曾 勇，向中富，于 福，姜學(xué)良，沈新慧，李賢仰

(1.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，中國重慶400074;2.重慶市山區(qū)橋梁與隧道工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地)，中國重慶400074;3.中交一航局第二工程有限公司，中國山東青島266071;4.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，中國陜西西安100044;5.云南省楚雄公路管理總段路橋公司，中國云南楚雄675000;6.中交第二航務(wù)工程局有限公司，中國湖北武漢430040)

正交異性橋面板鋼箱梁的疲勞開裂的事例已在許多鋼橋中出現(xiàn)［1-3］。關(guān)于鋼橋面板的疲勞開裂，最早出現(xiàn)在英國的Seven橋，該橋分別于1971年和1977年發(fā)現(xiàn)了疲勞裂紋。德國的Haseltal和Sinntal橋也在運(yùn)營后不久，鋼橋面板出現(xiàn)了疲勞裂紋。此外，日本、美國、荷蘭、法國等國家也都出現(xiàn)了正交異性橋面板鋼箱梁疲勞開裂的事例［3］。疲勞損傷破壞是大跨徑鋼橋在運(yùn)營期間的主要病害之一。

1 鋼箱梁的疲勞損傷

正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，正交異性鋼橋面板除作為橋面外，還是主梁截面的組成部分，它既是縱、橫梁的上翼緣，又是主梁的上翼緣。由于正交異性鋼橋面板的應(yīng)力狀態(tài)非常復(fù)雜，鋼橋面板容易開裂的部位主要是焊接連接點(diǎn)，即鋼橋面板各部件連接處的焊縫。也有因應(yīng)力集中導(dǎo)致易開裂的部位，見圖1～圖6，如橫梁腹板的開孔處［4-6］。

圖3 鋼箱梁的U肋焊縫的縱向裂紋Fig.3 Longitudinal fatigue cracks of U ribs

圖4 U肋與橫梁腹板焊縫的疲勞裂紋Fig.4 Fatigue cracks of U ribs and webs

圖5 鋼箱梁的U肋對接焊縫裂紋Fig.5 Butt weld cracks of box girders

圖6 鋼箱梁的橫梁腹板開孔邊緣裂紋Fig.6 Cracks of web openings edge

2 油漆涂裝層的損傷

油漆涂裝層的腐蝕失效不同于金屬涂層或金屬材料的腐蝕，無腐蝕電流產(chǎn)生，所以它不是電化學(xué)腐蝕，而是物理和化學(xué)的腐蝕作用［7］。鋼箱梁涂膜劣化類型包括粉化、起泡、裂紋、脫落、生銹等5種。

鋼箱梁風(fēng)嘴加勁肋角處往往存在點(diǎn)狀銹蝕，且數(shù)量較多，見圖7。在底板，特別是焊縫處存在點(diǎn)狀剝落銹蝕［8］。有些地方出現(xiàn)刮傷，但數(shù)量不是很多。在橋檢車滑軌焊縫處局部出現(xiàn)條狀銹蝕，見圖8。

圖7 鋼箱梁底部局部點(diǎn)狀銹蝕Fig.7 Corrosion points at the bottom of steel box girder

圖8 底部焊縫局部銹蝕剝落Fig.8 Corrosion rust flaking of steel box girder

3 鋼橋面板的疲勞細(xì)節(jié)

閉口縱肋正交異性鋼橋面板構(gòu)造復(fù)雜，加工、焊接不當(dāng)難免會出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，同時大量的焊接工作中不可避免存在焊接缺陷，這些都導(dǎo)致正交異性鋼橋面板在車輪荷載作用下易產(chǎn)生疲勞開裂［9］。而我國迅速發(fā)展的交通運(yùn)輸事業(yè)使單車荷重和交通量都有顯著提高，特別是重車比例的日益增大和嚴(yán)重的超載現(xiàn)象都加劇了鋼橋面板的疲勞損傷。因此，正交異性鋼橋面板的疲勞問題在科研和設(shè)計(jì)中都應(yīng)給予足夠的重視。

鋼橋面板容易開裂的部位主要是各部件連接處的焊縫和有因應(yīng)力集中導(dǎo)致易開裂的部位［9］。鋼箱梁的鋼橋面板有7種構(gòu)造需要考慮疲勞:縱肋對接焊縫;縱肋與頂板的角焊縫連接;縱肋與橫梁腹板的連接;橫梁腹板與頂板的連接;縱隔板與頂板的連接;橫梁腹板開孔;頂板的對接焊縫(縱、橫向)。結(jié)合國外文獻(xiàn)中已經(jīng)報(bào)道的疲勞裂紋位置［2-6，9］，圖9顯示了鋼箱梁鋼橋面板易于產(chǎn)生疲勞裂紋的關(guān)鍵部位。

圖9 正交異性鋼橋面板典型疲勞細(xì)節(jié)Fig.9 Typical fatigue details of orthotropic steel deck

縱肋受彎曲和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)共同作用，其受力情況較為復(fù)雜。對于縱肋對接焊縫來講，多是由于彎曲作用導(dǎo)致縱肋底部焊縫在順橋向應(yīng)力反復(fù)作用下產(chǎn)生疲勞開裂。縱肋對接焊縫多發(fā)生垂直焊縫方向裂紋［9］。

縱肋與頂板焊縫的疲勞開裂發(fā)生在焊縫根部，斷口穿過焊縫，也可以發(fā)生在焊縫趾部穿過縱肋腹板或頂板。

縱肋與橫梁腹板焊縫的疲勞開裂一般發(fā)生在焊縫根部，裂紋斷口往往穿過焊縫，也可能出現(xiàn)在焊縫趾部穿過橫梁腹板。

在車輪荷載作用下，橫梁腹板平面內(nèi)將產(chǎn)生彎曲效應(yīng)，而相鄰縱肋間的橫梁腹板形成一個齒狀懸臂結(jié)構(gòu)，其在彎矩作用下，在根部產(chǎn)生可觀的水平剪應(yīng)力和豎直正應(yīng)力。

4 正交異性鋼橋面板鋼箱梁的疲勞檢測

正交異性鋼橋面板疲勞問題比較突出，主要有以下幾個方面:

1)鋼橋面板承受車輛輪胎荷載的反復(fù)作用;

2)鋼橋面板受力復(fù)雜，交叉部位應(yīng)力集中嚴(yán)重;

3)U肋與橫隔板處的角焊縫、許多現(xiàn)場拼接接頭的焊接質(zhì)量不易保證;

4)鋼橋面板的應(yīng)力影響線較短，一輛車經(jīng)過會產(chǎn)生數(shù)個應(yīng)力循環(huán)。

隨著這些大跨徑鋼橋的投入運(yùn)營，疲勞檢測維修策略已作為大跨徑鋼橋維護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究的重要內(nèi)容之一被提到議事日程。任何一座橋梁，不管設(shè)計(jì)與施工如何的完美無缺，進(jìn)入實(shí)際運(yùn)營過程以后，都會出現(xiàn)一些病害，必須用相應(yīng)的檢測維修來糾正，以保證橋梁的正常使用。鋼橋超過中年期后，病害就會增多，材料越易疲勞與腐蝕，需要越多的檢測維修。

4.1 評判既有的疲勞裂紋

可以通過目測既有的疲勞裂紋，查明發(fā)生疲勞裂紋出現(xiàn)的原因，評估疲勞裂紋的擴(kuò)展情況。

4.2 疲勞損傷程度診斷

判斷裂紋是否因疲勞引起，判斷疲勞裂紋出現(xiàn)的時間并預(yù)測其產(chǎn)生范圍，對疲勞裂紋的壽命預(yù)測。

4.3 對疲勞裂紋的評價和判斷

4.3.1 目測判斷

當(dāng)目測發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋出現(xiàn)，須采取緊急維修措施。

4.3.2 測量調(diào)查

分析造成疲勞損傷的作用應(yīng)力較大的部位，同時關(guān)注由形狀引起的應(yīng)力集中和由外曲面引起的應(yīng)力集中等部位。橋面板與橫隔板的雙側(cè)角焊縫、橋面板與U肋角焊縫、底板與側(cè)板折角處橫隔板搭接焊縫、面板與底板的縱向?qū)雍缚p是檢查時候的重點(diǎn)關(guān)注部位。

4.3.3 安全性的診斷

檢查關(guān)鍵部件是否出現(xiàn)疲勞裂紋，如果有，須對裂紋的長度、寬度以及裂紋附近的應(yīng)力進(jìn)行測量，分析裂紋的擴(kuò)展行為，這種處理方法如圖10。

圖10 疲勞裂紋處理方法Fig.10 Repair approaches of fatigue cracks

5 鋼箱梁裂紋的修補(bǔ)

鋼橋面板開裂所帶來的后果嚴(yán)重，首先鋼橋面板疲勞裂紋若不能得到及時修補(bǔ)，非但會導(dǎo)致鋼橋面鋪裝迅速破壞，而且會威脅行車安全，給橋梁的安全運(yùn)營帶來隱患。其次鋼橋面板疲勞開裂后維修難度大，費(fèi)用高且耗時長，修補(bǔ)后的細(xì)節(jié)疲勞抗力并不能有實(shí)質(zhì)性的提高反而會降低，修補(bǔ)效果差。

鋼橋在運(yùn)營期間進(jìn)行檢查和修復(fù)，對防止早期疲勞裂紋的擴(kuò)展和延長橋梁使用壽命具有非常重要的意義。近些年來，由于歐美、日本等國己經(jīng)將橋梁維修管理中的鋼橋疲勞問題列為重點(diǎn)對象，并在橋梁維修手冊中進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定和說明。

鋼橋加工制造過程中的鋼材及焊縫缺陷，應(yīng)由制造企業(yè)按照質(zhì)量檢驗(yàn)規(guī)程，使用X射線和超聲波探傷等無損檢測方法加以控制。對鋼橋運(yùn)營期間出現(xiàn)的裂紋，常用方法有目檢、磁粉探傷檢查等。發(fā)現(xiàn)裂紋后，應(yīng)由專業(yè)技術(shù)焊工及時修補(bǔ)，制止裂紋的擴(kuò)展，焊縫修補(bǔ)次數(shù)應(yīng)控制不超過兩次。

當(dāng)承受拉應(yīng)力部位的裂紋不能閉合時，應(yīng)先燒碼板，設(shè)法將裂紋拉攏，然后預(yù)熱及焊接。修復(fù)工作進(jìn)行前，應(yīng)制定相應(yīng)的修補(bǔ)方案及焊接修復(fù)工藝，焊接工藝應(yīng)進(jìn)行必要的測試和評定，對于重要部位處焊縫的修復(fù)，為慎重起見，應(yīng)征得有關(guān)專家的認(rèn)可后方能實(shí)施［10］。

5.1 鋼箱梁母材上的裂紋

1)表面及近表面的裂紋。先用圓弧過渡的打磨方法消除，后用磁粉探傷復(fù)檢。

2)內(nèi)部裂紋。先用超聲波探傷找出裂紋位置，再用射線探傷找出裂紋的實(shí)際位置，最后采用截?cái)喾ɑ蛲谘a(bǔ)法來處理。

截?cái)喾ㄌ幚?，適用于單一線狀裂紋。其處理過程如下:對裂紋部位作表面清理和打磨，直至露出裂紋，再用磁粉或著色或射線探傷或放大鏡判斷裂紋的走向、并換出裂紋的兩個尖端，在沿裂紋延伸直向距尖端約40～50 mm處，各鉆一個“截止孔”，然后再擴(kuò)大、補(bǔ)焊。

挖補(bǔ)法處理，常用于星狀裂紋和分枝狀裂紋的處理。其處理過程如下:先找裂紋所在區(qū)域，再用氣割挖出裂紋，所割面積比原裂紋面積每邊大40～50 mm，然后補(bǔ)以新板，或?qū)⒂辛鸭y的部位整體替換。

5.2 焊接熱影響區(qū)的裂紋

一般采用打磨法消除，并用磁粉或著色探傷確認(rèn)已無裂紋。

5.3 焊縫裂紋

用X射線或超聲波探傷找出裂紋的尖端，然后在裂紋兩端鉆截止孔，孔深稍大于裂紋深度，再除去整條裂紋，修磨成合適的坡口，用射線探傷驗(yàn)證裂紋已完全挖凈后，補(bǔ)焊。

6 鋼箱梁疲勞檢查結(jié)果的評定

對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞損傷的可靠性評定，就是發(fā)現(xiàn)鋼箱梁某部位發(fā)生疲勞裂紋后，采取何種對策以及對策的緊迫性進(jìn)行評定，判斷的內(nèi)容包括:①疲勞裂紋的累積損傷度;②疲勞損傷的“擴(kuò)展性”;③鋼箱梁的“冗余度”;④疲勞裂紋對鋼箱梁的影響程度。每個項(xiàng)目都是根據(jù)某一功能的疲勞極限狀態(tài)評定，所以疲勞評定等級是鋼箱梁構(gòu)件能否滿足某項(xiàng)功能要求的評定結(jié)果，以 A，B，C，D，E表示。

鋼箱梁某一具體部位出現(xiàn)疲勞裂紋時，先根據(jù)疲勞損傷進(jìn)展性與冗余度進(jìn)行評級，再與累積損傷度確定疲勞可靠性的評級。對于鋼箱梁的各個對疲勞敏感部位分別確定鋼箱梁可靠性級別。最后根據(jù)評級結(jié)果，確定采取相應(yīng)的維護(hù)對策與時間。

預(yù)測疲勞裂縫，重點(diǎn)在于檢查部位的選定，以及檢查周期和的確定。該評價能否較正確掌握所考慮部位的實(shí)際的應(yīng)力史，以及能否選定符合實(shí)際狀態(tài)的接頭的疲勞強(qiáng)度是決定評定準(zhǔn)確的關(guān)鍵。對于鋼箱梁的疲勞累積可靠性評價，累積損傷度是一個主要評判指標(biāo)，其判定疲勞退化等級見表1。

表1 累積疲勞損傷度判定劣化等級Table 1 Deterioration determination of cumulative fatigue damage

疲勞損傷的“擴(kuò)展性”:判斷退化狀態(tài)擴(kuò)展的快或慢。構(gòu)件的“冗余度”:當(dāng)構(gòu)件或疲勞細(xì)節(jié)處產(chǎn)生的疲勞損傷連續(xù)發(fā)展時，需要判斷結(jié)構(gòu)是否會明顯地喪失強(qiáng)度和承重能力。圖11為進(jìn)行疲勞損傷評定的流程圖。

圖11 疲勞損傷評定的流程Fig.11 Flow chart of fatigue damage assessment

7 結(jié)語

正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)和受力復(fù)雜，同時由于重車比例的日益增大和嚴(yán)重的超載現(xiàn)象都加劇了鋼橋面板的疲勞損傷，這些都導(dǎo)致正交異性鋼橋面板在車輪荷載作用下易產(chǎn)生疲勞開裂。

鋼箱梁鋼橋面板易于產(chǎn)生疲勞裂紋的關(guān)鍵部位有縱肋對接焊縫;縱肋與頂板的角焊縫連接;縱肋與橫梁腹板的連接;橫梁腹板與頂板的連接;縱隔板與頂板的連接;橫梁腹板開孔;頂板的對接焊縫(縱、橫向)。

筆者闡述了鋼箱梁的疲勞檢測內(nèi)容和鋼箱梁的裂紋的修補(bǔ)流程，分析了鋼箱梁的各主要構(gòu)件的檢查周期。根據(jù)采取何種維護(hù)對策以及維護(hù)對策的緊迫性進(jìn)行判斷，提出了鋼箱梁疲勞評估的判斷項(xiàng)目。

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