鋼箱梁橋結構檢測與安全評估研究

摘 要：裂紋是鋼箱梁典型病害之一，本文結合某鋼箱梁橋結構檢測進行研究，在橋梁的檢測基礎上采用靜載試驗進行承載力的研究，從撓度和應變分布角度來探究橋梁的結構損傷性能。研究表面關鍵截面處采集的撓度和應變試驗值分布較為規律，校驗系數為0.4～0.6之間，表明鋼箱梁橋的結構強度和剛度均滿足設計要求。在探究鋼箱梁表面裂紋產生原因的基礎上進行養護措施的總結，旨在不斷維修橋梁的安全穩定。

關鍵詞：鋼箱梁;靜載試驗;結構檢測;養護措施

中圖分類號：U445.71 文獻標識碼：A

0 引言

鋼材具有強度高、韌性好等特點，自19世紀工業革命發明以來逐漸得到生產工藝優化，被應用于各類工業及建筑中。20世紀初，鋼材焊接技術極大促進了鋼材在特殊結構中的生產和開發。隨著公路橋梁技術的發展，鋼結構材料逐漸被應用到橋梁建設項目中，對于大跨徑的懸索橋、斜拉橋等特殊結構橋型，鋼材的材料和結構安全設計也至關重要，需進行合理科學的力學分析。盡管鋼結構的利用普及率較高，但對于其的結構損傷檢測和評定技術卻缺乏系統研究，鋼結構橋梁在長期的車輛荷載損傷疲勞后會存在性能衰減，主要體現在承載力水平下降，結構的剛度和穩定性劣化，極端情況下會直接造成結構的失效和橋梁垮塌，因此，對鋼結構橋梁的結構健康檢測和安全評估就顯得尤為重要。蔡正東通過對火災前后鋼結構橋梁的下撓變形和硬度進行測定，并建立了鋼結構有限元橋梁模型，通過應力和位移指標的變化對橋梁結構進行安全評估分析。姚南基于現有的橋梁結構損傷模型進行修正，并建立了基于動力響應的鋼結構橋梁結構安全分析方法。雷俊卿結合具體懸索鋼結構橋梁進行案例分析，從結構安全的劣化、檢測評估和加固等角度進行研究，對提升橋梁的耐久性提供了經驗參考。曾勇從鋼結構橋梁的疲勞性能進行分析，從橋梁的結構檢測、維修加固等環節進行了成本費用的評估。王虹斌將鋼結構橋梁理論力學結果和動載實測下數值進行對比分析，總結了鋼箱梁橋梁的檢測方法和注意事項。上述研究表明，受鋼結構橋梁結構差異、服役環境不同等因素限制，結構檢測和安全評估很難做到標準化，但基于有限元模擬和實測動載試驗結果仍舊能在一定程度上反映橋梁服役水平。本文以某鋼箱梁橋為例，進行鋼結構的安全檢測和評估，旨在為相關研究提供理論支撐和經驗參考。

1 工程概況

本研究針對某高架鋼箱梁橋進行試驗分析，橋梁的服役時間為21年，跨徑為30 m，橋梁的下部結構采用獨柱式橋墩和預應力蓋梁，橋梁橫斷面如圖1所示。

對鋼箱梁進行內部病害的檢測分析，主要考察腹板裂紋的分布和發展規律，檢測人員要對日常巡檢過程中存在的裂紋病害進行定位，沿裂紋發展方向進行標記，采用裂紋觀測儀對裂紋的寬度進行測量，研究共發現鋼箱梁內部縱向裂紋27條，裂紋的寬度分布如表1所示。鋼箱梁的裂紋病害主要集中在梁端至1/4跨處，裂紋長度從65～280 mm分布不等，其中，裂紋寬度小于0.1 mm的有16條，超出規范限定要求（0.2 mm）的有3條，對其進行進一步的裂紋深度探測，達35～62 mm不等，裂紋深度已超過保護層厚度，說明鋼箱梁內部存在嚴重損傷的裂紋問題，會直接影響鋼箱梁結構的安全穩定。

鋼箱梁中裂紋的產生不是單一因素造成的，涂層的劣化、腐蝕也會在一定程度上加劇裂紋程度，相互關聯的關系如圖2所示。涂層的剝落會使得鋼材面的保護層失效，在雨水的侵蝕作用下會加劇鋼材腐蝕進而造成和加劇裂紋拓展，待裂紋對鋼箱梁造成結構損傷時，會造成鋪裝層病害的產生蔓延，使得整體橋梁上部結構的失穩。

2 現場靜載試驗

受長期的車輛荷載疲勞作業和自然侵蝕，該鋼箱梁橋的承載能力和結構穩定已產生一定劣化，為進一步探究鋼箱梁橋的損傷劣化規律，采用進一步的靜載試驗來探究結構損傷特性，主要考慮鋼箱梁橋特定關鍵截面的下撓和應力（應變）分布變化。在現場試驗靜載前，通過力學結構計算分析得到設計荷載作用下橋面的最大正/負彎矩截面，并將其定位靜載數據測試和采集控制點，相關測點布置如圖3和圖4所示。

如圖所示，研究分別在鋼箱梁的梁端、1/4跨、3/4跨和跨中進行位移計的布置。在5個關鍵截面處沿鋼箱梁腹板進行5組應變片的均勻分布，在鋼箱梁底部布置2組應變片。在試驗過程中對撓度和應變數據進行采集，并觀測加載過程中裂紋是否產生新增。采用120 t的卡車在跨中處進行布置，如圖5所示。

3 靜載試驗結果分析

3.1 應力測試結果分析

鋼箱梁在靜載作用下不同測點的應變試驗值與理論值對比結果如表2所示。

由以上圖表分析可知，實測的箱梁應變值要整體小于理論值，且中梁和邊梁的應變分布也大體較為接近。關鍵截面的應變校驗系數主要在0.5～0.6之間，說明實際服役鋼箱梁橋的強度滿足設計要求，相關測點的相對殘余應變均在﹣15%～10%范圍內，說明對于單片的鋼箱梁而言，在長期的車輛疲勞作用下處于彈性工作階段。

3.2 撓度測試結果分析

研究對關鍵截面的撓度進行測試并與理論值進行對比分析，結果如表3所示。

將上述不同界面處撓度數值隨梁梁長位置進行撓度曲線繪制，如圖8～圖9所示。

如圖所示，中梁和邊梁關鍵截面的撓度隨梁長方向呈對稱分布，其中，中梁和邊梁在跨中處的撓度分別為18.53 mm和18.65 mm，校驗系數分別為0.55和0.61，表明鋼箱梁橋的剛度滿足設計要求。撓度曲線的分布較為光滑，表明橋梁的工作性能較好，隨荷載的增加呈彈性變化，這與簡支梁橋型的撓度曲線分布規律較為接近。

3.3 裂紋分布

在靜載過程中，觀察鋼箱梁腹板的裂紋分布和發展情況，研究表明：本次靜載試驗過程中未產生新增的裂紋病害，歷史裂紋病害也沒有明顯的發展蔓延趨勢。腹板裂紋分布如圖10所示。

其主要原因是鋼箱梁的裂紋損傷是長期的疲勞荷載所導致，疲勞作用下鋼材易產生性能劣化，當疲勞次數達到一定數量時，鋼材表面會產生開裂破壞，隨著荷載的持續增加，表面裂紋初見開展蔓延，裂紋深度逐漸擴大，直至造成鋼材斷裂。因此，對于鋼箱梁內部產生的裂紋問題要尤為關注，要進行必要的養護加固維修，保障橋梁的長期健康安全穩定。

4 鋼箱梁裂紋防治技術研究

4.1 裂紋產生原因

相關研究表明，在鋼箱梁拼接組合過程中會進行焊接，由箱梁裝配過程中產生形變而導致的裂紋開展問題占到40%左右，而初始裂紋病害和不滿足疲勞荷載而產生的裂紋也占據一定比例。在長期的鹽堿腐蝕環境下，鋼材表明的腐蝕而產生的疲勞裂紋也是一定影響因素。總體而言，鋼箱梁在服役期間產生裂紋的原因主要包括：

（1）材料缺陷。鋼材是經高溫斷裂熔爐產生的材料，但受鋼材質量和施工工藝影響，在鋼箱梁成型和焊接過程中會由于內部不均勻雜質顆粒分布和細微裂紋產生缺陷。這類初始的細微質量缺陷在實際的服役過程中會急劇劣化，塑性變形荷載作用下會產生明顯的表面裂紋。

（2）設計施工缺陷。鋼結構在組合焊接前需要進行構造設計和受力分析，若沒有經過科學的結構設計，會使得構件內部之間會產生一定的應力集中。此外，在鋼箱梁組合中會進行焊接、變形、剪切等一些的施工，亦會造成材料存在一定的變形和應力擴散，在重載交通環境下會造成裂紋產生和擴展。

（3）養護維修因素。在鋼箱梁橋服役階段，長期的車輛荷載作用會使得鋼結構局部產生一定的變形和連接部位松動，在雨雪和冷熱交替關鍵性亦會對鋼結構表層產生一定的侵蝕，加劇構件的劣化過程和脆性破壞。當鋼箱梁表面出現裂紋時，技術人員會通過焊接和涂裝等工藝對裂紋進行修補，及時的維修加固措施能夠減緩鋼結構的腐蝕和開裂，但若對細微表層裂紋等病害不加以重視，會加劇鋼材內部結構的損傷和破壞。

4.2 養護措施

鋼箱梁上部承受往復車輛的持續疲勞作用，直接加劇結構的內部疲勞劣化。在裂紋發展初期會誘發應力的重力分布不均衡問題。當鋼箱梁的整體剛度劣化到一定程度時會加劇橋面鋪裝層的裂紋和結構損壞，養護技術人員應采取必要措施進行鋼箱梁橋的維護。

（1）止裂孔。止裂孔是抑制鋼結構表面裂紋的關鍵便捷措施，一般沿裂紋端部進行微小孔隙的鉆孔。考慮到鉆孔的面積和覆蓋范圍，建議鉆孔的直徑可以覆蓋裂紋內側尖端。

（2）支撐架。當裂紋發展可能誘發進一步鋼結構內部損傷時，會直接影響結構剛度、應力分布狀態，可采用必要的支撐架進行焊接，可以實現結構損傷的有效抑制。

（3）焊接涂裝。必要條件時可以采用點焊的方式對裂紋進行修復，但此類修復方式僅對鋼材表面起到修復，若裂紋損傷到一定深度時，點焊修復將失效。一般而言，在表面裂紋修復后還需要進行涂裝保護，增強保護層厚度和防腐能力。

5 結語

本文在鋼箱梁橋病害和性能檢測的基礎上，針對鋼箱梁橋進行靜載試驗，通過不同關鍵截面處獲取的撓度、應變數據進行分析，研究表明鋼箱梁橋的強度和剛度均滿足設計要求，從裂紋分布和產生原因進行了分析，并總結相應的養護措施，研究對于維系鋼箱梁橋梁的安全健康服役具有一定經驗參考價值。

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作者簡介：詹海雷（1989—），男，江西上饒人，本科，路橋工程師，從事路橋設計工作。