淺談?wù)划愋园迤陂_裂及處治建議

佛山路橋養(yǎng)護(hù)有限公司

摘要：隨著城市橋梁及公路橋梁對橋梁跨徑要求的逐步增加，大跨度橋梁數(shù)量在近年橋梁建設(shè)中迅猛增長，而鋼箱梁由于其剛度大、自重輕，很好地滿足跨度及凈空要求。隨著國內(nèi)鋼箱梁橋運(yùn)營時間的增長，正交異性板疲勞開裂的病害逐漸顯現(xiàn)出來，也成為行業(yè)內(nèi)橋梁養(yǎng)護(hù)工作中的技術(shù)難點和重點。本文主要結(jié)合國內(nèi)某特大懸索橋鋼箱梁正交異性板疲勞開裂病害，分析裂縫產(chǎn)生原因及其發(fā)生機(jī)理，同時提出相應(yīng)的處治建議。

關(guān)鍵詞：正交異性板；鋼箱梁；疲勞；裂縫；止裂孔

1、引言

隨著國內(nèi)大跨徑橋梁建設(shè)，鋼箱梁憑借其自重輕、剛度大的優(yōu)點得以迅猛發(fā)展，而隨著橋梁逐年運(yùn)營，鋼箱梁正交異性板疲勞開裂的病害在通車幾年內(nèi)就逐漸顯現(xiàn)，其疲勞壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計使用年限，成為橋梁養(yǎng)護(hù)工作的重點及難點。對于如何正確處理疲勞裂縫，本文結(jié)合國內(nèi)某大型懸索橋?qū)嶋H情況，深入分析該橋正交異性板疲勞開裂產(chǎn)生原因及病害發(fā)生機(jī)理，同時從養(yǎng)護(hù)角度提出如何采取行之有效的措施減緩病害的發(fā)展。

2、工程概況

某橋為獨塔自錨式懸索橋，主橋全長680.2m，總體布置為39.64m+5×40m+30m（混凝土加勁梁及錨跨）+350m（鋼加勁梁）+30m+29.60m（混凝土錨跨），橋?qū)拞畏骺诪?6.1m（鋼加勁梁），單幅副孔23.25m（混凝土加勁梁）。設(shè)計車輛荷載：汽車—超20級，掛車—120，一級公路，城市A級驗算。

主跨鋼箱梁采用單箱三室全含鋼加勁梁，正交異性板結(jié)構(gòu)，鋼加勁梁為扁平流線型封閉薄壁等截面，橫斷面位單箱三室、非對稱多邊形。梁高3.5m，頂板厚16mm-20mm，底板厚14mm-20mm，腹板厚16mm，頂、底板U型加勁肋厚10mm。橫隔板標(biāo)準(zhǔn)間距3.0mm，除鋼-混結(jié)合段、吊索處橫隔板厚12mm外，其余板厚均為10mm。縱橫隔板為實體式構(gòu)造，板厚16mm，采用板式加勁和縱向加勁。

3、病害綜述

養(yǎng)護(hù)巡查中發(fā)現(xiàn)，該橋運(yùn)行8年后，U型肋與橫隔板連接部位弧形切口處母材開裂，其中右幅箱梁共發(fā)現(xiàn)82處該類病害，左幅箱梁共發(fā)現(xiàn)39處該類病害，右幅病害明顯多于左幅橋，并且病害呈較快的發(fā)展態(tài)勢。病害U肋主要位于車道輪跡線下方，說明目前橋面系的該類病害與橋面荷載存在極強(qiáng)的相關(guān)性。病害主要分布在非吊點橫隔板（10mm厚），非吊點處橫隔板相應(yīng)處病害占總體95%，吊點對應(yīng)橫隔板（12mm厚）相應(yīng)處病害占總體的5%。橫隔板裂紋大多起源于弧形切口起彎點處，裂紋長度最長為210mm，部分裂紋已裂至相鄰U肋橫隔板中心線。部分相鄰U肋間橫隔板弧形切口位置均存在開裂的現(xiàn)象，兩條裂紋呈交叉走向。部分橫隔板弧形切口裂紋上下鋼板存在縱向錯位現(xiàn)象。病害狀況見照片所示。

4、病害成因分析

（1）有限元計算分析

為了盡量真實反映鋼箱梁在汽車輪載作用下的受力狀況，選取10個節(jié)間的鋼箱梁建立有限元計算模型進(jìn)行模擬計算。

通過模擬計算，橫隔板腹板弧形缺口部位半徑為10mm的圓弧曲線段都出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，特別是圓弧與直線連接處。當(dāng)荷載作用在U形肋正上方時，最大Von Mises應(yīng)力值達(dá)到158.7MPa。如果考慮汽車沖擊效應(yīng)和超重的影響，該應(yīng)力值將會更大。這是該懸索橋鋼箱梁正交異性板U形肋與橫隔板交叉連接部位弧形缺口半徑10mm曲線段大量出現(xiàn)疲勞裂紋的主要原因。

（2）交通荷載分析

隨機(jī)抽取連續(xù)10天單幅的交通數(shù)據(jù)作為本次樣本分析。通過交通量統(tǒng)計結(jié)果可知，10天內(nèi)單幅累計交通量為458943輛，平均每天交通量約4.59萬輛，各車道平均每天交通量為9178輛。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，實測最大車重為132.7T，實測最大軸重為25.5T，其中2-4車道均存在普遍超載現(xiàn)象，3車道超載現(xiàn)象最明顯，11.6%的車輛存在超載現(xiàn)象。目前正交異性板疲勞開裂主要集中在重車道（3、4車道）輪跡線下方，快車道2因離重車道較近，亦存在一定病害，結(jié)合大橋交通荷載軸重及總重調(diào)查結(jié)果可知，疲勞開裂病害與車輛超載存在一定的對應(yīng)關(guān)系。

5、處置措施

對于特別短的裂紋，可對橫隔板局部進(jìn)行切削，并對邊緣進(jìn)行研磨，確保應(yīng)力傳遞的順暢，避免應(yīng)力集中的發(fā)生。

對于較短裂紋，可于普通止裂孔中置入高強(qiáng)螺栓，可以通過對高強(qiáng)螺栓施加預(yù)拉力，使止裂孔邊鋼板表面與螺栓墊板之間產(chǎn)生擠壓力，從而延緩疲勞裂紋的再生和擴(kuò)展，延長構(gòu)件疲勞壽命。

對于較長的裂紋，在裂紋尖端鉆設(shè)止裂孔、置入高強(qiáng)螺栓的同時，可進(jìn)一步于已開裂部位鉆孔置入高強(qiáng)螺栓，利用高強(qiáng)螺栓施加擠壓力，增加裂紋擴(kuò)展的阻力，從而可延緩疲勞裂紋的擴(kuò)展、延長構(gòu)件的疲勞壽命。

對于裂紋長度很長的狀況，考慮到原構(gòu)件剛度弱化較為明顯，為避免誘發(fā)其他類型病害的發(fā)生，增加病害的處理的難度和復(fù)雜性，有必要采取一定的補(bǔ)強(qiáng)措施，可利用附加夾板進(jìn)行加固，并采用高強(qiáng)螺栓進(jìn)行栓接。

6、結(jié)論

從本文案例可看出，鋼箱梁正交異性板疲勞開裂的提早出現(xiàn)主要是由于車流量巨大、超載現(xiàn)場嚴(yán)重所導(dǎo)致，在超高軸載和高頻率作用下，正交異性板應(yīng)力集中區(qū)域在高強(qiáng)度應(yīng)力幅和多次循環(huán)的作用下，提早達(dá)到疲勞屈服極限而產(chǎn)生破壞。要解決此類病害的發(fā)生，需從以下幾點著手：

（1）優(yōu)化正交異性板細(xì)部構(gòu)造設(shè)計，減少應(yīng)力集中區(qū)域；

（2）有效治理超載現(xiàn)象，杜絕鋼板在高應(yīng)力幅值作用下長期反復(fù)作用；

（3）盡早發(fā)現(xiàn)病害，采用鉆孔止裂方式釋放應(yīng)力，延長鋼材疲勞壽命。