鋼箱梁焊縫疲勞裂紋原因分析與維護技術研究

張華

摘 要：隨著橋梁設計施工技術的不斷改進，大跨度橋梁發展迅速，其中鋼箱梁由于重量小、扭轉剛度大、結構優美、施工速度快而成為大跨度橋梁的首選。由于鋼梁通常是完全焊接的結構，焊接接頭很多，現場施工時會出現焊接質量和焊接殘馀應力問題，汽車變載荷容易產生疲勞裂紋，隨著使用時間的延長，導致焊縫開裂，強度要小得多。本文對鋼箱梁疲勞裂紋原因及維護技術進行了分析，以供參考。

關鍵詞：鋼箱梁焊縫;疲勞裂紋;原因分析;維護技術

近年來，鋼梁在大跨度橋梁施工中得到了廣泛應用，具有輕重、抗風能力強、抗扭剛度大、加工方便、吊裝快捷等優點。但是，由于鋼箱梁本身的材料和力特點，以及鋼梁所處的自然環境，一般較差，長期承受車輛風荷載等動載，易受腐蝕和疲勞損壞。

1 鋼箱梁焊縫特征

鋼箱梁在工廠內分塊、分節段制造形成板單元、板單元制造完成鋼箱梁部分形成后，最后形成整個鋼箱鋼箱梁的焊縫主要分為對接焊縫和角焊縫。對接焊縫通常是V型坡口的對接焊縫，由于臀部焊接在板之間連接，改變交叉直徑形式不明顯，基本上沒有動力流偏差問題，應力集中系數小。角度焊縫包括K型雙向角度焊縫和單向角度焊縫，雖然力流偏差存在問題，但承受動態負載的能力很強，單向角度焊縫是V型斜面型焊縫，功率流偏差問題，承受動態負載的能力很差。由于焊接位置不同，鋼箱梁結構的焊接可分為對角焊接、垂直焊接、交叉焊接和背焊四種。對角焊接方便、質量好、效率高。垂直和水平焊接是用于立面焊接的垂直和水平焊接，與對角焊接相比，生產率和焊接質量更低。背面是向上看焊接，操作條件最差，焊縫質量不容易保證。工廠處理鋼箱梁段時，焊接形式主要是斜焊、立焊和橫焊，焊接質量易于保證，主要與屋面進行屋頂焊接、屋頂交叉分離焊接、交叉分離U側焊接等。

2 鋼箱梁典型病害

2.1 涂層劣化

鋼梁受長期空氣影響，為減少空氣中水蒸氣的腐蝕，涂層通常涂在鋼箱梁表面，鋼箱梁支撐涂層使用壽命應大于10年。如果使用時間增加，鋼梁會受大氣中腐蝕性物質的侵害，涂層老化和損壞，即涂層正在變質。涂料降解的主要類型有粉末、泡沫、剝落、裂紋、銹蝕、銹蝕等。涂層損壞造成變形是鋼銹的原因，涂層脫鹽特性明顯。

2.2 腐蝕

橋梁所處的位置不同，對應的環境也有差異。但空氣中含有的工業廢氣硫化物、氮化物、水分、鹽粒子都會使鋼箱梁焊縫發生腐蝕。焊縫腐蝕后的會使截面減小，降低剛度和承載力。同時腐蝕產生的銹坑也會增加鋼結構發生脆性破壞的風險，銹蝕會嚴重影響鋼結構的耐久性。

2.3 疲勞開裂分析

鋼梁結構復雜，內部缺陷難以避免，電機在裝車多次時容易出現疲勞裂紋。疲勞裂紋形成機制復雜，不易在早期發現，難以檢測和修復，維護成本高，是鋼梁橋運行安全最嚴重的疾病。鋼橋內外都有鋼箱梁疲勞損壞的例子，隨著建筑橋梁使用壽命的擴大，鋼箱梁疲勞問題逐漸顯現。疲勞裂紋具有普遍性、早期性、多重性和超然性，直接影響和威脅鋼箱梁的機械性能和壽命。美國土木工程協會（ASCE）的統計數據顯示，80%至90%的鋼結構是由疲勞損傷引起的，鋼橋疲勞裂紋問題是設計和維護中的一個重要問題。從鋼橋，這是一個亟待解決的鋼橋領域。隨著裂紋檢測技術的發展，鋼箱梁疲勞裂紋的認識不斷深化。鋼箱梁的疲勞裂紋類型和分散特性與橋梁結構直接相關懸索橋的鋼梁主要承受吊桿的垂直力，鋼橋板嚴重開裂。對斜拉橋的鋼箱梁具有垂直水平功率，內部控制板常用于加強剛度調整和內部功率分散，架式垂直隔斷鋼管裂紋是具體的開裂對斜拉橋，也是對斜拉橋的主要裂縫。此外，長期運輸負載可能會對鋼箱梁對角橋的外墻造成疲勞損壞。無論橋結構如何，鋼梁橋板都是疲勞敏感區域。統計顯示，鋼橋常見的裂縫類型有：I類、頂板和垂直肋焊裂紋;II類，垂直肋骨贓物焊接裂紋;III類，垂直肋骨和橫直徑板焊接裂紋;IV，垂直肋底弧間隙裂紋。此外，大量非橋板裂縫、對斜拉橋隔斷也是鋼箱梁龍門的主要裂縫之一。表1顯示了裂縫的特點和原因。

3 疲勞裂紋的檢測方法

人工視覺檢測主要采用游標桿、放大鏡等工具進行，以監測鋼箱梁的病情。常用的無損檢測方法包括磁粉檢測、超聲波檢測、渦流檢測和其他可用于檢測鋼橋疲勞裂紋的方法，但每種方法都有局限性。鋼箱梁疲勞裂紋主要在頂板部位產生，像磁粉檢測時磁懸液會在重力作用下向下流淌，影響檢測結果。現場環境干擾、結構復雜，超聲波檢測難以按現行標準規定的檢測方法合理檢測鋼箱梁疲勞開裂。渦流檢測是一種無損檢測方法，通過確定受檢坯料中感應渦流的變化，對導電材料及其制品的某些性能或發現的缺陷進行無損評估，當鋼材有裂紋時，則渦流場將發生變化，導致線圈阻抗或感應電壓發生變化。渦流檢測主要用于鋼箱梁表面病害的檢測。渦流檢測不適用于復雜形狀的零件，而且只能發現導電材料的表面和表面缺陷，檢測結果也易于受到材料本身及其他因素的干擾。考慮到檢測方法的適用性，以及鋼箱梁焊縫數量眾多，疲勞裂紋可采用視覺檢測、磁粉檢測、超聲波檢測等一般綜合檢測方法。

4 疲勞裂紋的維修方法

修復疲勞裂紋有多種方法，包括焊接裂紋、鉆孔、固定鋼板（螺栓或粘接）和固定碳纖維，由于現場施工困難以及固定效果的原因，目前常用的修復方法主要是焊接裂紋和固定孔。裂紋焊合是一種常規的疲勞裂紋修復方法，廣泛用于修復許多鋼結構的疲勞裂紋，修復的基本原則是用煤刨、風鏟等方法處理裂紋邊緣，然后焊接焊縫坡口，以達到修復原始裂紋的目的。疲勞裂紋形成過程同時也是一個應力釋放過程，再次找到應力釋放點時，其他地方可能會出現裂紋，此外，焊接位置與背面成一個角度，焊接連接效果也難以理解，導致殘余應力再次開裂。打孔是一種簡單而經濟的終止裂紋的措施，即在裂紋尖端打一個直徑確定的平滑圓孔，以阻止裂紋進一步擴展，延長鋼結構構件的疲勞壽命。當無法確定裂紋尖端的具體位置時，也可以在裂紋擴展方向上距尖端一定距離處打一個圓孔，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。

5 結語

本文簡要概述鋼箱梁的病害類型，針對鋼箱梁焊縫疲勞裂紋問題加以分析，分析并提出鋼箱梁日常檢測與維護的方法。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

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