大跨徑鋼箱梁橋正交異性板疲勞裂紋發展規律及處置措施

劉漢勇，代希華，程壽山

(1.交通運輸部公路科學研究院，北京 100088；2.廣東省公路建設有限公司，廣東 廣州 510405)

0 引言

根據2020年底的統計數據，全國公路橋梁達91.28萬座，其中特大橋梁6 444座，公路橋梁數量位居世界第一。由于鋼結構橋梁在跨越能力方面的優勢[1]，上述特大橋梁中采用鋼梁的斜拉橋、懸索橋數量眾多。無論是已建成的港珠澳大橋、杭州灣大橋，正在建設中的深中通道、黃茅?？绾Ｍǖ溃€是馬上將全面開工建設的獅子洋通道、張皋過江通道，都包含有超大跨徑鋼梁斜拉橋、懸索橋。正交異性鋼橋面板因具備獨特的優勢，使其成為超大跨徑斜拉橋、懸索橋普遍采用的橋面結構形式[2]。

正交異性鋼橋面板由頂板和縱、橫向加勁肋焊接而成，由于縱、橫向加勁肋的剛度不同，形成了正交異性鋼橋面板在構造上的正交異性[3-4]。鋼橋面板結構構造復雜，局部剛度低，并且直接承受車輪荷載的反復作用，加之受焊接殘余應力、施工質量等因素影響，正交異性鋼橋面板易出現各種疲勞裂紋。20世紀90年代至今，國內修建了大量采用正交異性鋼橋面板的橋梁，隨著交通流量劇增，車輛荷載日益增大，國內早先修建的大跨徑橋梁，如虎門大橋、江陰大橋等，其鋼橋面板均已出現了不同程度的疲勞裂紋。隨著服役時間的增長，這些橋梁將面臨疲勞裂紋持續發展的問題[5]，目前已有大型懸索橋因鋼箱梁開裂嚴重，不得不啟動大修加固。因此，有必要充分利用已掌握的大橋檢測養護數據，分析正交異性鋼橋面板疲勞裂紋的成因和發展規律，并提出針對性的維修措施。

近年來，也有學者開始考慮采用剛性鋪裝，如超高性能混凝土[6-7]、高韌性輕骨料混凝土[8]、鋼纖維混凝土[9]等，來替代現有的瀝青混凝土鋪裝，以此提高鋼橋面板的整體剛度，降低其應力水平，抑制疲勞裂紋的產生。研究表明[10-12]，采用剛性鋪裝后，鋼橋面板中各關鍵受力部位的應力有明顯降低。

總的來說，盡管國內外學者和工程技術人員對正交異性鋼橋面板的疲勞開裂問題開展了許多工作[13-18]，并在一定程度上抑制了正交異性鋼橋面板病害的發生，但是并沒有從根本上解決問題。在上述背景下，本研究根據某大型懸索橋正交異性板的疲勞裂紋檢查結果分析了其疲勞裂紋發展規律，從受力分析、構造分析與焊接工藝3方面闡明了疲勞裂紋的開裂機理，并針對每一類疲勞裂紋給出了修復建議。

1 某大橋正交異性板疲勞裂紋檢查

根據該大橋歷年定期檢查情況，正交異性板裂紋分為目視可見的焊縫及鋼構件開裂，以及涂層開裂(無法通過目視確定是否為鋼結構開裂，又稱疑似隱性裂紋)，本次檢查對可見裂紋和疑似裂紋進行分別統計，現場標記并準確記錄。

1.1 檢查方法

1.1.1 顯著裂紋檢查

選取裂紋數量較多的箱梁節段進行焊縫超聲探傷檢測，檢測內容為選定節段內的100%對接焊縫，包括頂板對接縱縫、對接橫縫及其熱影響區附近母材；底板對接縱縫、對接橫縫及其熱影響區附近母材；橫隔板對接焊縫及其熱影響區附近母材。具體的檢查對象、檢查內容及檢查數量見表1。

表1 焊縫超聲探傷檢查內容Tab.1 Contents of ultrasonic defect inspection on weld seam

1.1.2 疑似裂紋檢查

對目視檢查出的疑似隱性裂紋使用磁粉探傷法進行確認。首先對疑似隱性裂紋區域的涂層進行打磨，露出平整光滑的鋼構件原表面，再對鋼板予以磁化，利用缺陷部位因漏磁而吸附磁粉的特征，依磁粉分布特征識別鋼橋面板表面和近表面缺陷。

1.2 檢查結果

鋼箱梁內正交異性鋼橋面板、U肋、橫隔板等部位存在較多疲勞裂紋，將檢查發現的裂紋按照表2所示分類方法進行分類。

表2 裂紋分類Tab.2 Crack classification

結合各類檢查和探傷結果可知，目前該橋鋼箱梁疲勞細節基本穩定，但疲勞損傷程度正逐年累積增加，總體趨于嚴重。I類裂紋無論是從數量還是既有裂紋的發展情況來看，均表現出比較顯著的劣化趨勢；II，III類裂紋的數量和分布較往年相比有較為顯著的增加，根據抽樣確認結果，約60%的II類和100%的III類疑似隱性裂紋被確認為疲勞裂紋，但此趨勢并非源于疲勞損傷的突發性增長，而是與以往定期檢查中缺少相應手段對疑似隱性裂紋進行確認相關。根據鋼箱梁各類裂紋歷年新增數量統計，除IV類裂紋無增加趨勢外，其余5種類型裂紋數量均存在不同增速的增長趨勢，說明鋼箱梁疲勞裂紋呈整體惡化趨勢。

2 某大橋正交異性板疲勞裂紋發展規律

本小節主要針對目視可見的疲勞裂紋檢查結果進行詳細分析。

2.1 疲勞裂紋(I類)

檢查發現，全橋共存在I類裂紋154條，其中本次檢查發現新增11條，原有143條。平均裂紋長度約為29 cm。

原有裂紋中3條存在延伸現象，延伸長度介于1～3 cm之間。往年檢查中發現部分開裂較嚴重的I類裂紋出現裂紋口銹蝕，沿裂紋存在滲水、銹蝕現象說明這部分裂紋深度已經貫穿橋面板，滲水等次生病害將對結構耐久性造成不利影響。管養單位對部分既有裂紋采用焊接的方式進行了修復，本次檢查發現2處修復后的裂紋存在重新開裂及滲水現象，說明此類裂紋仍存在一定的劣化趨勢。

值得注意的是，本次檢查發現個別I類裂紋處頂板抖動明顯，抖動時可見箱外光線，表明此處橋面板已裂穿，隨后從橋面鋪裝上查看其對應位置，發現橋面瀝青鋪裝層已出現局部坑槽，充分說明了此類裂紋發展到后期階段會嚴重影響橋面鋪裝質量，對行車安全造成一定影響。

結合歷年交通量增長情況來看，I類裂紋數量與交通量的增長趨勢基本吻合，呈逐年較為穩定的增長趨勢。由此可知此類疲勞裂紋的形成原因與交通荷載存在直接關系，且兩者間有較密切的相關性，如圖1所示。

圖1 I類裂紋與交通量增量趨勢對比Fig.1 Contrast of incremental trends of type I cracks and traffic volume

2.2 疲勞裂紋(II類)

檢查發現，全橋共存在II類裂紋406條，其中本次檢查發現新增46條，原有360條。平均裂紋長度約為3.5 cm。

原有裂紋中有33條存在延長發展，最大延伸長度為3 cm。根據歷年交通量增長情況，與I類裂紋類似，II類裂紋數量與交通量的增長趨勢也基本吻合，呈逐年穩定增長趨勢，可以得出此類裂紋的形成原因與交通量增長有較密切的相關性，如圖2所示。

圖2 II類裂紋與交通量增量趨勢對比Fig.2 Contrast of incremental trends of type II cracks and traffic volume

2.3 疲勞裂紋(III類)

檢查發現，全橋共存在III類裂紋247條，本次檢查發現新增10條，原有裂紋數量237條。此類裂紋已有2處逐漸延伸并橫向貫穿橫隔板U肋弧形缺口，另有1處即將貫通，平均裂紋長度約為12.9 cm。

原有裂紋中有34條存在延伸現象，最大延伸長度為10 cm。該類裂紋發展較為活躍，約有50%的此類裂紋發生過延伸，延伸長度介于0.5～3 cm之間。

該橋在2008年為緩解該類裂紋繼續延伸發展，在橫隔板裂紋端部設置圓形止裂孔(直徑1 cm)。根據現場調查反饋，止裂孔作用有限，大多數裂紋跨過止裂孔繼續延伸。2016年在關鍵節段選取了20條III類裂紋進行鉆孔止裂效果試驗，鉆孔直徑為2 cm，本次檢查未發現裂紋跨越鉆孔繼續延長。對比兩次止裂孔對此類裂紋發展趨勢的抑制作用可知，止裂孔尺寸將影響裂紋尖端應力集中的改善效果。

與I類、II類裂紋類似，III類裂紋的形成與交通量增長也有直接關系，如圖3所示。

2.4 疲勞裂紋(IV類)

檢查發現，全橋共存在IV類裂紋16條，本次檢查發現1條新增，并且裂紋周圍伴有滲水、銹蝕現象。此外，原有裂紋存在2處滲水銹跡。平均裂紋長度約為6 cm，原有裂紋未發現存在明顯發展變化。

IV類裂紋總體數量較少，自2012年至今僅有少量新增，并且原有裂紋狀況基本穩定，未見明顯發展。由此可以得出此類裂紋與交通量增長不存在明顯的相關性，如圖4所示。

圖4 IV類裂紋與交通量增量趨勢對比Fig.4 Contrast of incremental trends of type IV cracks and traffic volume

2.5 疲勞裂紋(V類)

檢查發現，全橋共存在V類裂紋141條，其中本次檢查發現新增17條，原有124條。平均裂紋長度約為4.2 cm，新增裂紋最大長度為15 cm。

原有裂紋中有1條存在延伸現象，延伸長度為4 cm。由圖5可以得出V類裂紋的形成原因與交通量增長有較密切的相關性。

圖5 Ⅴ類裂紋與交通量增量趨勢對比Fig.5 Contrast of incremental trends of type Ⅴ cracks and traffic volume

2.6 疲勞裂紋(Ⅵ類)

Ⅵ類裂紋是除了前5類之外的其他形式的疲勞裂紋，其中多數為底斜腹板與橫隔板豎向加勁肋焊接開裂。檢查發現，全橋共存在Ⅵ類裂紋120條，其中本次檢查發現新增7條，原有113條。全橋共有10處底斜腹板與橫隔板豎向加勁肋焊接貫通開裂。

結合歷年交通量增長情況來看，Ⅵ類裂紋數量與交通量的增長趨勢基本吻合，均呈逐年較穩定增長趨勢，如圖6所示。

圖6 Ⅵ類裂紋與交通量增量趨勢對比Fig.6 Contrast of incremental trends of type Ⅵ cracks and traffic volume

2.7 疲勞裂紋開裂機理分析

(1)Ⅰ類：橋面板與U肋連接角焊縫處縱向開裂

正交異性鋼橋面板頂板較薄，局部剛度低，在汽車輪載作用下，容易產生較大的局部撓曲變形，并引發相鄰部件的面外變形。當輪載作用于縱向U肋正上方或兩縱向U肋之間時，U肋產生撓曲變形并引發面板面外變形，導致頂板與縱肋角焊縫的焊趾與焊跟產生較大彎矩，從該處萌生疲勞裂紋并逐步擴展。

同時，橋面板與 U 肋縱向角焊縫在橫橋向彎矩作用下，焊跟和焊趾處產生應力集中現象，若采用不開坡口角焊縫或開坡口角焊縫的熔透深度不足，將提升該處疲勞應力幅，并同時降低抗疲勞能力。

再者，早期鋼箱梁制造主要采用人工焊接，焊接質量不穩定，容易產生焊接缺陷，如焊跟處由于冷卻收縮形成缺口、焊趾存在咬邊、焊縫外觀成型較差等。當車輛沿 U肋行走,縱肋內側的彎矩大于外側的彎矩時，在U肋與頂板縱向角焊縫存在缺陷的情況下，裂紋就可能在焊趾處產生并擴展；當U肋外側的彎矩大于內側的彎矩且縱向角焊縫存在缺陷時，裂紋就可能在焊根處產生并擴展。

(2)Ⅱ,Ⅲ類：橫隔板與U肋相交線處，源于下根部焊縫的豎向或豎斜向上開裂；橫隔板弧形缺口處橫向開裂

鋼箱梁頂板和U形縱肋可視為彈性連續支承在橫隔板上的連續梁。在縱向移動輪載持續作用下，U肋反復撓曲變形，繞橫隔板支撐處左右轉動，導致橫隔板反復產生面外變形，誘發橫隔板與U肋過焊孔處產生較大的面內彎曲應力和剪應力。久而久之，在以上兩種次應力循環作用下，U肋與橫隔板角焊縫，以及橫隔板弧形切口處極易引發疲勞裂紋。

同時，該橋鋼箱梁橫隔板(橫肋)間距4 m、板厚8 mm，與類似結構橋梁相比橋梁的橫肋剛度偏低。因此，縱肋的撓曲變形及縱肋支撐處左右轉動變位相對較大，帶動橫肋面外變形也相對較大。這也是本橋Ⅱ類裂紋數量較多的重要原因。此外，本橋鋼箱梁在進行設計時所采用的橫肋弧形缺口形狀、尺寸與現行的歐洲規范和日本規范相比高度偏小，弧形缺口的凈距比一般橋梁小，對縱肋豎向彎曲變形的約束較大，導致較大的次彎曲應力和剪應力。

(3)Ⅳ類：U肋對接縫開裂

縱向U肋采用現場鋼襯墊板對接焊，因鋼襯墊板與U肋板組裝時難以密貼，特別是圓弧處，且U肋對接不可避免地存在錯邊，焊根存有小的間隙，疲勞強度極低，另外施焊時為仰姿和立姿，焊接難度大，焊接質量難以保證，因此極易由鋼襯墊板焊根處引發疲勞裂紋。

(4)V類：橫隔板與U肋焊縫開裂，橫隔板與頂板焊縫開裂

在縱向移動輪載作用下，橫隔板將產生反復面外變形，導致產生很大的次彎曲應力，并在橫隔板與U肋焊縫，以及橫隔板與頂板連接處產生很大的應力集中。

早期設計橋面板U形縱肋通過橫隔板(橫肋)時，一般會預留R35過焊孔，導致容易引起該類焊縫在孔洞部位的焊趾疲勞起裂、擴展?！豆蜂摻Y構橋梁設計規范》(JTG D64—2015)中明確規定“縱向加勁肋應連續通過橫向加勁肋或橫隔板，加勁肋與頂板焊縫的過焊孔宜采用堆焊填實，焊縫應平順”。

3 正交異性板疲勞裂紋處置措施

3.1 疲勞裂紋修復

針對沿橋面頂板開裂的縱向裂紋，處置措施通常分為兩步：一是在裂紋尖端鉆止裂孔，延緩原裂紋開展；二是采用同材質的蓋板覆蓋于裂紋位置之上，蓋板四周采用角焊縫焊接牢固。當頂板裂紋較長時，應除去裂紋位置處的橋面鋪裝層，切除包含疲勞裂紋的橋面板部分，然后采用相同材質、相同厚度的鋼板修補，并進行全熔透焊接，對焊縫進行打磨處理并重新鋪設橋面鋪裝層。

針對U肋與橫隔板或U肋與頂板連接焊縫處的細微裂紋，通常采用TIG重熔方法將焊趾部位重新熔化，并采取措施修復氣孔、夾渣等焊接缺陷，從而提高疲勞強度。

針對U肋對接縫開裂，可采用在該位置外貼鋼板，并采用高強螺栓連接的方式進行處置。

針對橫隔板弧形切口處橫向開裂，可在疲勞裂紋尖端設置止裂孔，當裂紋擴展較長時，可在橫隔板裂紋兩面增設蓋板，并采用高強螺栓固定。

總之，通過上述方法對各類裂紋進行修復處置后，可在一定程度上延緩裂紋擴展。然而，要想真正改善正交異性鋼橋面板的整體受力性能，還需結合整體加固措施，從根本上降低各疲勞細節處的應力幅。

3.2 增加空腹式橫隔板

根據鋼箱梁目視可見的疲勞裂紋檢查結果，Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類裂紋的數量最多，I類裂紋處于頂板和U肋焊縫處，Ⅱ，Ⅲ類裂紋處于橫隔板弧形切口處。為明確裂紋發生的原因，本節針對以下工況開展了有限元分析，在原鋼箱梁4 m間距的橫隔板中間位置增加一道空腹式橫隔板，使得橫隔板間距減小為2 m，新增空腹式橫隔板斷面布置如圖7所示。

圖7 鋼箱梁新增橫隔板斷面布置圖(單位：mm)Fig.7 Layout of section of new diaphragm for steel box girder (unit: mm)

新增空腹式橫隔板頂部為10 mm厚、488 mm高的鋼板，鋼板下設12 mm厚、210 mm寬的下翼緣板；撐桿采用截面尺寸為100 mm×100 mm，壁厚為6 mm的方鋼管；撐桿下部與鋼箱梁底板連接的節點采用長度為1 m的HW 200 mm×204 mm工字鋼加工而成。現場安裝時，將下節點與鋼箱梁底板栓接，頂部隔板與橋面板及U肋焊接連接或栓接。

對增加空腹式橫隔板后的鋼箱梁標準段進行了有限元分析，共3種方案：鋼箱梁(無鋪裝)；鋼箱梁+7 cm厚環氧瀝青鋪裝；鋼箱梁+7 cm厚環氧瀝青鋪裝+空腹式橫隔板。應力計算控制點示意圖如圖8所示。

圖8 應力計算控制點示意圖Fig.8 Schematic diagram of control points for stress calculation

表3給出了相應的分析結果，從表中可以看出，增加空腹式橫隔板方案各應力控制點處的最大Mises應力較前兩種方案顯著降低，說明減小橫隔板間距能夠改善正交異性板受力性能。

表3 橋面板各位置處最大Mises應力比較Tab.3 Comparison of maximum Mises stresses at different positions of bridge deck

4 結論

本研究通過對某大橋鋼箱梁疲勞裂紋歷年檢查結果，分析了疲勞裂紋發展規律。Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅴ，Ⅵ類疲勞裂紋的形成均與交通荷載存在直接關系，Ⅳ類疲勞裂紋的形成與交通荷載的直接關系不明顯。針對每一類疲勞裂紋，給出了相對合理的修復措施建議。提出了增加空腹式橫隔板的方法，通過有限元分析表明,該方法可以顯著改善正交異性鋼橋面板的受力性能。