钢箱梁衔接栓变焊维修设计方案研究

邓 奕

（新余公路勘察设计院,江西 新余 338000）

0 引言

焊接热效应的控制对于保证焊接质量、结构安全和耐用性至关重要，某市三环线的一座钢箱梁斜索桥，其钢箱梁顶板接缝等区域，因渗水导致螺栓锈蚀，锈蚀又导致钢箱梁内部部分螺栓松动，严重威胁钢箱梁乃至整桥的使用安全。在进行桥梁维修中，采取了钢箱梁衔接栓变焊设计方案，并通过焊接热效应有限元模拟分析，确保设计方案技术可行。这里结合工程应用，介绍该栓变焊维修设计方案以及相关模拟分析结果，希望对同类工程维修设计提供技术参考。

1 工程简介

大跨斜索桥是某市三环线的一座跨水通道，其主桥为双索面双塔复合梁斜索桥，跨度组合为50 m+180 m+618 m+180 m+50 m。钢混结合点位处自辅助墩中心点向江心侧37 m 处。钢箱梁段全长904 m，两侧各连接87 m的预应力混凝土箱梁。钢箱梁采取全幅P-K 式截面，截面由2 个流线型扁平边箱、箱间横隔板及顶板组成，含风嘴桥梁总宽为30.2 m，横隔板采取整体式结构，间距为6 m，边箱的相邻隔板间设1 m 高度的横肋1 道。钢箱梁标准节段长度为12 m，节段总计81 个，节段间采取高强螺栓拼接固定，螺帽顶高出顶板面3.90～4.30 cm。拼接板宽54～70 cm。钢箱梁顶板兼做桥面的承重结构，按异性正交板设计，板厚为1.20 cm，近塔根加厚至1.60 cm，顶板纵向U 肋与腹板间距为32 cm，U 肋板厚为0.8 cm，下口宽为20.4 cm，上口宽为32 cm，高度为26 cm。

桥梁经过一个时期使用运行后，检测发现桥面有169 处渗水，多位于顶板拼接缝区域或边腹板与顶板的拼接区域，渗水导致螺栓锈蚀，锈蚀导致钢箱梁内部一定数量螺栓松动或者脱落，严重威胁钢箱梁乃至整桥的使用安全，为此对桥梁病害开展了维修治理。

2 钢箱梁桥面板维修方案设计

为了扭转钢箱梁桥面渗水问题，采取栓焊结合设计方案，即腹板及底板仍栓接，但将顶板螺栓带变栓接为焊接。此设计方案消除了顶板螺栓带，结构伤害较小，又能改善桥面防水效果，铺装栓变焊维修换板操作简单。栓变焊维修换板步骤如下：首先需要将顶板和U 肋（不含横肋）进行分块切割，原缝宽1 cm，因此纵向割除64 cm。然后补嵌焊接切割后的拼缝，即整体厂制新顶板、U 肋等结构，在现场装配和焊接。具体操作为：多个拼缝位同步操作，先割除，然后补嵌焊接，按割1 块补1块的顺序进行施工。

3 焊接热效应对梁段应力应变的影响分析

为了验证栓变焊栓变焊维修换板方案的可行性，采取工程有限元分析软件Midas Civil 对栓变焊维修换板效果进行了有限元模拟分析。分析工况为：采取单向降温方式，根据换板顺序和0～0.30 cm 焊接形变范围，对梁段、顶板、底板、U 肋以及腹板受到的影响进行模拟分析[1]。

3.1 焊接热效应对梁段的应力影响分析

（1）对梁段的应力影响。有限元应力云分析显示，当未考虑焊接形变（即形变量为0）时，在顶板和右中腹板连接区域发生最大梁段纵向压应力，达到了342 MPa；在靠近梁段约束端的顶板和横隔板连接区域，发生最大拉应力，达到了29 MPa。当形变量由0.1 cm 增加至0.3 cm时，最大压应力从527 MPa 迅速增加至897 MPa，增加幅度约70%，在顶板和左边腹板连接区域，最大拉应力则从112 MPa 增加至334 MPa，增加幅度约198%，说明这些区域存在较大的局部失稳风险。

（2）对顶板和U 肋的应力影响。分析显示，在0～0.3 cm 的范围内，主要在板块更换区域，顶板和U 肋受到焊接形变影响，最大压拉应力均在板块连接区域发生。不考虑焊接形变（焊接形变为0）的情况下，顶板和U 肋总体保持承压状态，其最大压应力达到233 MPa，顶板合右中腹板连接区域产生最大拉应力，其最大拉应力为7 MPa。当焊接形变从0.10 cm 增加至0.30 cm 时，顶板和右中腹板连接区域，压应力最大值由306 MPa 增加至453 MPa，该处腹板顶部局域失稳隐患很高；在顶板和左边腹板连接区域，拉应力最大值由113 MPa 增加至336 MPa。总的说来，当焊接形变加大，换板引发的应力也随之增加。当焊接形变由0.1 cm 增加到0.3 cm 时，板块连接处顶板应力急剧变化，最大拉应力由73 MPa 增加至215 MPa，增加了195%；最大压应力由402 MPa 降至282 MPa，降低了43%。

（3）对底板和腹板的应力影响。分析显示，底板和腹板的应力基本保持在承压状态。当形变增加至0.3 cm时，右中腹板与顶板连接区域发生比较大的压力，约在700 MPa，显示腹板顶部存在较大的局部失稳风险。

3.2 焊接热效应对梁段形变的影响分析

分析显示，不考虑焊接形变（焊接形变为0）的情况下，梁体前端点的竖向移位为9 cm。当焊接形变由0.1 cm 增加到0.3 cm 时，梁端移位从10.10 cm 增加至12.20 cm，增量达20.8%。这是因为焊接形变加大了横向收缩，使梁端加剧上翘，从而改变了既有梁体线形[2]。

4 焊接热效应对整体结构应力应变的影响分析

4.1 温度梯度

栓变焊维修后整体结构应力应变有限元分析考虑焊接应变影响，因此在模拟分析前需要对考虑0.2 cm 焊接应变的相应温度梯度给予参数确定。为了简化计算，可以采用梁单元模拟，即将主梁视为梁单元，并对索缆建立索力施加节点，梁单元与索缆节点实施刚性连接，纵桥向一端边界固结，另一端施加温度梯度，横桥向两端施加索力。

模拟结果显示：在设定工况和约束的条件下，最大垂向移位均产生在纵桥向的节段自由端，梁段垂向移位9 cm。基于温度梯度设定，进行温度形变翘曲量分析计算和多项式拟合，得出梁段移位与温度梯度之间的近似关系为：

y=0.000 1x²+0.025 9x+100.422 6 （1）

式中，x——温度梯度参数值；y——主梁温度应变移位。

在梁节段Midas Civil 模拟中考虑0.1 cm 焊热致形变，在换板位置施加温度梯度，使梁段前端发生10.1 cm 形变移位，将移位值带入上式，计算获得须施加的温度梯度为-235 ℃。以同样的方法预测考虑0.2 cm 和0.3 cm 焊致形变量所须施加的温度梯度。模拟结果为：考虑0.1 cm 焊热致形变，须施加温度梯度-400 ℃，使梁段前端点发生11.1 cm 垂向移位；考虑0.3 cm 焊热致形变，须施加温度梯度-580 ℃，使梁段前端点发生12.2 cm 垂向移位。该次整桥结构应力应变分析中，主要考虑0.2 cm 焊热致形变影响，因此在换板位置模拟施加-400 ℃的温度梯度[3]。

4.2 焊接热效应影响模拟分析

利用Midas Civil 软件，探讨焊接热效应对换板后斜索桥主梁应力应变、斜拉桥索力以及桥塔偏位的影响。

4.2.1 焊接热效应对主梁的影响

（1）主梁线形影响分析。通过施加温度梯度，可以观测到斜拉桥主梁在纵桥向的移位变化，从而反映焊接热效应对主梁刚度的影响。根据斜索桥换板前后，主梁纵桥向垂向移位数据可知，换板前和换板后，主梁垂向移位曲线呈现出良好的对称性，表明焊接形变对梁的刚度影响不大，但在温度梯度作用下，换板后主梁的垂向移位随着梁长度变化而对应发生变化，且大部分位置的竖向移位有所增加。

（2）主梁应力影响分析。主梁上下缘的应力影响如图1 所示，图1（a）中换板前和换板后的主梁上缘应力分布显示出很好的对称性。在换板前，主梁上缘主要面临压应力，主塔位置发生移位主要来自桥塔的最大压应力。中跨跨中主梁的上缘受拉应力，其最大值为15.2 MPa。换板后主梁上缘其应力状态变化较大，主要承受的是拉应力。由于考虑0.2 cm 的焊热形变影响，顶板各换板区域给予降温处理，在-400 ℃的温度梯度影响下，换板区域的梁体均发生了紧缩形变，导致梁体由承压状态转变为受拉状态。中跨跨中的梁上缘其拉应力最大，为43.3 MPa。但主塔区域仍处受压状态，因为主梁边跨区域未对混凝土梁进行换板，所以边跨梁体的上缘仍处受压状态。

图1 主梁上下缘的换板应力影响

图1（b）展示了主梁下缘的应力分布情况。从图中可以看出，换板前后，主梁下缘的应力曲线呈现出良好的对称性。换板前和换板后主梁下缘主要承受比较大的压应力，其中大部分集中于主塔附近。焊接形变对主梁下缘的应力影响较大，相对于梁上缘而言，梁下缘的焊接形变反应敏感。换板后，由于焊接形变的作用，主梁下缘的最大压应力从之前的182 MPa 增加至258 MPa，增加了约42%。

主梁换板前后应力差状态分别如图2 所示，图线显示，主梁下缘的应力影响大于上缘影响。换板前后，主梁下缘应力在0～95 MPa 之间变化，上缘应力在0～39 MPa 之间变化，比较均匀。边跨和跨中桥塔位置，主梁下缘的应力变化不太一致。换板前和换板后，桥塔区域主梁下缘发生最大应力差，最大相差量达到95 MPa，而中跨的主梁应力变化则相对比较均匀。

图2 主梁换板前后应力差分别状态

4.2.2 焊接热效应对索力的影响

由于整桥对称性，因此选择1/4 桥对应的斜拉索长度进行索力影响分析，根据分析数据显示，无论中跨还是边跨，换板前后索力变化基本趋势一致。其中边跨端索的索力大于其他索力，中跨靠近主塔附近的索力降低较为明显，同时温度梯度作用引发边跨跨中轴力增大明显，而边跨其他索力都程度不同的降低，其中边跨端索（BS24）的索力前后降低17.3 kN，边跨跨中（BS9）索的索力增大66 kN，边跨最短索（BS1）的索力降低91 kN，这些索力无论增加还是降低，变化率均没有超出5%。

换板前后，中跨靠近主塔附近的索力曲线基本重合。因为温度梯度影响，桥塔附近的索力降低明显，中跨端索（ZS24）索力增大13.3 kN，中跨最短索（ZS1）索力前后降低86.4 kN，换板前、后中跨斜拉索索力变化率不超出5%。总之，温度梯度作用对斜拉索索力影响不明显，无论增加还是降低，变化率均没有超出50%，显示了栓变焊方案的可行性。

4.2.3 焊接热效应对桥塔偏位的影响

因为整桥对称性，所以只选择P2 主塔作为模拟分析对象，这里只列出塔顶、塔中、塔底部位相关模拟结果，P2 主塔各部位X、Y、Z方向的移位模拟结果如表1 所示。

表1 桥塔换板前后的移位模拟结果

表1 数据显示，主塔中部和顶部，纵桥向（X向）移位受到温度梯度明显影响，偏移量分别降低3.52 mm和4.65 mm，但前后变化率均未超出10%；横桥向（Y）、竖向（Z）偏移量受温度梯度影响非常小，基本可以忽略不计。总体看，焊接热效应对桥塔偏位的影响比较小，桥塔各部位三向移位换板前后变化率均未超出10%，再度验证了栓变焊设计方案的技术可行性。

5 结语

结合工程设计实例，进行了钢箱梁衔接栓变焊维修设计方案研究。介绍了该钢箱梁桥面板维修设计方案；介绍了为保证设计方案可行而进行的焊接热效应有限元模拟分析结果。焊接热效应对梁段和整体结构应力应变的影响分析显示，该栓变焊设计方案具有技术可行性。但模拟分析也发现，该设计工况下，顶板和右中腹板连接位置、靠近梁段约束端的顶板和横隔板连接位置等区域，存在局部失稳风险，这要求工程施工中加强这些部位的技术和安全监控，确保在这些部位和作业环节不发生技术疏漏。