分析大跨度橋梁鋼箱梁疲勞裂縫特征及檢測(cè)技術(shù)

孫海東，王旭

（江蘇潤(rùn)揚(yáng)大橋發(fā)展有限責(zé)任公司，南京 210000）

1 引言

當(dāng)公路橋梁的應(yīng)用疲勞程度達(dá)到一定程度時(shí)便會(huì)產(chǎn)生各類(lèi)裂縫，構(gòu)成嚴(yán)重的安全隱患。例如，鋼箱梁橋梁的 U 肋在車(chē)輛荷載作用下非常容易產(chǎn)生疲勞裂縫。因此，必須針對(duì)橋梁疲勞裂縫采取相應(yīng)的檢測(cè)措施，查明裂縫的形成原因，并且制定科學(xué)合理的防治措施，這樣才能保證大跨度橋梁的應(yīng)用效率，提高橋梁的安全性。

2 大跨度橋梁鋼箱梁疲勞裂縫檢測(cè)技術(shù)

大跨度橋梁鋼箱梁具有強(qiáng)度高且穩(wěn)定性良好的特點(diǎn)，近年來(lái)在道橋施工中得以廣泛應(yīng)用，同時(shí)也是當(dāng)前我國(guó)橋梁工程中的主要截面形式。然而，在交通運(yùn)輸需求不斷提升的過(guò)程中，越來(lái)越多的超載車(chē)輛對(duì)鋼箱梁的應(yīng)用效果造成了嚴(yán)重影響，這其中以疲勞裂縫問(wèn)題最為嚴(yán)重。如果未能及時(shí)檢測(cè)與修復(fù)，不僅會(huì)影響橋梁的正常運(yùn)營(yíng)，還會(huì)導(dǎo)致橋梁倒塌事故。因此，橋梁裂縫檢測(cè)技術(shù)的重要性愈加明顯，當(dāng)前針對(duì)疲勞裂縫的檢測(cè)通常分為無(wú)損檢測(cè)與有損檢測(cè) 2種。其中，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要包括磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)、射線檢測(cè)、渦流檢測(cè)以及超聲波檢測(cè)等。采用磁粉與滲透檢測(cè)方式時(shí)主要針對(duì)橋梁表面裂縫，超聲波檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)針對(duì)橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)與裂縫情況進(jìn)行檢測(cè)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值[1]。

3 工程案例

3.1 工程概況

為進(jìn)一步驗(yàn)證鋼箱梁疲勞裂縫檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用效果，本研究以江蘇某公路大橋?yàn)槔摯髽驗(yàn)?跨連續(xù)全漂浮鋼箱梁橋梁，跨徑組合為 240m+650m+232m，橋梁寬度為 36.2m。鋼箱梁采用正交異性鋼橋面板，橋面板厚度為 14mm，U 肋板厚度為 6mm。通過(guò)對(duì)該橋梁的實(shí)際運(yùn)行情況了解可知，該橋梁當(dāng)前承受了較大的交通運(yùn)輸壓力，而且日均流量已經(jīng)超出正常范圍的1倍以上。

3.2 鋼箱梁疲勞裂縫調(diào)查

本研究中在開(kāi)展過(guò)程中，針對(duì)案例橋梁進(jìn)行全面的鋼箱梁例行檢查，發(fā)現(xiàn)該橋梁存在8處疲勞裂縫。從裂縫分布的位置來(lái)看，該橋梁的裂縫主要存在于重車(chē)道與混合車(chē)道的軌跡帶附近，而且在順橋方面，尤其是在 U 肋隔板出也大量疲勞裂縫，該橋梁鋼箱梁疲勞裂縫的分布比例情況如表1所示。

3.3 疲勞裂縫的表現(xiàn)形式

通過(guò)對(duì)該橋梁鋼箱梁存在的疲勞裂縫類(lèi)型進(jìn)行細(xì)致化分，具體可以歸納為以下幾類(lèi)情況：（1）U 肋與橋面之間的疲勞裂縫；（2）U 肋總隔板末端的裂縫；（3）橫縱隔板區(qū)域內(nèi)的裂縫；（4）U 肋焊接區(qū)域產(chǎn)生的裂縫。

表1 案例橋梁鋼箱梁疲勞裂縫分布情況

3.4 鋼箱梁疲勞裂縫的形成原因

對(duì)該橋梁的疲勞裂縫進(jìn)行分析，形成原因具體如下：

1）U 肋與橋面板角之間的疲勞裂縫。在長(zhǎng)期超負(fù)荷的運(yùn)行過(guò)程中，鋼箱梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)與應(yīng)力情況會(huì)發(fā)生改變，并且最先反映到 U 肋與橋面板角的連接區(qū)域，由于這類(lèi)裂縫附帶一定的連續(xù)性，不僅會(huì)導(dǎo)致橋梁外部變形，同時(shí)還會(huì)造成焊跟處開(kāi)裂。隨著剛度的不斷提升，次彎曲應(yīng)力也會(huì)隨之增加，最終構(gòu)成母材發(fā)生剪切破壞[2]。

2）U 肋嵌補(bǔ)段疲勞裂縫。由于 U 肋嵌補(bǔ)段都是采用人工后焊方式進(jìn)行作業(yè)，這樣雖然能夠滿(mǎn)足鋼箱梁的應(yīng)用曲線需求，但是焊縫較短，這樣會(huì)對(duì)整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成影響。從力學(xué)角度進(jìn)行分析，能夠看出 U 肋與面板之間的彈性支承主要集中在連續(xù)梁中，當(dāng)橋梁中的移動(dòng)荷載不斷增加時(shí)，縱向 U 肋會(huì)將壓力轉(zhuǎn)嫁到連續(xù)梁中，當(dāng)連續(xù)梁產(chǎn)生變形勢(shì)必會(huì)造成疲勞裂縫的出現(xiàn)，最后導(dǎo)致疲勞裂縫侵入母材，造成鋼箱梁表面與內(nèi)部同時(shí)存在裂縫的情況。

3）縱隔板末端疲勞裂縫。在大跨度橋梁鋼箱梁的制造安裝過(guò)程中，縱隔板末端通常需要與橫隔板連接在一起，同時(shí)還要保證縱隔板的高度超過(guò) 30cm，這樣便會(huì)造成橫隔板的個(gè)別區(qū)域存在高度凸起的現(xiàn)象，進(jìn)而造成整體協(xié)調(diào)性失衡的局面，這樣在大量超負(fù)荷的運(yùn)輸荷載下，鋼箱梁內(nèi)部原本的應(yīng)力分散方式也會(huì)變化。由于局部的剛度突變，在焊接處會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力集中問(wèn)題，久而久之便會(huì)產(chǎn)生疲勞裂縫。因此，在針對(duì)縱隔板末端疲勞裂縫進(jìn)行處理時(shí)，還要搭配相應(yīng)的加固技術(shù)，這樣才能促進(jìn)鋼箱梁橋面的整體穩(wěn)定程度。

4 大跨度橋梁鋼箱梁疲勞裂縫的解決措施

4.1 常規(guī)解決措施

在解決大跨度橋梁鋼箱梁疲勞裂縫時(shí)，首先可以采用常規(guī)的處理措施，也就是針對(duì)焊接裂縫進(jìn)行修復(fù)，如 U 肋與橋面板角焊接、U 肋嵌補(bǔ)焊接裂縫等，可以采用常規(guī)焊接工藝技術(shù)對(duì)裂縫區(qū)域進(jìn)行處理，同時(shí)還要根據(jù)位置的不同，針對(duì)焊接層數(shù)進(jìn)行科學(xué)調(diào)整。可以采用表面磁粉檢測(cè)技術(shù)，當(dāng)明確疲勞裂縫位置時(shí)，根據(jù)鋼板的厚度確定止裂孔，以此來(lái)阻止焊接過(guò)程中的裂開(kāi)現(xiàn)象，可以有效避免裂縫的延伸。

在處理開(kāi)裂焊縫時(shí)，可以采用角焊方式直接對(duì)母材進(jìn)行重新焊接，在處理嵌補(bǔ)段裂縫時(shí)可以采用 V 形坡口焊接方式，將坡口角度調(diào)整為約 40°，在焊接過(guò)程中還要預(yù)留一定的間隙。此外，還可以采用二氧化碳保護(hù)焊的方式，選擇 3Y 級(jí)藥芯作為焊絲，針對(duì)嵌補(bǔ)段進(jìn)行焊接處理，并且與3層3道焊接工藝技術(shù)相結(jié)合，這樣可以有效保證 U 肋的應(yīng)用質(zhì)量，以此來(lái)強(qiáng)化大跨度橋梁鋼箱梁的運(yùn)行效果。

4.2 特殊解決措施

當(dāng)橋梁鋼箱梁中的疲勞裂縫情況比較特殊時(shí)，這時(shí)還要采取特殊解決措施。對(duì)于鋼箱梁中比較罕見(jiàn)的焊接裂縫，如縱隔板末端裂縫等，整體處理技術(shù)方式較為復(fù)雜，由于這種裂縫情況多出現(xiàn)在鋼箱梁底部與面板中，因此，在針對(duì)裂縫進(jìn)行處理時(shí)還要搭配相應(yīng)的加固措施，這樣才能強(qiáng)化裂縫處理效率。具體操作如下：

1）當(dāng)橫隔板與縱隔板之間的間距數(shù)值為 10～60cm時(shí)，為保證裂縫修復(fù)作業(yè)的施工環(huán)境，可以先針對(duì)縱隔板末端進(jìn)行切割處理，等到焊接作業(yè)完畢后對(duì)切割區(qū)域進(jìn)行修復(fù)；

2）采用磁粉探傷時(shí)，要先明確疲勞裂縫的起點(diǎn)與終點(diǎn)，根據(jù)鋼板厚度預(yù)設(shè)止裂孔，順著裂縫方向進(jìn)行開(kāi)槽，在開(kāi)槽作業(yè)完畢后可以再次進(jìn)行裂縫檢測(cè)，這時(shí)結(jié)合超聲波內(nèi)部檢測(cè)技術(shù)可以對(duì)鋼箱梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，這樣能夠針對(duì)各類(lèi)潛在裂縫進(jìn)行修復(fù)與處理；

3）在疲勞裂縫處理完畢后，還要針對(duì)縱隔板末端進(jìn)行加固作業(yè)，這樣可以使鋼箱梁底板與橋梁之間整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到提升，進(jìn)而緩解鋼板的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，大跨度橋梁鋼箱梁在長(zhǎng)期應(yīng)用中會(huì)形成各類(lèi)疲勞裂縫，如果未能及時(shí)采取正確的處理措施，不僅會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)對(duì)行車(chē)安全構(gòu)成嚴(yán)重隱患。因此，在針對(duì)超載車(chē)輛嚴(yán)格管控的同時(shí)，還要對(duì)大跨度橋梁采取科學(xué)合理的疲勞裂縫檢測(cè)技術(shù)，這樣才能科學(xué)延長(zhǎng)橋梁的使用壽命。