江陰大橋鋼箱梁焊縫疲勞裂紋的分布規(guī)律及維修工藝

孫洪濱

摘? 要：統(tǒng)計(jì)分析了江陰大橋鋼箱梁焊縫疲勞裂紋的分布規(guī)律，得到了容易產(chǎn)生疲勞裂紋的位置。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，疲勞裂紋在橋梁南北兩側(cè)的1/4跨處分布較為密集，跨中處分布稀疏，主要分布在重車道和行車道下的U肋位置處。對(duì)疲勞裂紋進(jìn)行了分類，介紹了不同長(zhǎng)度疲勞裂紋的維修方法。

關(guān)鍵詞：江陰大橋;疲勞裂紋;U肋;維修

中圖分類號(hào)：U441? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）08-0110-03

Abstract： In this paper， the distribution law of fatigue crack in the weld of steel box girder of Jiangyin Bridge is statistically analyzed， and the location of fatigue crack is obtained. Through statistical analysis， the fatigue cracks are densely distributed at the

1/4 span on the north and south sides of the bridge， and sparsely distributed in the middle of the span， mainly in the U rib position under the heavy lane and the carriageway. The fatigue cracks are classified and the maintenance methods of fatigue cracks with different lengths are introduced.

Keywords： Jiangyin Bridge; fatigue crack; U rib; maintenance

1 概述

隨著橋梁設(shè)計(jì)和施工技術(shù)的不斷進(jìn)步，大跨徑橋梁得到了飛速的發(fā)展，其中鋼箱梁由于其自重小、抗扭剛度大、結(jié)構(gòu)美觀、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)成為了大跨徑橋梁的首選[1-2]。由于鋼箱梁一般為全焊結(jié)構(gòu)，焊縫接頭數(shù)量眾多，現(xiàn)場(chǎng)施工會(huì)存在焊接質(zhì)量和焊接殘余應(yīng)力的問(wèn)題[3-4]，在車輛交變荷載下隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)容易產(chǎn)生疲勞裂紋，導(dǎo)致焊縫在遠(yuǎn)小于其強(qiáng)度的情況下開(kāi)裂失效。江陰大橋跨徑為1385m，是我國(guó)第一座跨千米級(jí)的大跨徑懸索橋，主梁采用扁平閉口流線型鋼箱梁，正交異性橋面板橋面，頂板水平寬度29.5m，底板寬度22.94m，頂板厚度為12mm，底板厚度為10mm，U肋的厚度為6mm，如圖1所示[2]。

2 疲勞裂紋統(tǒng)計(jì)分析

江陰大橋作為京滬高速的跨江咽喉要道，日均車流量已達(dá)9.8萬(wàn)輛左右，其中貨車占比達(dá)到25%，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)車流量。在交變荷載作用下，江陰大橋2011年在鋼箱梁頂板和U肋的角焊縫處發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋。根據(jù)歷年的裂紋檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)鋼箱梁疲勞裂紋的分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖2、圖3所示。江陰大橋全橋從北塔到南塔共分為434個(gè)倉(cāng)（兩個(gè)橫隔板所隔空間為一個(gè)倉(cāng)），頂板橫向共布置48個(gè)U肋，編號(hào)從最外側(cè)開(kāi)始，向內(nèi)遞增，上下游編號(hào)相同。從圖2每個(gè)倉(cāng)裂紋數(shù)量的分布可以看出，疲勞裂紋在靠近南、北塔的1/4位置處分布較為密集，在跨中附近較為稀疏，相關(guān)文獻(xiàn)指出，懸索橋在移動(dòng)荷載作用下，1/4跨位置豎向位移變化最大， 跨中位置彎矩變化最大，說(shuō)明疲勞裂紋并不是出現(xiàn)在彎矩變化最大的跨中處，而是出現(xiàn)在位移變化最大的1/4跨處。從圖3可以看出，裂紋在主梁橫斷面上主要分布在6號(hào)、8號(hào)、9號(hào)和12號(hào)U肋上，其中6號(hào)和12號(hào)U肋的裂紋數(shù)量最多，這是因?yàn)?號(hào)和12號(hào)U肋是重車道和行車道所在的位置，車輛數(shù)量多、軸重大，由此產(chǎn)生了數(shù)量較多的疲勞裂紋。而在超車道和緊急?？繋恢锰幍腢肋基本上沒(méi)有裂紋產(chǎn)生。

3 焊縫疲勞裂紋的分類

鋼箱梁焊縫疲勞裂紋根據(jù)成因的不同可以分為荷載引起的開(kāi)裂和面外變形引起的開(kāi)裂[3]。荷載引起的開(kāi)裂主要是U肋的對(duì)接焊縫在荷載的作用下產(chǎn)生開(kāi)裂，面外變形引起的開(kāi)裂主要是指U肋與頂板的焊縫、U肋與橫隔板交接部位、腹板豎向加勁肋與頂板的連接部位。根據(jù)江陰大橋焊縫疲勞裂紋的檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，焊縫疲勞裂紋主要發(fā)生在U肋、頂板與橫隔板的三向交接處，即裂紋主要是由于面外變形引起的縱肋與橫隔板交接部位的疲勞裂紋，由荷載引起的縱肋對(duì)接焊縫裂紋出現(xiàn)不多。

3.1 荷載引起的開(kāi)裂

荷載引起的焊縫開(kāi)裂表現(xiàn)為U肋對(duì)接焊縫的開(kāi)裂，如圖4所示。由于U肋的對(duì)接焊縫一般寬度較大，焊接質(zhì)量難以保證，且受施工條件的限制，處于仰焊位置，不能將鋼襯板和焊縫有效融合，焊縫的厚度達(dá)不到要求。從力學(xué)角度分析，U肋可以看做是支撐在橫隔板上的連續(xù)梁，在荷載的作用下，U肋的對(duì)接焊縫長(zhǎng)期處于拉、壓應(yīng)變的交替作用，另外由于焊縫的初始缺陷，容易導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生[4]。

3.2 面外變形引起的開(kāi)裂

面外變形是焊縫產(chǎn)生疲勞裂紋的主要原因。在荷載作用下，由于U肋和頂板、橫隔板較大剛度的連接，導(dǎo)致了頂板產(chǎn)生較大的面外變形，從而在U肋和頂板角焊縫處產(chǎn)生次彎矩，產(chǎn)生應(yīng)力集中，并且U肋和頂板、橫隔板連接的剛度越大，產(chǎn)生的應(yīng)力集中就越大，就越容易產(chǎn)生裂紋。為了防止縱肋與橫隔板連接的剛度大而導(dǎo)致連接處的受力過(guò)大，導(dǎo)致產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂，在U肋與橫隔板處常留有開(kāi)孔，減弱兩者的連接剛度[5]。根據(jù)歷年的檢測(cè)結(jié)果，江陰大橋面外變形引起的焊縫疲勞裂紋主要分為圖5所示的三類，其中U肋、頂板和橫隔板交界處是發(fā)現(xiàn)裂紋最多的地方。

4 焊縫疲勞裂紋維修

疲勞裂紋的修復(fù)方法有很多，包括裂紋焊合、鉆止裂孔、鋼板（螺栓或粘接）加固和碳纖維加固等，由于現(xiàn)場(chǎng)施工的難易程度以及加固效果的原因，目前常用的維修方法主要是裂紋焊合與鉆止裂孔。

裂紋焊合是一種常規(guī)的疲勞裂紋修復(fù)方法，被廣泛應(yīng)用于多種鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的修復(fù)，其基本修復(fù)原理為采用碳弧氣刨、風(fēng)鏟等將裂紋邊緣加工出坡口直至裂紋尖端，然后用焊縫焊合坡口以達(dá)到修復(fù)原裂紋的目的。疲勞裂紋的產(chǎn)生過(guò)程同時(shí)也是一個(gè)應(yīng)力釋放的過(guò)程，裂紋被重新焊合以后有可能會(huì)在其他地方重新尋找應(yīng)力釋放點(diǎn)而產(chǎn)生裂紋，并且焊合現(xiàn)場(chǎng)處于仰焊的角度，焊合效果也難以把握，導(dǎo)致在較大殘余應(yīng)力的作用下重新開(kāi)裂。

鉆止裂孔是一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的止裂措施，這種方法是在裂紋尖端鉆一確定直徑的光滑圓孔，用以阻止裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展，延長(zhǎng)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞壽命。當(dāng)無(wú)法確定裂紋尖端具體位置時(shí)，也可以在裂紋擴(kuò)展方向上距離尖端一定距離打一圓孔，此時(shí)構(gòu)件的疲勞壽命為裂紋延伸至止裂孔與疲勞裂紋在止裂孔邊再生的壽命之和。

考慮兩種方法的特點(diǎn)，江陰大橋鋼箱梁焊縫疲勞裂紋的維修根據(jù)裂紋的長(zhǎng)度采用兩種方案：（1）裂紋長(zhǎng)度？芏150mm時(shí)采用焊合法;（2）裂紋長(zhǎng)度<150mm時(shí)采用鉆止裂孔的方法。

4.1 第一類裂紋維修方案

（1）用碳弧氣刨（Φ8mm碳棒）將裂紋清除干凈，清除裂紋的長(zhǎng)度應(yīng)由裂紋兩端各延伸50mm以上，并打磨出1：5的斜坡，在深度方向上，要清除到超過(guò)裂紋深度范圍1～2mm，否則裂紋依然會(huì)擴(kuò)展，并采用MT檢驗(yàn)確定裂紋清楚干凈。

（2）焊接均采用手工電弧焊，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

（3）焊接完成后對(duì)裂紋部位焊縫進(jìn)行磁粉探傷。

4.2 第二類裂紋維修方案

統(tǒng)計(jì)分析江陰大橋焊縫疲勞裂紋位置和走向，發(fā)現(xiàn)裂紋都是從焊縫出現(xiàn)，逐漸向U肋側(cè)壁上擴(kuò)展，并沒(méi)有出現(xiàn)在頂板上。一般止裂孔的孔徑要大于板厚，所以在裂紋的兩端頭延伸各5mm處鉆直徑8mm的止裂孔，鉆止裂孔時(shí)要注意裂紋擴(kuò)展的行進(jìn)方向，保證在裂紋的尖端將其截?cái)?，避免疲勞裂紋繞過(guò)止裂孔擴(kuò)展，圖6示意了正確打孔位置，圖7示意了錯(cuò)誤的打孔位置導(dǎo)致裂紋繼續(xù)延伸。由于裂紋的產(chǎn)生能夠?qū)⒚嫱庾冃我鸬膽?yīng)力釋放，如果裂紋的長(zhǎng)度不再擴(kuò)展，那么裂紋的產(chǎn)生對(duì)鋼箱梁的受力是有利的，在這種情況下打止裂孔防止裂紋擴(kuò)展，可以避免焊縫修補(bǔ)后又再次開(kāi)裂造成對(duì)鋪裝層的影響[6]。

4.3 油漆補(bǔ)涂

修補(bǔ)焊接安裝完畢后，首先對(duì)所有焊縫及涂層破損部位表面進(jìn)行打磨處理達(dá)到St3級(jí)，然后在其所在部位修補(bǔ)油漆（環(huán)氧富鋅，干膜厚度80μm）。

5 結(jié)論

通過(guò)上述分析，主要得到以下結(jié)論：

（1）焊縫疲勞裂紋在靠近南北塔的1/4跨處產(chǎn)生的較為密集，在跨中處較少，主梁豎向位移的變化是疲勞裂紋產(chǎn)生的較大影響因素。

（2）焊縫疲勞裂紋主要產(chǎn)生在重車道和行車道下，在超車道和緊急停靠帶基本沒(méi)有產(chǎn)生。

（3）江陰大橋疲勞裂紋主要是由面外變形引起的，發(fā)生在U肋、頂板和橫隔板三向交接處的焊縫處。

（4）正確的止裂孔位置可以有效的防治裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展。

（5）疲勞裂紋是影響鋼箱梁使用壽命的主要因素，如

何減小疲勞裂紋的產(chǎn)生和對(duì)疲勞裂紋進(jìn)行更有效的維護(hù)需要進(jìn)一步研究。

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