江陰大橋鋼箱梁焊縫疲勞裂紋的分布規律及維修工藝

孫洪濱

摘? 要：統計分析了江陰大橋鋼箱梁焊縫疲勞裂紋的分布規律，得到了容易產生疲勞裂紋的位置。經過統計分析，疲勞裂紋在橋梁南北兩側的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。對疲勞裂紋進行了分類，介紹了不同長度疲勞裂紋的維修方法。

關鍵詞：江陰大橋;疲勞裂紋;U肋;維修

中圖分類號：U441? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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

隨著橋梁設計和施工技術的不斷進步，大跨徑橋梁得到了飛速的發展，其中鋼箱梁由于其自重小、抗扭剛度大、結構美觀、施工速度快等優點成為了大跨徑橋梁的首選[1-2]。由于鋼箱梁一般為全焊結構，焊縫接頭數量眾多，現場施工會存在焊接質量和焊接殘余應力的問題[3-4]，在車輛交變荷載下隨著使用時間的增長容易產生疲勞裂紋，導致焊縫在遠小于其強度的情況下開裂失效。江陰大橋跨徑為1385m，是我國第一座跨千米級的大跨徑懸索橋，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 疲勞裂紋統計分析

江陰大橋作為京滬高速的跨江咽喉要道，日均車流量已達9.8萬輛左右，其中貨車占比達到25%，遠大于設計車流量。在交變荷載作用下，江陰大橋2011年在鋼箱梁頂板和U肋的角焊縫處發現疲勞裂紋。根據歷年的裂紋檢測數據，對鋼箱梁疲勞裂紋的分布進行統計分析，如圖2、圖3所示。江陰大橋全橋從北塔到南塔共分為434個倉（兩個橫隔板所隔空間為一個倉），頂板橫向共布置48個U肋，編號從最外側開始，向內遞增，上下游編號相同。從圖2每個倉裂紋數量的分布可以看出，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，相關文獻指出，懸索橋在移動荷載作用下，1/4跨位置豎向位移變化最大， 跨中位置彎矩變化最大，說明疲勞裂紋并不是出現在彎矩變化最大的跨中處，而是出現在位移變化最大的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、8號、9號和12號U肋上，其中6號和12號U肋的裂紋數量最多，這是因為6號和12號U肋是重車道和行車道所在的位置，車輛數量多、軸重大，由此產生了數量較多的疲勞裂紋。而在超車道和緊急停靠帶位置處的U肋基本上沒有裂紋產生。

3 焊縫疲勞裂紋的分類

鋼箱梁焊縫疲勞裂紋根據成因的不同可以分為荷載引起的開裂和面外變形引起的開裂[3]。荷載引起的開裂主要是U肋的對接焊縫在荷載的作用下產生開裂，面外變形引起的開裂主要是指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。根據江陰大橋焊縫疲勞裂紋的檢測結果統計分析發現，焊縫疲勞裂紋主要發生在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接焊縫裂紋出現不多。

3.1 荷載引起的開裂

荷載引起的焊縫開裂表現為U肋對接焊縫的開裂，如圖4所示。由于U肋的對接焊縫一般寬度較大，焊接質量難以保證，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，焊縫的厚度達不到要求。從力學角度分析，U肋可以看做是支撐在橫隔板上的連續梁，在荷載的作用下，U肋的對接焊縫長期處于拉、壓應變的交替作用，另外由于焊縫的初始缺陷，容易導致疲勞裂紋的產生[4]。

3.2 面外變形引起的開裂

面外變形是焊縫產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，導致了頂板產生較大的面外變形，從而在U肋和頂板角焊縫處產生次彎矩，產生應力集中，并且U肋和頂板、橫隔板連接的剛度越大，產生的應力集中就越大，就越容易產生裂紋。為了防止縱肋與橫隔板連接的剛度大而導致連接處的受力過大，導致產生疲勞開裂，在U肋與橫隔板處常留有開孔，減弱兩者的連接剛度[5]。根據歷年的檢測結果，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現裂紋最多的地方。

4 焊縫疲勞裂紋維修

疲勞裂紋的修復方法有很多，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，由于現場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的疲勞裂紋修復方法，被廣泛應用于多種鋼結構疲勞裂紋的修復，其基本修復原理為采用碳弧氣刨、風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到修復原裂紋的目的。疲勞裂紋的產生過程同時也是一個應力釋放的過程，裂紋被重新焊合以后有可能會在其他地方重新尋找應力釋放點而產生裂紋，并且焊合現場處于仰焊的角度，焊合效果也難以把握，導致在較大殘余應力的作用下重新開裂。

鉆止裂孔是一種簡單、經濟的止裂措施，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擴展，延長鋼結構構件的疲勞壽命。當無法確定裂紋尖端具體位置時，也可以在裂紋擴展方向上距離尖端一定距離打一圓孔，此時構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，江陰大橋鋼箱梁焊縫疲勞裂紋的維修根據裂紋的長度采用兩種方案：（1）裂紋長度？芏150mm時采用焊合法;（2）裂紋長度<150mm時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，清除裂紋的長度應由裂紋兩端各延伸50mm以上，并打磨出1：5的斜坡，在深度方向上，要清除到超過裂紋深度范圍1～2mm，否則裂紋依然會擴展，并采用MT檢驗確定裂紋清楚干凈。

（2）焊接均采用手工電弧焊，具體參數見表1。

（3）焊接完成后對裂紋部位焊縫進行磁粉探傷。

4.2 第二類裂紋維修方案

統計分析江陰大橋焊縫疲勞裂紋位置和走向，發現裂紋都是從焊縫出現，逐漸向U肋側壁上擴展，并沒有出現在頂板上。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，鉆止裂孔時要注意裂紋擴展的行進方向，保證在裂紋的尖端將其截斷，避免疲勞裂紋繞過止裂孔擴展，圖6示意了正確打孔位置，圖7示意了錯誤的打孔位置導致裂紋繼續延伸。由于裂紋的產生能夠將面外變形引起的應力釋放，如果裂紋的長度不再擴展，那么裂紋的產生對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展，可以避免焊縫修補后又再次開裂造成對鋪裝層的影響[6]。

4.3 油漆補涂

修補焊接安裝完畢后，首先對所有焊縫及涂層破損部位表面進行打磨處理達到St3級，然后在其所在部位修補油漆（環氧富鋅，干膜厚度80μm）。

5 結論

通過上述分析，主要得到以下結論：

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

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

（3）江陰大橋疲勞裂紋主要是由面外變形引起的，發生在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擴展。

（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生和對疲勞裂紋進行更有效的維護需要進一步研究。

參考文獻：

[1]周聰，顧萍.鐵路正交異性鋼橋面板典型疲勞裂紋壽命估算[J].鐵道學報，2012，34（1）：97-102.

[2]王春生，馮亞成.正交異性鋼橋面板的疲勞研究綜述[J].鋼結構，2009，24（9）：10-14.

[3]王春生，付炳寧，張芹，等.正交異性鋼橋面板橫隔板挖孔型式研究[J].長安大學學報：自然科學版，2012，32（2）：58-64.

[4]唐亮，黃李驥，劉高.正交異形鋼橋面板橫梁弧形切口周邊應力分析[J].公路交通科技，2011，28（6）：33-37.

[5]曾志斌.正交異性鋼橋面板典型疲勞裂紋分類及其原因分析[J].鋼結構，2011，26（02）：9-15

[6]吉伯海，袁周致遠，劉天笳，等.鋼箱梁疲勞裂紋鉆孔止裂修復的影響因素[J].江蘇大學學報（自然科學版），2016，37（1）：97-102.