軍山長江大橋鋼橋面板裂縫探測及處治工藝研究

■ 鐘 昕，王 杰

1. 概述

武漢軍山長江大橋主橋鋼箱梁是由面板（行車道板）、底板、邊縱腹板、中縱腹板、橫隔板、錨箱及風嘴等組成單箱5室薄壁結構。鋼箱梁高3m，橋面總寬38.8m，寬高比為12.93，為扁平流線型鋼箱。鋼箱梁結構采用Q345C鋼，風嘴采用Q235B鋼。鋼箱梁制造分A～M共13種類型，87個梁段，梁段最大吊重約2100kN。各構件鋼板厚度如表1所示。

軍山大橋1998 年 12 月底開工，2001年 12 月 15 日建成通車，至今已經運營了 16年。2007年開始，鋼箱梁內發現疲勞裂縫，并進行了焊接處治， 2015年裂縫數量已到達5688條，并且已修復裂縫重新開裂的情況嚴重，到2017年4月，箱梁內疲勞裂縫統計數量8139條，橋面板裂縫數量預計會達到1500條以上，情況已經非常嚴重。為此湖北省京珠高速公路管理處組織實施了2017年軍山大橋專項養護工程，將橋面板鋪裝打開，對裂縫進行檢測和處治。

2. 裂縫類型

根據疲勞裂縫產生的機理和發展規律，結合其他鋼箱梁橋裂縫檢測結果，橋面板裂縫主要起源于U形肋與橋面板角焊縫的焊根和焊腳的部位，裂向橋面板和U形肋。裂縫類型有：起源于角焊縫焊根裂向面板（UMJ—1），起源于面板側焊趾裂向面板(UMJ—2)、起源于角焊縫焊根裂向U形肋與橋面板角焊縫（UMJ—3）和起源于U形肋側焊腳裂向U形肋（UMJ—4）等幾種，如圖1所示。

在箱梁內進行檢查時發現本橋存在另外兩種與橋面板有關的裂縫。一種是起源于橫隔板上的加勁肋與橋面板角焊縫端部焊腳，裂向橋面板的裂縫（M類，見圖2）；另一種是起源于橫隔板、U形肋和橋面板交叉部位過焊孔焊縫端部焊腳，裂向橋面板的裂縫（H類，見圖3）。

圖1 UMJ類裂縫

表1 鋼箱梁構件鋼板厚度

以上裂縫均裂向橋面板，目前尚沒有其他合適的處治方法可以既修復裂縫又不會對橋面鋪裝施工產生不利影響。設計提出打開橋面鋪裝后采用焊接方式修復的方案，具體措施為從橋面板上方將裂縫和一部分橋面板采用碳弧氣刨方法清除，然后在背面貼陶瓷襯墊后補焊修復。

3. 裂縫檢測

橋面鋪裝打開后采用TOFT探傷方法對橋面板進行檢測，檢測對象為U形肋與橋面板角焊縫部位UMJ類裂縫，超聲波衍射時差法（TOFD）采用一發一收兩只探頭，利用缺陷端點處的衍射信號探測和測定缺陷尺寸，可用于焊縫中缺陷的檢測、定量和定位。檢測時以U形肋中線為中心，發射探頭和接受探頭分列于掃查小車兩側，沿U形肋角焊縫中心線順橋向行走，對角焊縫附近的缺陷進行掃查，通過對波形分析確定裂縫的深度和位置。

本次橋面板檢測范圍為上游幅打開橋面鋪裝的行車道和重車道，共發現裂紋4688條，裂紋長度合計629.422m。其中行車道縱橋向檢測長度963m，U形肋角焊縫長度11626m，發現裂紋2733條，1mU形肋角焊縫的裂縫數量為0.235條，1mU形肋角焊縫的裂縫長度為30.7mm；重車道縱橋向檢測長度883m，U形肋角焊縫長度為10596m，發現裂紋1955條，1m縱橋向長度上裂紋條數為0.184條，1mU形肋角焊縫上的裂縫長度為25.34mm。裂縫按照不同長度的統計結果如表2所示，按照不同高度的統計結果如表3所示。

4. 焊接工藝評定

裂縫處治前選擇兩種典型接頭進行了焊接工藝評定，一組試件模擬起源于U形肋角焊縫焊根或焊趾裂向橋面板的裂縫（UMJ—1，UMJ—2）焊接處治，另一組試件模擬橫隔板上過焊孔端部裂向橋面板的裂縫（H4），豎向加勁肋焊縫端部裂向橋面板（M型）的裂縫以及裂縫擴展造成橋面板開裂的焊接處治。

試驗用鋼板與實橋材質相同，為Q345C鋼，符合《低合金高強度結構鋼》（GB/T 1591—2008）的技術要求，鋼板厚度為16mm和8mm。

為了提高焊縫金屬的韌性，采用富氬氣體（80%Ar+20%CO2）保護焊，同時選擇Si、Mn含量相對較低的ER50—3焊絲，避免焊縫強度過高，焊絲化學成分和力學性能符合GB/T8110—2008的要求。

圖2 M類裂縫

圖3 H類裂縫

表2 U肋與面板焊縫裂紋數量（按裂紋長度統計）

試驗項目、坡口形式及試板尺寸等如表4所示。

試件1由一塊U形肋和一塊面板組成，先將兩塊板按照U形肋角焊縫的焊接工藝組焊到一起，然后模擬橋上裂縫的位置，從面板上方用碳弧氣刨將部分面板和焊縫清除，背面貼陶制襯墊后焊接。試件2用兩塊面板對拼組焊，模擬開裂的橋面板，用碳弧氣刨將面板裂縫刨開，在背面貼襯墊后焊接。焊前將坡口及其周圍打磨干凈漏出金屬光澤。施焊記錄如表5所示。

經過必選，試件1選擇直徑10mm圓棒形陶瓷襯墊，其外形可以與焊縫背面緊密貼合，能適應坡口大小的變化，有利于保證焊縫背面成形，試件2選擇TG—2.0Z襯墊。焊接時打底焊道電流較小，避免對襯墊燒損過多造成背面成形不良，填充焊道電流較大，并須注意焊槍角度和擺動幅度，避免道間未熔合和夾渣等缺陷。

焊后對焊縫進行外觀檢查，沒有裂紋、焊瘤、表面氣孔、夾渣、弧坑裂紋、電弧擦傷及未熔合等缺陷，焊縫施焊24h后進行超聲波檢測，滿足《公路橋涵施工技術規范》（JTG/T F50—2011）I級要求。

按照《公路橋涵施工技術規范》（JTG/T F50—2011）的規定進行力學性能試驗，試驗項目包括接頭拉伸、焊縫金屬拉伸、接頭側彎、低溫沖擊試驗和接頭硬度試驗，試驗結果如表6所示。由表6可知，焊縫屈服強度、抗拉強度均高于母材標準值，屈強比在0.8左右，0℃低溫沖擊吸收能量均在100J以上，接頭側彎試驗結果均為完好，焊縫力學性能良好。

每組試板按照《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕試驗方法》（GB226）進行兩個宏觀斷面酸蝕試驗，焊縫成形良好，焊縫金屬及熱影響區硬度均≤350HV10。

表4 焊接工藝評定試驗項目

表5 施焊記錄

表6 力學性能試驗結果

5. 裂縫焊接修復及效果

（1）裂縫修復工藝 TOFT探傷結果顯示軍山大橋橋面板裂縫大多數是UMJ—1類裂縫，即起源于U形肋角焊縫焊根裂向橋面板的裂縫，少量UMJ—2類裂縫。

由于TOFT檢測在橫橋向存在一定的誤差，不能精確判定裂縫與U形肋的相對位置，實際刨開發現，UMJ—1類裂縫距離U形肋內側面很近，將裂縫清除后橋面板從U形肋內側被刨穿，要在坡口背面貼陶瓷襯墊需要在U形肋底面開手孔。為避免開手孔破壞U形肋完整性和結構的連續性，對橋梁運行造成不利影響，采取了鋼襯墊+陶瓷襯墊的方案，即先從橋面板上方送入可以活動的鋼襯墊，然后以鋼襯墊為托架支撐陶瓷襯墊，移動鋼襯墊使陶瓷襯墊與面板貼緊后焊接（見圖4）。

根據焊接工藝評定結果結合現場實際情況制定焊接工藝，施工過程中嚴格執行工藝，加強質量控制，工藝要點如下。

第一，從橋面上方將開裂的面板逐層刨除，每層氣刨約2mm，當發現兩端裂縫的尖端時再延伸刨出約50mm，確保清除裂縫尖端。氣刨的同時刨出有利于焊接的坡口，坡口角度40°左右，裂縫端頭刨出大約1∶5的斜坡。

第二，用砂輪將坡口及兩側30mm范圍內的油漆、鐵銹、氧化皮清理干凈，露出金屬光澤，對刨開的部位進行磁粉檢測，確認裂縫完全被清除后再焊接。

第三，用火焰加熱的方法清除坡口及周圍的水分。

第四，UMJ—3類裂縫、M類裂縫和H類裂縫，從箱梁內部貼陶瓷襯墊后焊接，UMJ—1類裂縫從面板上方貼鋼襯墊+陶瓷襯墊后焊接。襯墊必須粘貼牢固，與橋面板貼合，避免背面成形不良。

第五，采用實芯焊絲富氬氣體保護焊進行焊接，根部打底焊道采用較小的電流電壓，避免將襯墊熔化過多造成根部成形不良，同時要注意根部熔合，填充和蓋面焊道參數較大，焊道間須清理到位，避免道間未熔合。

第六，焊后采用火焰加熱方法將焊縫及其周圍加熱到100～150℃。

（2）焊后探傷效果 焊后進行外觀檢測，對超標的咬邊、焊瘤等缺陷及時進行修補打磨，焊后24h進行超聲波檢測，驗收標準為《公路橋涵施工技術規范》（JTG/ T F50—2011）II級合格。檢測結果一次探傷合格率95%，缺陷主要類型為夾渣和道間未熔合，少量焊縫存在從端頭向外延伸的裂紋缺陷，說明在成橋高應力狀態下焊接存在微小裂紋擴展的現象。

圖4

6. 結語

采用背面貼陶瓷襯墊單面焊雙面成形的焊接方法可以修復橋面板裂縫，且具有施焊難度小，施工效率高的特點。對UMJ—1類裂縫采用鋼襯墊+陶瓷襯墊的方式進行焊接修復，超聲波檢測一次合格率在95%以上，能夠滿足裂縫修復施工的質量要求。但是焊接會造成熱影響區力學性能降低，成橋狀態下焊接存在較大焊接殘余應力，焊縫背面成形情況無法觀察，橋面車輛的通行也影響焊接質量，這些因素對橋面板焊縫疲勞性能的影響還需要進一步研究。