大跨徑斜拉橋鋼箱梁疲勞破壞的評估與加固方法研究

(福建工程學院 土木工程學院， 福建 福州 350118)

0 前言

斜拉橋的跨越性能較好，而且箱型結(jié)構(gòu)抵抗風力的性能又較強，所以二者相互結(jié)合使得斜拉橋鋼箱梁成為了大跨度橋梁的重要選擇方案。當前采用鋼箱梁的橋型呈現(xiàn)出跨徑越來越大、結(jié)構(gòu)越來越輕的發(fā)展趨勢，這樣有利于材料的節(jié)省，但斜拉橋鋼箱梁由于不斷承受高頻變幅荷載的沖擊，容易產(chǎn)生頻率裂紋，使得大跨徑斜拉橋鋼箱梁的壽命降低[1]。正交異性橋面板雖然有很多優(yōu)勢，比如承載力好、本身自重輕等，但因其構(gòu)造較復雜，需要焊接的部位太多，容易產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，且其受力不順暢，各應力的影響線也較短，最終會出現(xiàn)疲勞開裂等問題[2]。

國外較早在大跨徑斜拉橋的主梁上應用鋼箱梁，如英國的賽文橋、日本多多羅橋等；而國內(nèi)在20世紀80年代之后才開始采用[3]；目前，全球比較有名的十大斜拉橋國內(nèi)就占了8座，見表1，典型的有江蘇的蘇通大橋、南京的長江二橋以及三橋等。除了這些已建成的斜拉橋，在建的江蘇滬通長江大橋主跨也是達到了1 092 m。此外，全球十大懸索橋中國占了5座，見表2，其中武漢的楊泗港長江大橋僅次于日本明石海峽大橋，主跨長度為1700 m。

中國經(jīng)濟日益壯大，基礎設施的投入也不斷加大，交通量、車輛總重以及車輛速度都大幅提高，車輛的超載超限運輸嚴重損壞公路基礎設施，對橋梁的壽命也產(chǎn)生很大影響，尤其是鋼橋面板的疲勞問題突出，有些大跨徑斜拉橋鋼箱梁的使用壽命未達到1/2就產(chǎn)生嚴重的裂縫、疲勞損傷，甚至破壞。

表1 世界上著名的十大斜拉橋序號橋梁名稱橋式主跨長度/m建成年份1蘇通長江大橋斜拉橋1 08820082香港昂船洲大橋斜拉橋1 01820093鄂東長江大橋斜拉橋92620104日本多多羅橋斜拉橋89019995法國諾曼底大橋斜拉橋85619956南京長江三橋斜拉橋64820057南京長江二橋斜拉橋62820018白沙洲長江大橋斜拉橋61820019青洲閩江大橋斜拉橋605200110上海楊浦大橋斜拉橋6021993

表2 世界上著名的十大懸索橋序號橋梁名稱橋式主跨長度/m建成年份1日本明石海峽大橋懸索橋1 99119982楊泗港長江大橋懸索橋1 70020193舟山西堠門大橋懸索橋1 65020094丹麥大伯爾特橋懸索橋1 62419965潤揚長江公路大橋懸索橋1 49020056英國亨伯爾橋懸索橋1 41019817江陰長江公路大橋懸索橋1 38519998香港青馬大橋懸索橋1 37719979美國維拉扎諾橋懸索橋1 298196410美國金門大橋懸索橋1 2801937

疲勞損傷問題不僅出現(xiàn)在國內(nèi)，國外也一樣，當橋梁建成通車后，就會產(chǎn)生局部的疲勞裂縫[4-5]。英國、美國、法國、日本等國家都出現(xiàn)過大跨徑斜拉橋鋼箱梁橋面板疲勞破壞的問題，中國也不例外，如杭州灣大橋、桃夭門大橋等[6-8]。

綜上可知，大跨徑斜拉橋鋼箱梁疲勞破壞的問題與日俱增，國內(nèi)外學者對這些破壞形式、疲勞開裂的評定和加固方法進行了深入研究，但在大跨徑斜拉橋鋼箱梁疲勞破壞的具體評估方式和修復方法中缺乏一個整體性方案。因此，本文通過對大跨徑斜拉橋鋼箱梁疲勞破壞的方式、評定以及修復問題進行探討，總結(jié)出大跨徑斜拉橋鋼箱梁疲勞問題的加固與修復技術(shù)，可為今后大跨徑斜拉橋鋼箱梁的疲勞損傷修復問題提供一定的指導和借鑒。

1 鋼箱梁疲勞破壞形式

以天津海河大橋為例，該橋位于天津市濱海新區(qū)，于2002年開始使用，是一座鋼混合型大跨徑斜拉橋，主跨為310 m；該橋在主孔位置采用鋼箱梁，是為了提高該橋的跨越性能，長度為289.2 m；該橋緊挨著天津港的散貨物流中心以及臨港的工業(yè)區(qū)，成為該地區(qū)重要的交通道路，又因其地理位置比較特殊，所以很多中型以及大型貨車都要經(jīng)過此橋，隨著疲勞損傷的不斷累積，最終導致該橋出現(xiàn)以下幾種破壞形式。

1.1 橫隔板開裂

該橋的橫隔板開裂集中于中空式的橫隔板上方，裂紋大部分出現(xiàn)于U型肋焊縫處以及橫隔板加勁肋的上部[9]。如圖1所示，橫隔板的開裂一般出現(xiàn)于2、3、4、5、6的區(qū)間內(nèi)；從圖2可以看出，裂縫從橫隔板與U型肋連接處向兩側(cè)不斷擴大，將會影響周邊的連接。

圖1 橫隔板裂縫分布區(qū)

圖2 橫隔板裂縫

1.2 U型肋開裂

橫隔板和U型肋之間的裂紋會出現(xiàn)于起焊段；鋼箱梁內(nèi)的腳趾焊縫也存在病害問題[9]。U型肋與頂板間焊縫部位出現(xiàn)的疲勞裂縫數(shù)目較多，是疲勞破壞較為嚴重的位置，危害性也是較大的。U型肋與頂板間焊縫開裂位置見圖3。

U型肋中的腹板開裂也是比較常見的問題，應該特別注意裂縫的變化，避免出現(xiàn)疲勞問題。此外，焊縫缺陷大多數(shù)產(chǎn)生于頂板U肋和橫隔板之間，橫隔板上的焊縫會因焊縫不完整而出現(xiàn)焊縫位置開裂的現(xiàn)象。

圖3 U型肋與頂板間焊縫開裂位置

1.3 橋面板開裂

橋面板開裂有發(fā)生在順橋方向，也有發(fā)生在橫向方向，順橋方向主要發(fā)生在橫隔板的交接處，而橫向集中于U肋處[9]。除了天津海河大橋外，Second Van Brienenoord橋、軍山長江大橋以及蘇通長江大橋等橋梁均在通車幾年后，橋面板不同程度地出現(xiàn)疲勞裂縫，最終導致橋面板需要全方面的維修。Second Van Brienenoord橋橋面板的疲勞裂縫見圖4。

圖4 Second Van Brienenoord橋頂板裂縫

2 鋼箱梁破壞成因分析

2.1 橫隔板的裂縫成因

橫隔板產(chǎn)生裂縫是因為橋面板承受過重的活荷載，導致該部位的應力集中，從而發(fā)生疲勞破壞。橫隔板裂縫區(qū)的應力由兩方面產(chǎn)生：一是由于輪載作用于橋面板上，使橋面板局部累積過大的應力；二是橫隔板上某些部位形成懸臂梁而引起應力集中現(xiàn)象[10]。

2.2 U型肋的裂縫成因

因車輪荷載直接作用于U型肋和鋼箱梁頂板上，使得在大跨徑斜拉橋鋼箱梁頂板與U型肋的中部產(chǎn)生撓曲現(xiàn)象，引發(fā)該焊縫處出現(xiàn)疲勞裂縫；在豎向輪載不斷重復作用下，端部的鋼箱梁橋面板與U型肋的焊縫接口處產(chǎn)生過大的固端彎矩，而應力集中現(xiàn)象也較突出，最終發(fā)生疲勞破壞[11]?，F(xiàn)場檢查時發(fā)現(xiàn)U肋腹板和橫隔板之間的角焊縫往往未能在上下端焊趾處形成包角，或包角焊縫存在明顯缺陷，且焊縫表面未進行修磨，最終將陸續(xù)引起同類疲勞裂縫[12]。出現(xiàn)焊縫缺陷大部分是因焊縫未焊實、缺焊以及焊縫不密實所引起。

2.3 橋面板裂縫成因

大跨徑斜拉橋鋼箱梁橋面板與U型肋在豎向活荷載不斷重復作用下會產(chǎn)生撓曲現(xiàn)象，引起某部位變形，甚至引起橋面板的上部變形，影響行車；大跨徑斜拉橋鋼箱梁橋面板與U型肋角焊縫的焊跟處、焊趾處會發(fā)生次彎矩[11]。人為、溫度、剛度不足等因素也會造成橋面板壽命降低，甚至引起橋面板破壞。

2.4 設計構(gòu)造因素

與設計構(gòu)造因素相關(guān)的主要為鋼箱梁鋼材種類、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主要設計參數(shù)的選擇[13]。

3 鋼箱梁疲勞破壞的評估

大跨徑斜拉橋鋼箱梁出現(xiàn)疲勞開裂是因為該處有相當大的應力或生產(chǎn)時存在缺陷等；鋼箱梁因其構(gòu)造較復雜，需要焊接的部位多，開孔的數(shù)目也多，難以避免出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象以及初始裂紋的問題，所以使用鋼箱梁時要注意焊接部位，焊接部位都是比較敏感的部位，稍有不慎就會引起疲勞破壞問題[3]。大跨徑斜拉橋鋼箱梁在運營時，一直承受由重型車輛引起的隨機荷載作用，鋼箱梁的局部不斷累積損傷，使得大跨徑斜拉橋鋼箱梁橋面板出現(xiàn)新的疲勞裂縫，并且會使已經(jīng)開裂的裂縫不斷擴展，隨著作用的增加，最終大跨徑斜拉橋鋼箱梁會在毫無征兆的情況下發(fā)生破壞[13]。所以，對大跨徑斜拉橋鋼箱梁的疲勞狀況進行評估是非常重要的。

大跨徑斜拉橋鋼箱梁疲勞破壞的評估需要通過準確的荷載譜、疲勞損傷的相應理論、材料屬性等因素[3]。當前，國內(nèi)外的一些規(guī)范都對鋼結(jié)構(gòu)的疲勞設計做了相應的規(guī)定，主要有2種方法：一是基于 Miner線性累計損傷法則的S-N曲線法[14]，這種方法在現(xiàn)階段比較常用；二是基于斷裂力學的損傷容限法，該方法起源于航空領域，目前已廣泛應用于老化鋼箱梁的壽命評估[15]。表3為現(xiàn)有規(guī)范采用的評價方法及評價指標。

表3 現(xiàn)有規(guī)范的評價方法及評價指標規(guī)范名稱評價方法理論基礎評價指標是否適用于鋼箱梁GB 50017—2003S-N曲線法Miner法則疲勞累計損傷度 是BS 7910—2005質(zhì)量分類法斷裂力學法斷裂力學斷裂力學疲勞累計損傷度 是Eurocode 3S-N曲線法Miner法則疲勞累計損傷度 是AASHTO-LRFDS-N曲線法Miner法則疲勞累計損傷度 是

BS 7910—2005《金屬結(jié)構(gòu)缺陷驗收評定方法導則》[16]完整詳述了金屬結(jié)構(gòu)因缺陷破壞的評定準則，對大跨徑斜拉橋鋼箱梁疲勞破壞的評估有一定的參考意義。另外，要使鋼結(jié)構(gòu)的破損程度得到直觀表達，就應該根據(jù)相應的評估方法采用對應的評估指標，并且劃分出評估的等級標準，可參考表4。

表4 疲勞損傷評價等級疲勞累計損傷度 D劣化等級檢查措施D<0.2A一般檢查0.2≤D<0.5B重點檢查0.5≤D<0.8C定點檢查0.8≥D<1.0D盡早檢查D≥1.0E立即維修

根據(jù)以上評價方法所選取的評價指標雖然沒有考慮結(jié)構(gòu)的特點，但通過以上介紹的方法對結(jié)構(gòu)的壽命評估具有一定的參考價值。

4 鋼箱梁疲勞破壞的加固方法

大跨徑斜拉橋鋼箱梁在投入使用后，要定期對鋼箱梁進行檢查，確保鋼箱梁橋能夠正常運營，同時也是保證橋梁能夠達到正常壽命范圍。目前比較常用的檢測方法有以下兩方面：一是目視法，目視法簡易，但缺陷也明顯，只能檢測外部的裂縫，而不能檢測到內(nèi)部的；二是射線、滲透、超聲波等探傷法，采用探傷法可以有效檢測裂縫的位置及大小，對提高橋梁壽命有很大的幫助。大跨徑斜拉橋鋼箱梁在檢測出疲勞開裂后要及時地進行加固修復，以下歸納了大跨徑斜拉橋鋼箱梁疲勞破壞的加固方法。

4.1 角撐板補強法

角撐板補強法是指當兩U型肋之間的橋面板向下?lián)锨鷷r，先對裂縫進行修補，然后在加勁肋與鋼箱梁橋面板之間的下端安裝帶有挖孔的三角形鋼板，如圖5所示。角撐板補強法有助于緩解該裂縫區(qū)的變形以及受力情況[17]。

圖5 角撐板補強法

4.2 裂縫焊合法

裂縫焊合法適用于疲勞裂縫貫穿鋼板，且裂縫處較為狹窄及平順時；采用裂縫焊合法要先對裂縫進行切割以及打磨，打磨出一定的坡口再進行焊接，其中要注意的是坡口位置的選擇，如果選擇鋼板的上側(cè),就需要挖開橋面板鋪裝層，如果選擇鋼板的下側(cè),則可以避免，但工人不好施工，所以最終的選擇方案還是需要通過現(xiàn)場檢測后決定[17]。

4.3 鋼板補強法

鋼板補強法是指在裂縫區(qū)使用相同的鋼板進行補強，之后可選螺栓固定或者焊接焊合的方法把鋼板加固到鋼箱梁橋面板上；因構(gòu)件的差異，可選用單面或雙面加固。鋼板補強法可以修補該處的裂紋，還能提高裂紋處的剛度，從原理上說是最有效的補強方法，但也有不利的地方，其一是選用上下側(cè)補強鋼板時，作業(yè)難度大；其二是選用螺栓加固時，鉆孔難度大[17]。

4.4 止裂孔法

止裂孔法[17]是指在開裂區(qū)的最尖端打孔，通過打孔減緩該處的受力情況，阻止裂縫的延伸，如圖6所示。止裂孔法常用于鋼結(jié)構(gòu)的維修，還可與裂縫焊合、鋼板補強等方法一起使用，能更好地改善鋼板的開裂。

圖6 止裂孔法

4.5 裂縫沖擊閉合技術(shù)(ICR)

裂縫沖擊閉合技術(shù)(ICR)[18-19]是當前較為新奇的修復技術(shù)，該技術(shù)可以減輕開裂區(qū)的受力狀況，可使裂縫口閉合，還有助于減緩疲勞裂縫的進一步擴展;但是國內(nèi)起步較晚，現(xiàn)階段還處于試驗研究，很少投入到實際工程當中，最終研究的成果能否滿足實橋應用，還有待進一步的深入探索。

4.6 U肋替代嵌補法和U肋幫襯加固法

U肋替代嵌補法和U肋幫襯加固法一般適用于U肋斷裂的情況[11]。U肋替代嵌補法是指將開裂區(qū)的U型肋割除，切割面必須是垂直的，然后進行打磨，最后采用相同材料的U型肋進行嵌補焊縫；U肋幫襯加固法是指先對裂縫區(qū)進行修復，然后打磨，最后采用特制U型肋幫襯段進行現(xiàn)場幫襯段與原U型肋周邊的圍焊。

4.7 SPS補強法

SPS(Sandwich Plate System)補強法,是指采用夾芯板加固構(gòu)件的方法，即在原頂板與補強鋼板之間加入彈性較高的聚氨酯材料[17]，如圖7所示。從原理上說，SPS補強法加固橋面比原橋面板的耐疲勞性能好。

圖7 SPS補強法

4.8 粘貼或栓接彎曲成型鋼板

粘貼或栓接彎曲成型鋼板[17]是當前比較新穎的加固方法，該方法是將制作成型的鋼板，使用相應的粘貼劑或者螺栓固定在裂縫區(qū)，再將環(huán)氧樹脂涂抹到鋼板上，用于保護鋼板。因成型鋼板的防腐蝕性能較差，所以該方法還有待進一步深入研究。

4.9 纖維增強復合材料加固法

纖維增強復合材料(Fiber Reinforced Polymer Plastic，簡稱FRP)[20]是當前較為新奇的加固材料，纖維增強復合材料的優(yōu)點眾多，比如重量較輕、抗腐蝕性較好、材料的強度較大等，目前也已廣泛應用于鋼箱梁疲勞破壞的加固，常用的纖維增強復合材料有GFRP(玻璃纖維)、CFRP(碳?；祀s纖維)、C/GFRP (碳?；祀s纖維布)等。試驗表明，采用碳?；祀s纖維布加固法可以有效提高構(gòu)件的壽命。

4.10 工程應用

武漢軍山長江大橋坐落于湖北省武漢市，是一座特大型鋼箱梁斜拉橋，全長為4 881.18 m，該橋采用焊接流線形的鋼箱梁，主索塔使用分離式的倒“Y”形狀。軍山長江大橋于2001年開始運營，通車后因該橋日均通行量超過3萬輛，高峰期甚至達到4萬輛，以中型貨車及大型貨車為主，導致該橋承載力不足，全橋多處出現(xiàn)鋼箱梁疲勞裂縫[21]。

軍山長江大橋于2017年7月—2018年12月進行全封閉式維修，此前都是日常維修。軍山長江大橋修復采用的方法有裂縫焊合法、鋼板補強法等，如在橋面板疲勞裂縫貫穿鋼板時采用裂縫焊合法[22]。如圖8所示，通過該方法可以及時修復裂縫，避免裂縫不斷擴大。

圖8 橋面板裂縫焊合

5 結(jié)語

本文針對大跨徑斜拉橋鋼箱梁疲勞破壞的形式進行總結(jié)，分析其破壞的成因，并闡述大跨徑斜拉橋鋼箱梁疲勞破壞的評估方法，最后對大跨徑斜拉橋鋼箱梁疲勞破壞的加固方法進行整合，得出以下結(jié)論：

1) 大跨徑斜拉橋鋼箱梁的橫隔板開裂集中于中空式的橫隔板上方，橫隔板與U型肋連接處的裂縫易向兩側(cè)延伸，鋼箱梁內(nèi)的腳趾焊縫也存在病害問題，需要多加關(guān)注。

2) 因輪壓荷載不斷作用下，使得橋面板、橫隔板、U型肋這3處的應力較大，從而導致大跨徑斜拉橋鋼箱梁疲勞開裂；出現(xiàn)焊縫缺陷多數(shù)是因焊縫未焊實、缺焊以及焊縫不密實所引起。

3) 大跨徑斜拉橋鋼箱梁疲勞破壞的評估方法有S-N曲線法和損傷容限法，S-N曲線法是現(xiàn)階段比較成熟的一種方法，而損傷容限法目前也廣泛應用于老化鋼箱梁的壽命評估。

4) 大跨徑斜拉橋鋼箱梁疲勞破壞常用的加固方法有止裂孔法、SPS補強法、U肋替代嵌補法和U肋幫襯加固法等。近幾年提出了新的修復技術(shù)，如裂縫沖擊閉合技術(shù)(ICR)、纖維增強復合材料加固法、粘貼或栓接彎曲成型鋼板法等，這些加固方法可為今后大跨徑斜拉橋鋼箱梁的加固提供一定的參考和借鑒，但新技術(shù)還有待進一步深入研究。