钢箱梁裂缝处治施工技术探析

钢箱梁裂缝处治施工技术探析

王星球

湖北省公路水运工程咨询监理公司430000

摘要：钢箱梁是斜拉桥及悬索桥的主要承重构件，随着交通流量的不断增加，钢箱梁在运营过程中面板、U肋、横隔板和各构件连接焊缝处会出现疲劳裂缝的现象越来越多，从而影响桥梁的运营安全和使用寿命。本文以某公路大桥为例通过分析各构件的受力状态，对该桥钢箱梁出现裂缝的成因进行分析，并提出相应的维修处置建议，以对类似大型桥梁钢箱梁裂缝病害维修起到借鉴作用

关键词：钢箱梁;裂缝;疲劳破坏;成因分析;加固方案

随着我国交通建设事业的快速发展，特别是跨江，跨海特大型桥梁的逐渐增多，大跨度桥斜拉桥及悬索桥得到了迅速发展。在此类桥梁中，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。然而近年来正交异性钢桥面板疲劳开裂事故在国内外大跨钢桥中频繁出现，疲劳损伤破坏已经成为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又未能及时地发现和处理，将有可能造成比较严重的事故，巨大的经济损失和社会影响。

不仅在国内，通过己经发表的文献资料，钢箱梁的疲劳裂缝在日本和欧洲也有了较多报道。荷兰于1997年在VanBrienenoordbascule桥发现了疲劳裂缝，2005年日本的一座钢桥在投入使用12年之后发现了贯穿板顶的桥面板裂缝，到目前己经在大约十座桥上发现了这种裂缝。因此，对钢箱梁的疲劳裂缝成因及处置方案进行研究具有广泛的工程意义，此结合某跨江公路大桥工程实例状况进行分析。

1.工程实例概况

某跨江公路大桥是跨越长江的特大型桥梁。其中主桥为双塔双索面钢箱梁斜拉桥，主桥长964m，其桥跨布置为48m+204m+460m+204m+48m的五孔连续半漂浮双塔双索面钢箱梁斜拉桥。

其主要技术标准为:公路等级:一级公路；荷载等级:汽车超20级、挂车120级；桥面宽度：按6车道布置桥面净宽33.5m，两侧设2×1.25m人行道；其主桥钢箱梁由面板、底板、边纵腹板、横隔板、锚箱、风嘴等组成单箱5室薄壁结构。加劲梁采用扁平流线形钢箱梁桥面总宽38.8m，钢箱梁高3m，其宽高比为12.93，桥面横坡2%。

钢箱梁面板为正交异性板，根据受力不同采用不同板厚。锚箱焊接在边纵腹板侧，与边纵腹板共同直接承受和传递斜拉索索力。横隔板主要提供横桥向刚度，防止畸变变形，并为正交异性板提供支承。风嘴为抗风需要而设，不参与箱体受力，风嘴面板、上下斜腹板由外挂于边纵腹板的小隔板支承。行车道面板厚12mm，重车道面板厚14mm；行车道区面板采用U型加劲肋，U肋板厚6mm；钢箱梁横隔板间距2-4m，横隔板板厚20mm，为改善面板在汽车荷载作用下的变形及受力状况，在每两道横隔板梁之间设有一道横向加劲肋。

2.钢箱梁裂缝病害情况

大桥自2001年12月建成通车以后交通量不断增大，特别是2010年以后，随着地区的发展及车辆通行需求，钢箱梁开始出现明显的疲劳开裂现象，裂缝数量逐渐增多，裂缝长度逐渐发展。在2016年全桥的定期检查中发现，钢箱梁内外表面均出现不同程度的焊缝缺陷、开裂和裂缝等病害，具体如下：

（1）桥面板通过隐形裂缝探测共发现裂纹4688条，裂缝最长达11m；裂缝多出现在面板与U肋相交处，U肋裂缝多位于顶板U肋侧面与面板交接区焊缝处，主要为纵向裂缝，L形裂缝。从检查结果来看顶板U肋裂缝多出现在行车道重载区域，表明钢箱梁内部U肋与顶板由车辆活载引起的轮载效应明显。

（2）钢箱梁内新发现裂缝5598条，U肋纵向焊缝开裂多出现在行车道重载区域，横隔板横向焊缝开裂多出现在中隔板受力较为不利区域，部分焊缝开裂扩展至U肋成为裂缝。

（3）钢箱梁内新发现134处焊缝缺陷，且多出现在顶板U肋和隔板上，部分横隔板上的焊缝缺陷发展成为焊缝开裂。所发现的焊缝缺陷包括漏焊、缺焊、焊缝不密实和焊缝未焊透等。

总的来说钢箱梁内部顶板U肋裂缝、横隔板裂缝、焊缝开裂、焊缝缺陷等典型病害主要是由轮载效应、钢箱梁局部刚度不足、焊缝残余应力较大等引起的钢构件疲劳开裂，而且病害多集中于行车道重载区域，同2015年相比有进一步恶化的趋势。

3.钢箱梁裂缝成因分析及处置措施

从目前大桥主桥钢箱梁检测结论、运营状态和受力分析等角度综合分析可知钢箱梁使用荷载和环境条件因素对正交异性桥面板各类裂缝病害的影响是显著的，以下主要从受力分析、结构设计、制造工艺等角度对各类裂缝进行开裂成因分析，同时在调研国内外同类桥梁钢箱梁加固施工经验的基础上，提出某跨江公路大桥各类裂缝的处置方案。

3.1UMJ型裂缝成因分析及处置方案

（1）成因分析

①力学因素：当车辆沿U肋行走时，在纵肋与面板连接处承受相互平衡的3个弯矩的共同作用，当纵肋内侧的弯矩大于外侧的弯矩时，会在焊趾处产生较大拉应力，当纵肋外侧的弯矩大于内侧的弯矩会在焊根处产生较大拉应力；②构造因素：实桥中常见焊趾处缺陷如咬边等未进行锤击处理，焊根处未采用坡口焊、熔透深度不足或熔透过深，这些构造缺陷造成的小间隙或根部熔穿会引起应力集中。

（2）处置方案

采用将裂缝处焊缝及桥面板刨除后，下垫钢+陶瓷衬垫进行补焊修复。修复前需要采用超声波法探明隐性裂缝位置、长度和裂缝尖端。用碳弧气刨刨去面板裂缝，成V型坡口状，并用砂轮打磨至光滑匀顺后焊接。

3.2H（横隔板）型裂缝型成因分析及处置方案

（1）成因分析

①力学因素：正交异性钢桥面板由互为垂直的面板、纵肋和横肋三个部件组成，钢桥面板和纵向U肋可视为弹性连续支承在横梁上的连续梁，在纵向移动的汽车轮载作用下，纵向U肋反复挠曲变形迫使横梁产生面外反复变形，当该面外变形受到约束时，将在弧形切口及上过焊孔处产生很大的次弯曲应力，约束刚度越大，次弯曲应力越大；横梁在正上方汽车荷载的作用下，将产生垂直于桥轴方向的竖向挠曲变形，在弧形切口周边及过焊孔焊缝端部产生较大的面内弯曲应力和剪应力。②构造因素：弧形切口尺寸设计不合理会导致过大的应力集中；并且弧形切口及过焊孔因为空隙较小，该处进行焊接时往往因为焊接水平较低导致焊缝缺陷，或者切割时产生焰切缺陷，产生应力集中。

（2）处置方案

因焊接修复法引起的焊接收缩变形及面外变形对接板整体受力不利，故不建议采取焊接修复。应采用构造细节设计法，先对弧形切口形状进行修磨，之后采用栓接钢板进行横隔板局部截面和刚度的加强。

3.3U型裂缝成因分析及处置方案

（1）成因分析

①力学因素：当轮载作用在横肋上方时，由于横肋竖向弯曲变形，U肋侧板产生面外变形，受两者之间角焊缝的约束，在围焊端的趾部产生很大的次弯曲应力；②构造因素：通常纵肋贯通，横肋上设置弧形切口，横肋与U肋两侧用角焊缝连接，这种几何形状造成很高的应力集中，而且组装精度和窄小的过焊孔和弧形切口的围焊等，确保焊接质量难度较大。在荷载作用下并受到焊缝缺陷影响，很容易从弧形切口和过焊孔的焊缝围焊端的焊趾处萌生裂缝，并逐渐扩展到U肋母材。

（2）处置方案

该类裂缝位置上有萌生自横隔板弧形切口和上过焊孔两种，处治方式上主要分为两类：

裂缝长度L≤60mm：采用在裂缝尖端钻设螺栓孔，限制裂缝继续开裂。

裂缝长度L>60mm：处治采用两侧U肋的内侧均垫加强钢板。

4.结论

钢箱梁的结构和受力比较复杂在车辆荷载的反复作用下，钢箱梁面板、U肋及横隔板极易出现疲劳破坏，本文在钢箱梁疲劳裂缝成因分析的基础上，阐述了钢箱梁易于产生疲劳裂缝的关键部位，预测了钢箱梁疲劳裂缝后续发展状况，提出缓解钢箱梁裂缝发展的应对措施，建议如下:

（1）加强钢箱梁裂缝的监控和检测，不仅要全面揭示既有的明显裂缝，也要尽可能发现潜在和新萌生的裂缝，做到对裂纹和裂缝早发现、早处置。

（2）由于钢桥面板裂缝病害可能隐蔽于桥面铺层以下，因此钢箱梁裂缝病害处置应与桥面铺装大修工程同步进行，以便在对桥面板裂缝进行有效检测和修复。

（3）由车辆引起的桥面振动将影响到钢箱梁裂缝修复的施工质量，建议尽可能在钢箱梁及桥面铺装大修期间封闭桥面交通。

参考文献:

［1］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．重庆交通大学学报(自然科学版)，2012，(S1):700－704．

［2］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．防灾减灾工程学报，2011，(5):572－577．