鋼箱梁橋面板裂紋產生原因和焊接處治方法

（中鐵山橋集團有限公司，河北 秦皇島 066205）

0 前言

鋼箱梁是橋梁鋼結構應用最廣泛的形式之一，具有質量輕、承載力大、外形美觀、經濟性好的特點，尤其對于大跨度的公路橋，鋼箱梁結構具有明顯的優點。目前國內大多數公路鋼橋均采用鋼箱梁結構。鋼箱梁橋最主要的病害是疲勞裂紋，近幾年國內多座大橋發現嚴重的疲勞裂紋病害，并呈現出快速發展的趨勢，必須進行修復加固。鋼箱梁裂縫處治方法主要有兩種，一種是栓接方式加固，一種是焊接方式處治，其中焊接方式是目前應用較多的一種。

1 裂紋類型

根據國內幾座橋梁疲勞裂紋的調查結果，橋面板產生疲勞裂紋的部位集中在U形肋與橋面板角焊縫周圍，主要有以下情況：（1）裂紋起源于U形肋角焊縫的焊根裂向橋面板（UMJ-1）；（2）裂紋起源于U形肋角焊縫面板側焊趾裂向橋面板（UMJ-2）；（3）裂紋起源于U形肋角焊縫焊根裂向焊縫表面（UMJ-3）；（4）裂紋起源于U形肋側焊趾裂向U形肋（UMJ-4）。其中UMJ-3類裂紋會從焊縫擴展到橋面板（UMJ-3b）或擴展到U形肋（UMJ-3c）上，使裂紋形態更加復雜，如圖1所示。

2 裂紋產生原因

圖1 橋面板疲勞裂紋種類

（1）U形肋橋面板剛度較小，車輛通過時，在車輪碾壓部位會產生一個局部的集中載荷，當載荷作用于U形肋內側時，會在角焊縫焊趾處產生較大的拉應力；當集中載荷作用于兩個U形肋之間時，會在角焊縫焊根處產生較大的拉應力。在拉應力的反復作用下，U形肋角焊縫的焊趾或焊根處會產生疲勞裂紋[1]。

（2）傳統的U形肋角焊縫均采用單面坡口部分熔透焊，角焊縫焊根處存在約20%U形肋厚度的未焊透，當車輪載荷作用于兩個U形肋之間時，U形肋內側焊根部位產生很大的應力集中，促使疲勞裂紋產生。根據某大型鋼箱梁橋的檢測結果，U形肋焊根裂紋占橋面板裂紋的比例最大，達到85%以上。

（3）車流量大、超載嚴重是鋼箱梁橋面板產生疲勞裂紋的主要原因之一。我國最早建造的一批鋼箱梁參照了歐洲和日本的設計，沒有充分預計到國內交通狀況的發展。近些年國內經濟發展快速，車流量往往遠超橋梁設計流量，并且重載車占通行車輛比例較大，超載現象嚴重，嚴重降低了橋梁的疲勞壽命[2]。實際檢測情況顯示，貨車通常行駛的行車道和重車道是橋面板疲勞裂紋最嚴重的區域。

（4）由于焊接生產工藝水平的限制，U形肋角焊縫存在焊趾處咬邊、外觀成形不良、角焊縫熔透深度不足[3]、焊腳尺寸偏小以及焊漏等缺陷，缺陷存在的部位疲勞性能降低，容易產生裂紋。

3 裂紋焊接處治方法

3.1 簡單的焊接處治

較為簡單的處治方法是采用碳弧氣刨和砂輪打磨的方式清除裂紋，然后重新焊接。UMJ-3裂紋修補如圖2所示，可以將U形肋角焊縫部分清除，打磨干凈后重新焊接。難點是既要打磨到一定的深度以確保焊縫的有效厚度，又不能將原有角焊縫刨穿，否則會造成角焊縫焊接困難，難以保證根部成形質量，因此施工氣刨過程中必須加強控制，掌握好氣刨深度。

圖2 UMJ-3裂紋修補

對于UMJ-2類裂紋，當裂紋剛開始產生，深度較淺未貫穿橋面時，可以從箱梁內用氣刨或打磨的方式清除裂紋，然后重新焊接，無需采取其他特殊措施。其缺點是只能進行仰位焊接操作，工作效率低，質量保證較難，焊后探傷難度較大。

簡單的焊接處治方法適用于裂紋數量較少、裂紋發展情況不嚴重狀態下的修復，也可以用于緊急情況下的修復，由于空間位置問題，該方法不適用于UMJ-1、UMJ-4類裂紋的處治。

3.2 從橋面板上方進行焊接處治

在箱梁內進行焊接施工時，受空間限制，設備和材料轉運困難，空氣流通不暢導致焊接煙塵難以排出，施工環境極其惡劣，存在諸多不利因素，因此當條件具備時可以將橋面鋪裝層打開，對裂紋進行徹底的檢測定位，盡可能從橋面板上方對裂縫進行清除和焊接作業[4]，如圖3所示。

圖3 UMJ-2面板裂縫清除

清除裂縫后，對于UMJ-2類裂紋，可以從箱梁內在背面貼陶瓷襯墊，從箱梁外的橋面板上方進行單面焊雙面成形焊接，如圖4所示。此時焊接位置為平位焊接，更容易保證焊接質量。焊后打磨焊縫表面、改善焊縫外觀成形是一種較為可靠的處治方法，能夠確保裂紋處治質量，焊接效率高。

圖4 UMJ-2面板裂縫修復示意

對于UMJ-1類裂紋，將橋面板打開以后雖然具備了從面板上方施焊的條件，但由于U形肋是封閉結構，無法從背面貼襯墊，不能保證熔透焊。為實現背面貼襯墊的全熔透焊接，可以采取以下措施。

（1）背面貼鋼襯墊焊接。

先在鋼襯墊合適的位置上點焊一個支撐（例如焊條），利用支撐將鋼襯墊送入橋面板下方，調整好襯墊位置，定位焊后去除支撐，然后焊接，如圖5所示。該方法操作簡便、施焊難度小、效率高，缺點是背面貼鋼襯墊的焊縫疲勞強度低，裂紋修復以后是否能夠滿足使用要求還有待驗證。

圖5 UMJ-1面板裂縫修復方法1

（2）U形肋上開手孔，貼陶瓷襯墊焊接。

為了從裂紋背面貼陶瓷襯墊，在裂紋對應位置的U形肋上開手孔，利用手孔在清除裂紋后的接頭背面貼襯墊，然后進行單面焊雙面成形焊接。該方法可以實現背面貼陶瓷襯墊的單面焊雙面成形焊接，相比背面貼鋼襯墊的焊接方法，焊縫理論疲勞強度大幅提高。其缺點是需要在U形肋上開手孔，削弱了U形肋的剛度、強度和連續性，可能形成新的裂紋源。焊接完成后可以采用加拼接板栓接的方式對削弱部位進行補強，但沒有可靠的方法恢復其連續性，恢復的實際效果也有待驗證。采用該方法工作量大、施工難度高，當裂紋數量較多時，需要在U形肋上的開孔部位多，因此采用該方法需要慎重考慮其不利影響。

（3）不開手孔貼陶瓷襯墊焊接。

在某長江大橋維修施工中采取了鋼襯墊+陶瓷襯墊的方案，即先從橋面板上方送入可以活動的鋼襯墊，然后以鋼襯墊為托架支撐陶瓷襯墊，移動鋼襯墊使陶瓷襯墊與面板貼緊，將襯墊固定后進行焊接，如圖6所示。該方法避免了開手孔破壞U形肋結構的完整性和連續性，同時又實現了背面貼陶瓷襯墊焊接，提高了焊縫抗疲勞強度，與前兩種裂紋處治方法相比具有較大的優勢。該方法的難點在于襯墊的粘貼需要工人非常細心的操作，施工效率低。為了將襯墊送入U形肋內部，裂紋刨開的寬度較大（≥8 mm），焊縫質量與襯墊和面板的密貼程度相關，密貼不佳容易產生缺陷。焊接完成后無法對焊縫背面的外觀成形進行檢查和修整，必須加強施工過程中的質量控制。

3.3 更換部分構件修復

U形肋角焊縫是橋面板疲勞破壞的裂紋源，U形肋的封閉結構是裂紋修復困難的關鍵，因此可以考慮將部分U形肋切除后再進行裂紋處治。如圖7所示，將部分U形肋切除后，從橋面板上方對UMJ-1類裂紋采用背面貼陶瓷襯墊的方法焊接，從箱梁內部修補背面焊縫缺陷，打磨處理焊縫背面余高，必要時可將余高磨平，質量控制難度小，焊接質量好，修復以后的疲勞性能較高。裂紋修復后，重新制作一塊U形肋，組裝后焊接U形肋與面板角焊縫以及U形肋間對接焊縫。對于U形肋本身破壞比較嚴重的UMJ-3b類裂紋，也可以采取該方法將U形肋部分更換。采用部分切除U形肋的修補方法很好地解決了操作空間問題，是一種較為徹底的處治方法，焊接質量得到保證。該方法存在的問題是更換構件的工作量大，箱梁內打磨、焊接操作不便，施工效率低，構件切除焊接對橋梁原有受力平衡有影響，當裂紋數量較少但破壞嚴重時可考慮采用該方法。

圖7 更換部分構件修復

4 處治要點

（1）為避免對其他位置造成損傷，橋面板裂紋修復前必須精確定位，因此必須先檢測。目前常用的磁粉、射線和常規超聲波檢測都有一定的局限性，難以精確檢測裂紋的深度和位置。某大橋采用超聲波衍射時差法（TOFD）效果良好，檢測時采用一發一收兩只探頭，利用缺陷端點處的衍射信號探測和測定缺陷尺寸，可用于焊縫中缺陷的檢測、定量和定位。檢測時以U形肋中線為中心，發射探頭和接受探頭分列于掃查小車兩側，沿U形肋角焊縫中心線順橋向行走，掃查角焊縫附近的缺陷，通過分析波形確定裂紋的深度和位置。

（2）裂紋處治應采用效率高、方便靈活的焊接設備，以適應現場移動頻繁、操作空間小的工作環境；選擇韌性好，強度較低的焊接材料，避免焊縫與母材強度相差太大；制定焊接工藝時注意控制焊接熱影響區的硬度，避免熱影響區硬度過高造成接頭疲勞強度降低。

（3）裂紋焊接處治注意細節處理，施工過程中注意控制焊接規范參數，嚴格執行工藝規范，線能量控制在合理范圍內，避免對熱影響產生不良影響。嚴格控制焊縫咬邊、焊瘤、未焊滿、未焊透等缺陷[5]，必要時進行修補、打磨處理，避免焊縫外觀缺陷對疲勞性能產生不利影響。

5 結論

雖然橋面板疲勞裂紋均起源于焊接接頭，但這是由多種因素造成的，焊接仍然是進行裂紋處治的一個較好選擇，具體方式應根據裂縫發展情況和現場施工的環境條件制定。鋼箱梁橋在我國大規模應用的時間較短，鋼箱梁橋面板裂紋處治的實施案例很少，其工藝方法還需要廣大橋梁焊接工作者進行探索研究，并在工程實踐中加以驗證。可以預見，今后幾年鋼箱梁裂縫維修處治工程將不斷增多，裂縫處治工藝技術的研究應用前景非常廣闊。