斜拉桥钢箱梁裂缝病害分析及维修建议∗

黄新明赖敏芝

(1．湖北交通职业技术学院,湖北 武汉 430070;2．湖北交投科技发展有限公司,湖北 武汉 430030)

斜拉桥钢箱梁裂缝病害分析及维修建议∗

黄新明1赖敏芝2

(1．湖北交通职业技术学院,湖北 武汉 430070;2．湖北交投科技发展有限公司,湖北 武汉 430030)

钢箱梁是斜拉桥的主要承重构件,钢箱梁U肋、横隔板和各构件连接处出现裂缝会影响桥梁的使用寿命。文章以某公路大桥为例,对该桥钢箱梁出现裂缝的成因进行分析,并提出相应的维修建议,以期对斜拉桥钢箱梁裂缝病害维修起到借鉴作用。

斜拉桥;钢箱梁;裂缝病害

0 引言

随着我国交通运输事业的快速发展,大跨度桥梁得到了迅速发展。钢箱梁相对于混凝土箱梁而言,因其具有自重小、外观轻盈、抗弯刚度大、抗风性能好、吊装方便快捷等优点而得到广泛应用。近年来,正交异性钢桥面板疲劳开裂的事故在国内外的大跨钢桥中均已出现,疲劳损伤破坏是大跨径钢桥在运营期间的主要病害之一,一旦钢箱梁产生开裂问题又未能及时地发现与处理,将有可能造成比较严重的经济损失与社会影响[1]。

1 工程概况

某斜拉桥是一座全长2847m,主桥为(48＋204＋460＋204＋48)m双塔双索面半漂浮体系钢箱梁斜拉桥,按双向六车道设计,荷载标准为汽车－超20级,挂车－120,于2001年建成通车。主桥主梁采用单箱三室全焊封闭流线型扁平钢箱梁,除风嘴采用Q235－B外,其余均采用Q345－C钢材。钢箱梁划分为87个梁段制造安装,总宽度为38．8m,风嘴宽3．3m,梁内中心轮廓高为3．0m。钢箱梁横断面布置见图1。

图1 钢箱梁横断面图(单位:cm)

2 病害情况

经过多年的运营,由于重载交通量不断增加,在2014年全桥的定期检查中,发现全桥钢箱梁存在多处疲劳裂缝病害[2]。钢箱梁U肋处的病害主要有:斜向裂缝、横向裂缝、竖向裂缝、纵向裂缝、L形裂缝、U形裂缝,共计722条,最长裂缝700mm;U肋钢板断裂;涂层脱落。另外,有些已经焊接过的老病害重新开裂,有些焊缝开裂并向U肋延伸。U肋裂缝见图2、图3。

图2 U肋斜向开裂

图3 U肋焊缝开裂

钢箱梁横隔板处均有裂缝产生,裂缝形式含竖向、横向和斜向裂缝,以斜向裂缝为主。纵桥方向桥塔及其附近处钢箱梁横隔板裂缝较其它部位多;横桥方向裂缝主要位于重车道和行车道处,裂缝均位于横隔板与U肋接缝处或横隔板与面板接缝处。横隔板裂缝共发现1507条,老病害修补后重新开裂49处,最大裂缝长度为1500mm。横隔板处裂缝见图4、图5。

图4 横隔板断裂

图5 横隔板焊后重新开裂

各构件连接裂缝主要有:U肋与桥面板连接焊缝、横隔板与顶板连接焊缝、横隔板与U肋连接焊缝、纵隔板与桥面板连接焊缝、横隔板与纵隔板连接焊缝。U肋与桥面板连接处焊缝开裂现象较多,共298处,单条最大裂缝长度为1211mm。其中大部分裂缝为焊接后重新开裂,裂缝发展方向为纵向,往U肋斜向延伸。

3 裂缝产生原因分析

3．1 U肋的U形裂缝

扁平钢箱梁顶板和U肋相当于支承于弹性支座上的多跨梁,直接作用于U肋和顶板的局部轮压荷载,在中部导致顶板和U肋的联合挠曲,进而在焊接裂缝处出现疲劳裂纹,向下发展直至贯通。在较大的竖向轮压荷载作用下,端部桥面板和U肋的焊接处将产生较大的固端弯矩,并带有高度的应力集中,从而导致焊缝开裂。

3．2 横隔板上的裂缝

横隔板开裂的主要原因是正交异性钢桥面板在承受重型活载时,该处的局部应力较大引起的疲劳破坏。横隔板开裂区域的应力主要由两部分组成:一部分是车轮荷载直接作用下的局部应力,另一部分是由横隔板上各U肋穿孔之问的齿形板形成的悬臂梁效应引起的局部应力,后者的应力与横隔板上缘的水平剪力成正比[3]。U肋过焊孔处横隔板容易出现应力集中,在活载的反复作用下,最终导致疲劳破坏。

3．3 U肋与桥面板、横隔板处焊缝开裂

在较大的竖向轮压荷载作用下,桥面板和U肋会产生较大的局部挠曲变形,由于变形的连续性,同时引起相邻部件的变形。由于U肋的挠曲变形,引起了桥面板的面外变形,从而在桥面板与U肋角焊缝的焊趾、焊跟处产生次弯矩。在次弯矩的作用下,U肋的焊趾处产生较大的弯曲应力和应力集中,容易造成U肋焊趾、焊跟处产生焊缝开裂。

U肋在横隔板附近的变形约束刚度要相对大于中间部位,刚度越大,次弯曲应力越大,因此疲劳裂纹通常会在此位置首先开裂。焊缝疲劳裂纹一旦产生,一般呈纵向发育扩展,有些裂纹发展方向会偏离焊趾,向U肋母材扩展,造成母材发生剪切破坏。

3．4 设计构造因素

与设计构造因素相关的主要有钢箱梁钢材的选择,桥面板厚度、底板厚度、纵向加劲肋厚度及型式、横隔板钢板厚度及型式等钢箱梁主要设计参数的选择[4]。

4 钢箱梁裂缝维修策略

钢箱梁的日常检测对于保证桥梁的正常运营相当重要,对钢桥运营期间出现的裂纹,常用方法有人工目视检测法、射线探伤法、超声波探伤法、磁粉探伤法、渗透探伤法等。当目测发现裂缝出现,评估裂缝的扩展情况,必要时采取紧急维修措施[]。

对于钢箱梁比较常见的焊缝裂纹,可以采用常规焊接工艺进行处治,根据部位的不同,在焊接时层数的位置有所区别,具体处治措施如下。

4．1 横隔板及构件连接处角裂缝维修

在裂缝终端钻直径8mm的止裂孔,防止裂纹再次扩展,止裂孔深度应超过裂纹深度。用直径10mm或8mm碳棒,气刨每条裂纹焊缝,刨槽深度超过板厚的2/3,刨槽四面斜坡角应大于10度,底部应圆滑过度。采用砂轮机将清刨部位进行打磨处理,使坡口面光滑、无飞溅、无夹碳、露出金属本色。采用手工电弧焊进行焊接,焊完后进行碳弧气刨清根,并可见正面焊肉,打磨干净后再采用手工电弧焊焊接;焊后进行外观报检,24h后进行超声波探伤检测,达到焊接要求。焊缝修补次数应控制不超过两次,但焊接前必须制订符合规范要求焊接工艺,由专业焊工进行施焊。

4．2 U肋处裂缝维修

(1)U肋开裂的情况。对长度较短,未延伸至U肋底板的裂缝,采用普通的焊接方式对该裂缝进行修补焊接。

(2)U肋断裂的情况。对长度较长,延伸至U肋底板和贯穿的裂缝,可采用U肋替代嵌补法或U肋帮衬加固法。

U肋替代嵌补法:将出现开裂范围的U肋完全割除,两端切割面垂直,对切割面进行打磨处理后,采用原规格U肋制作等长的嵌补段,进行现场嵌补焊接。U肋与桥面板采用原设计焊缝,U肋间采用内部带衬板的对接焊缝。焊接应满足相关规范及原设计文件的要求。

U肋帮衬加固法:首先对各裂缝进行修补焊接,然后打磨平整,之后采用特制U肋帮衬段进行现场帮衬段与原U肋周边的围焊,焊接应满足相关要求。

5 结语

钢箱梁的结构和受力比较复杂,在车辆荷载的反复作用下,钢箱梁焊缝极易出现疲劳破坏,尤其是超载车辆普遍存在,对钢箱梁疲劳问题的影响更大。笔者阐述了钢箱梁易于产生裂缝的关键部位有U肋焊缝及钢板裂缝、横隔板处裂缝、U肋与桥面板连接焊缝、横隔板与顶板连接焊缝、横隔板与U肋连接焊缝、纵隔板与桥面板连接焊缝、横隔板与纵隔板连接焊缝。应加强日常检查工作,定期对重点部位焊缝实施外观检查,必要时可采取自动监测手段对病害的发展进行监测,实时掌握病害的发展情况,以便采取及时有效的措施对病害予以治理。

[1]胡洁．某公路大桥钢箱梁焊缝疲劳裂纹原因分析与处治[J]．福建建材,2013,(4):55－57．

[2]中华人民共和国交通部．JTGH11－2004,公路桥涵养护规范[S]．北京:人民交通出版社,2004．

[3]宋广君,华龙海．某斜拉桥钢箱梁横隔板裂缝分析与加固方法研究[J]．桥梁建设,2014,(4):107－111．

[4]曾勇,向中富,于福,等．大跨度悬索桥钢加劲梁典型病害及维修策略[J]．重庆交通大学学报(自然科学版),2012,(S1):700－704．

[5]姜竹生,瞿涛,吕磊,等．钢箱梁典型病害分析及其检测与维护技术研究[J]．防灾减灾工程学报, 2011,(5):572－577．

10．3969/j．issn．1672－9846．2015．04．021

U448．27;U445．7＋1

A

:1672－9846(2015)04－0081－03

2015－05－08

黄新明(1975－),男,湖北黄梅人,湖北交通职业技术学院道桥系副教授,主要从事桥梁加固研究。

赖敏芝(1976－),女,浙江龙游人,湖北交投科技发展有限公司高级工程师,主要从事桥梁检测工作。