潘思彤，夏 天，李澤新

（1.中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京100048；2.武漢城市公共設(shè)施運(yùn)營(yíng)發(fā)展有限公司，湖北 武漢；3.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430034；4.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司，湖北 武漢430034）

0 引 言

橋梁上高強(qiáng)度螺栓斷裂原因包括材質(zhì)初始缺陷、加工工藝、應(yīng)力腐蝕、疲勞斷裂、受力性能等多個(gè)方面。而栓接鋼箱梁由于結(jié)構(gòu)形式特殊，有必要在上述多種可能中找出高強(qiáng)度螺栓斷裂的主要原因，以便采取相應(yīng)的維修措施，保障結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營(yíng)。

1 概述

某跨江斜拉橋?yàn)殡p塔雙索面半漂浮支撐體系混合梁橋，跨徑布置為（50＋180＋618＋180＋50）m（圖1），建成于2000年。鋼箱梁部分長(zhǎng)904 m，為雙箱分離的扁平箱梁，梁高3 m、頂寬29 m，兩側(cè)設(shè)風(fēng)嘴。節(jié)段間采用M22高強(qiáng)度螺栓拼接，每標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段用栓4 332套，其中橋面頂板1 484套、斜腹板752套、底板584套、內(nèi)腹板300套、外腹板276套，中間頂板U肋936套。全橋高強(qiáng)度螺栓一共363 888套。高強(qiáng)度螺栓材質(zhì)為20 MnTiB，性能等級(jí)為10.9 s，設(shè)計(jì)預(yù)拉力為200 kN。高強(qiáng)度螺栓布置見(jiàn)圖2。

圖1 橋梁立面布置圖（單位：m）

圖2 高強(qiáng)度螺栓布置圖

2019年發(fā)現(xiàn)該橋高強(qiáng)度螺栓有439套斷裂、16 073套嚴(yán)重銹蝕，影響結(jié)構(gòu)安全，因此有必要對(duì)螺栓銹蝕斷裂原因進(jìn)行分析，并采取針對(duì)性維修措施。

2 病害情況調(diào)查

目前嚴(yán)重銹蝕螺栓數(shù)量為16 073套，斷裂螺栓為439套。高強(qiáng)度螺栓病害分布位置見(jiàn)表1，歷年病害調(diào)查結(jié)果見(jiàn)表2。高強(qiáng)度螺栓病害有如下規(guī)律：一是斷裂螺栓主要集中分布在底板和斜腹板，底板占比為69%，腹板占比為31%，頂板螺栓未發(fā)現(xiàn)斷裂。二是斷裂螺栓的節(jié)段接頭在鋼箱梁各處隨機(jī)分布，普遍滲水嚴(yán)重，且該類接頭處的橋面鋪裝普遍損壞嚴(yán)重。三是歷年檢查結(jié)果表明，斷裂部位的高強(qiáng)度螺栓更換后容易再次斷裂。四是很多嚴(yán)重銹蝕的高強(qiáng)度螺栓，其截面上95%的部位已斷裂，剩余部位還殘存連接的情況，肉眼觀察不易發(fā)現(xiàn)，需用小錘敲擊才能發(fā)現(xiàn)。五是螺栓年斷栓率約為0.05%，隨著運(yùn)營(yíng)環(huán)境的惡化，有繼續(xù)增長(zhǎng)的可能。

表1 高強(qiáng)度螺栓病害分布位置

表2 歷年病害調(diào)查結(jié)果

可以看出，高強(qiáng)度螺栓銹蝕斷裂與滲水引起的腐蝕有著密切的關(guān)系。小錘敲擊法是檢查螺栓銹蝕最直接可靠的方法。

3 高強(qiáng)度螺栓金相分析

3.1 斷口宏觀分析

439套斷裂螺栓斷口表現(xiàn)為應(yīng)力腐蝕斷裂特征明顯的有415套，占總數(shù)的94.6%，斷口表現(xiàn)為一般脆性斷裂的有24套，占總數(shù)的5.4%。可以推斷，螺栓斷裂的原因主要是高應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力腐蝕，少量有初始缺陷的一般脆性斷裂破壞的高強(qiáng)度螺栓。詳見(jiàn)圖3。

圖3 典型高強(qiáng)度螺栓斷口

3.2 斷口金相及電鏡分析

選取部分?jǐn)嗔崖菟ㄟM(jìn)行金相分析和電鏡掃描。金相分析圖譜表明斷裂螺栓均為索氏體，具有良好的綜合機(jī)械性能，說(shuō)明螺栓熱處理工藝滿足要求。

電鏡掃描圖譜（見(jiàn)圖4、圖5）表明斷裂螺栓具有應(yīng)力腐蝕特征，能從圖像中分辨出斷裂的缺陷源區(qū)、缺陷發(fā)展區(qū)等一系列斷裂發(fā)展形態(tài)。

圖4 典型高強(qiáng)度螺栓斷口金相圖譜

圖5 典型斷裂螺栓電鏡掃描圖譜

5 高強(qiáng)度螺栓接頭檢測(cè)

從橋上卸取了8塊高強(qiáng)度螺栓接頭拼接板進(jìn)行摩擦系數(shù)試驗(yàn)，實(shí)測(cè)摩擦系數(shù)為0.58～0.67，均大于規(guī)范最低限值0.45，滿足規(guī)范要求。選取了460套螺栓進(jìn)行扭矩測(cè)試，其中實(shí)測(cè)扭矩與設(shè)計(jì)值偏差在10%以內(nèi)的有448套，占97.0%，偏差超過(guò)10%的有12套，占3%。

高強(qiáng)度螺栓接頭摩擦系數(shù)和扭矩基本滿足規(guī)范要求，說(shuō)明該橋高強(qiáng)度螺栓斷裂與超擰聯(lián)系不大，施工基本規(guī)范。

6 高強(qiáng)度螺栓接頭受力分析

建立鋼箱梁局部有限元模型（圖6），計(jì)算箱梁中跨1/4截面附近處的底板和頂板應(yīng)力幅值。采用板殼單元shell181建模，一共劃分67 646個(gè)單元。在模型端部一端約束X、Y和Z向位移，在有斜拉索處約束豎向位移，對(duì)稱面上采用對(duì)稱約束，模型的另一端施加整體模型計(jì)算得到等效內(nèi)力幅值，計(jì)算最大軸力工況和最小軸力工況下箱梁局部應(yīng)力幅值。

圖6 鋼箱梁局部有限元模型

在最大軸力幅值作用下，底板的平均應(yīng)力幅值為80 MPa（見(jiàn)圖7、圖8）；在最小軸力幅值作用下，底板平均應(yīng)力幅值為60 MPa。可以看出，底板的應(yīng)力幅值基本在60～80 MPa之間變化，綜合考慮可取底板應(yīng)力平均值70 MPa，以此作為計(jì)算該底板螺栓應(yīng)力幅值的標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 最大軸力作用下底板應(yīng)力圖

圖8 最大軸力作用下頂板應(yīng)力圖

計(jì)算結(jié)果表明，鋼箱梁在活載作用下，底板的應(yīng)力幅大于頂板的應(yīng)力幅，因此底板螺栓的受力較頂板螺栓受力更為不利，加上底板積水使高強(qiáng)螺栓易發(fā)生銹蝕的共同作用，易引發(fā)螺栓應(yīng)力腐蝕進(jìn)而疲勞斷裂，與檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的鋼箱梁拼接接頭的高強(qiáng)度螺栓斷裂主要發(fā)生在箱梁底板上這一現(xiàn)象吻合。

7 高強(qiáng)度螺栓應(yīng)力幅值及疲勞強(qiáng)度分析

采用實(shí)體單元solid45和預(yù)緊單元prets179建模，進(jìn)行高強(qiáng)度螺栓連接的接觸分析。拼接板與芯板之間采取摩擦接觸連接，通過(guò)定義接觸面的摩擦系數(shù)，達(dá)到在拼接板與芯板之間的內(nèi)力傳遞。

計(jì)算得到活載作用下螺栓的拉應(yīng)力幅值為12.33～15.06 MPa。而M22摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接常幅疲勞強(qiáng)度在50%保證率下為123.7 MPa，在97.7%保證率下為100.0 MPa（其疲勞抗力方程式為：lgN+4lgσ=15.0），均大于15 MPa，滿足規(guī)范要求。詳見(jiàn)圖9、圖10、圖11。

圖9 底板高強(qiáng)度螺栓連接有限元計(jì)算模型

圖10 底板沿拉力方向（Z向）應(yīng)力云圖

圖11 高強(qiáng)度螺栓軸向應(yīng)力云圖

8 結(jié)論

（1）螺栓斷裂的原因主要是橋面鋪裝損壞導(dǎo)致積水滲入箱梁引起的應(yīng)力腐蝕，偶發(fā)因素為有初始缺陷的高強(qiáng)度螺栓的脆性斷裂破壞。

（2）在維修橋面排水系統(tǒng)并采用防水膠對(duì)箱梁內(nèi)部滲水點(diǎn)進(jìn)行封堵后，高強(qiáng)度螺栓銹蝕和斷裂情況得到明顯好轉(zhuǎn)。

（3）正交異性板鋼橋面鋪裝容易損壞，當(dāng)鋪裝再次損壞時(shí)，橋面積水會(huì)再次下滲，使鋼箱梁螺栓斷裂，因此采用新材料延長(zhǎng)橋面鋪裝使用壽命才是保證高強(qiáng)度螺栓安全正常使用的關(guān)鍵。