施工規(guī)定[s].

[3]TG/GW 114-2011.高速鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則（試行）[s].

[4]李運(yùn)生.王慧佳.張彥玲.鋼桁梁高強(qiáng)度螺栓連接的節(jié)點(diǎn)板局部受力性能分析[J]石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào).2013.9.

[5]張德瑩.王慧佳..李運(yùn)生.摩擦型高強(qiáng)度螺栓傳力性能及缺失的非線性分析[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào).2015（2）.10~1.

[6]京滬高速鐵路南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋技術(shù)論文集[M].北京：中國(guó)鐵道出版社.2009.

責(zé)任編輯：許耀元

來(lái)稿日期：2016-12-12