大跨徑鋼箱梁橋正交異性板疲勞裂紋發(fā)展規(guī)律及處置措施

劉漢勇，代希華，程壽山

(1.交通運輸部公路科學研究院，北京 100088；2.廣東省公路建設有限公司，廣東 廣州 510405)

0 引言

根據(jù)2020年底的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全國公路橋梁達91.28萬座，其中特大橋梁6 444座，公路橋梁數(shù)量位居世界第一。由于鋼結(jié)構(gòu)橋梁在跨越能力方面的優(yōu)勢[1]，上述特大橋梁中采用鋼梁的斜拉橋、懸索橋數(shù)量眾多。無論是已建成的港珠澳大橋、杭州灣大橋，正在建設中的深中通道、黃茅海跨海通道，還是馬上將全面開工建設的獅子洋通道、張皋過江通道，都包含有超大跨徑鋼梁斜拉橋、懸索橋。正交異性鋼橋面板因具備獨特的優(yōu)勢，使其成為超大跨徑斜拉橋、懸索橋普遍采用的橋面結(jié)構(gòu)形式[2]。

正交異性鋼橋面板由頂板和縱、橫向加勁肋焊接而成，由于縱、橫向加勁肋的剛度不同，形成了正交異性鋼橋面板在構(gòu)造上的正交異性[3-4]。鋼橋面板結(jié)構(gòu)構(gòu)造復雜，局部剛度低，并且直接承受車輪荷載的反復作用，加之受焊接殘余應力、施工質(zhì)量等因素影響，正交異性鋼橋面板易出現(xiàn)各種疲勞裂紋。20世紀90年代至今，國內(nèi)修建了大量采用正交異性鋼橋面板的橋梁，隨著交通流量劇增，車輛荷載日益增大，國內(nèi)早先修建的大跨徑橋梁，如虎門大橋、江陰大橋等，其鋼橋面板均已出現(xiàn)了不同程度的疲勞裂紋。隨著服役時間的增長，這些橋梁將面臨疲勞裂紋持續(xù)發(fā)展的問題[5]，目前已有大型懸索橋因鋼箱梁開裂嚴重，不得不啟動大修加固。因此，有必要充分利用已掌握的大橋檢測養(yǎng)護數(shù)據(jù)，分析正交異性鋼橋面板疲勞裂紋的成因和發(fā)展規(guī)律，并提出針對性的維修措施。

近年來，也有學者開始考慮采用剛性鋪裝，如超高性能混凝土[6-7]、高韌性輕骨料混凝土[8]、鋼纖維混凝土[9]等，來替代現(xiàn)有的瀝青混凝土鋪裝，以此提高鋼橋面板的整體剛度，降低其應力水平，抑制疲勞裂紋的產(chǎn)生。研究表明[10-12]，采用剛性鋪裝后，鋼橋面板中各關(guān)鍵受力部位的應力有明顯降低。

總的來說，盡管國內(nèi)外學者和工程技術(shù)人員對正交異性鋼橋面板的疲勞開裂問題開展了許多工作[13-18]，并在一定程度上抑制了正交異性鋼橋面板病害的發(fā)生，但是并沒有從根本上解決問題。在上述背景下，本研究根據(jù)某大型懸索橋正交異性板的疲勞裂紋檢查結(jié)果分析了其疲勞裂紋發(fā)展規(guī)律，從受力分析、構(gòu)造分析與焊接工藝3方面闡明了疲勞裂紋的開裂機理，并針對每一類疲勞裂紋給出了修復建議。

1 某大橋正交異性板疲勞裂紋檢查

根據(jù)該大橋歷年定期檢查情況，正交異性板裂紋分為目視可見的焊縫及鋼構(gòu)件開裂，以及涂層開裂(無法通過目視確定是否為鋼結(jié)構(gòu)開裂，又稱疑似隱性裂紋)，本次檢查對可見裂紋和疑似裂紋進行分別統(tǒng)計，現(xiàn)場標記并準確記錄。

1.1 檢查方法

1.1.1 顯著裂紋檢查

選取裂紋數(shù)量較多的箱梁節(jié)段進行焊縫超聲探傷檢測，檢測內(nèi)容為選定節(jié)段內(nèi)的100%對接焊縫，包括頂板對接縱縫、對接橫縫及其熱影響區(qū)附近母材；底板對接縱縫、對接橫縫及其熱影響區(qū)附近母材；橫隔板對接焊縫及其熱影響區(qū)附近母材。具體的檢查對象、檢查內(nèi)容及檢查數(shù)量見表1。

表1 焊縫超聲探傷檢查內(nèi)容Tab.1 Contents of ultrasonic defect inspection on weld seam

1.1.2 疑似裂紋檢查

對目視檢查出的疑似隱性裂紋使用磁粉探傷法進行確認。首先對疑似隱性裂紋區(qū)域的涂層進行打磨，露出平整光滑的鋼構(gòu)件原表面，再對鋼板予以磁化，利用缺陷部位因漏磁而吸附磁粉的特征，依磁粉分布特征識別鋼橋面板表面和近表面缺陷。

1.2 檢查結(jié)果

鋼箱梁內(nèi)正交異性鋼橋面板、U肋、橫隔板等部位存在較多疲勞裂紋，將檢查發(fā)現(xiàn)的裂紋按照表2所示分類方法進行分類。

表2 裂紋分類Tab.2 Crack classification

結(jié)合各類檢查和探傷結(jié)果可知，目前該橋鋼箱梁疲勞細節(jié)基本穩(wěn)定，但疲勞損傷程度正逐年累積增加，總體趨于嚴重。I類裂紋無論是從數(shù)量還是既有裂紋的發(fā)展情況來看，均表現(xiàn)出比較顯著的劣化趨勢；II，III類裂紋的數(shù)量和分布較往年相比有較為顯著的增加，根據(jù)抽樣確認結(jié)果，約60%的II類和100%的III類疑似隱性裂紋被確認為疲勞裂紋，但此趨勢并非源于疲勞損傷的突發(fā)性增長，而是與以往定期檢查中缺少相應手段對疑似隱性裂紋進行確認相關(guān)。根據(jù)鋼箱梁各類裂紋歷年新增數(shù)量統(tǒng)計，除IV類裂紋無增加趨勢外，其余5種類型裂紋數(shù)量均存在不同增速的增長趨勢，說明鋼箱梁疲勞裂紋呈整體惡化趨勢。

2 某大橋正交異性板疲勞裂紋發(fā)展規(guī)律

本小節(jié)主要針對目視可見的疲勞裂紋檢查結(jié)果進行詳細分析。

2.1 疲勞裂紋(I類)

檢查發(fā)現(xiàn)，全橋共存在I類裂紋154條，其中本次檢查發(fā)現(xiàn)新增11條，原有143條。平均裂紋長度約為29 cm。

原有裂紋中3條存在延伸現(xiàn)象，延伸長度介于1～3 cm之間。往年檢查中發(fā)現(xiàn)部分開裂較嚴重的I類裂紋出現(xiàn)裂紋口銹蝕，沿裂紋存在滲水、銹蝕現(xiàn)象說明這部分裂紋深度已經(jīng)貫穿橋面板，滲水等次生病害將對結(jié)構(gòu)耐久性造成不利影響。管養(yǎng)單位對部分既有裂紋采用焊接的方式進行了修復，本次檢查發(fā)現(xiàn)2處修復后的裂紋存在重新開裂及滲水現(xiàn)象，說明此類裂紋仍存在一定的劣化趨勢。

值得注意的是，本次檢查發(fā)現(xiàn)個別I類裂紋處頂板抖動明顯，抖動時可見箱外光線，表明此處橋面板已裂穿，隨后從橋面鋪裝上查看其對應位置，發(fā)現(xiàn)橋面瀝青鋪裝層已出現(xiàn)局部坑槽，充分說明了此類裂紋發(fā)展到后期階段會嚴重影響橋面鋪裝質(zhì)量，對行車安全造成一定影響。

結(jié)合歷年交通量增長情況來看，I類裂紋數(shù)量與交通量的增長趨勢基本吻合，呈逐年較為穩(wěn)定的增長趨勢。由此可知此類疲勞裂紋的形成原因與交通荷載存在直接關(guān)系，且兩者間有較密切的相關(guān)性，如圖1所示。

圖1 I類裂紋與交通量增量趨勢對比Fig.1 Contrast of incremental trends of type I cracks and traffic volume

2.2 疲勞裂紋(II類)

檢查發(fā)現(xiàn)，全橋共存在II類裂紋406條，其中本次檢查發(fā)現(xiàn)新增46條，原有360條。平均裂紋長度約為3.5 cm。

原有裂紋中有33條存在延長發(fā)展，最大延伸長度為3 cm。根據(jù)歷年交通量增長情況，與I類裂紋類似，II類裂紋數(shù)量與交通量的增長趨勢也基本吻合，呈逐年穩(wěn)定增長趨勢，可以得出此類裂紋的形成原因與交通量增長有較密切的相關(guān)性，如圖2所示。

圖2 II類裂紋與交通量增量趨勢對比Fig.2 Contrast of incremental trends of type II cracks and traffic volume

2.3 疲勞裂紋(III類)

檢查發(fā)現(xiàn)，全橋共存在III類裂紋247條，本次檢查發(fā)現(xiàn)新增10條，原有裂紋數(shù)量237條。此類裂紋已有2處逐漸延伸并橫向貫穿橫隔板U肋弧形缺口，另有1處即將貫通，平均裂紋長度約為12.9 cm。

原有裂紋中有34條存在延伸現(xiàn)象，最大延伸長度為10 cm。該類裂紋發(fā)展較為活躍，約有50%的此類裂紋發(fā)生過延伸，延伸長度介于0.5～3 cm之間。

該橋在2008年為緩解該類裂紋繼續(xù)延伸發(fā)展，在橫隔板裂紋端部設置圓形止裂孔(直徑1 cm)。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查反饋，止裂孔作用有限，大多數(shù)裂紋跨過止裂孔繼續(xù)延伸。2016年在關(guān)鍵節(jié)段選取了20條III類裂紋進行鉆孔止裂效果試驗，鉆孔直徑為2 cm，本次檢查未發(fā)現(xiàn)裂紋跨越鉆孔繼續(xù)延長。對比兩次止裂孔對此類裂紋發(fā)展趨勢的抑制作用可知，止裂孔尺寸將影響裂紋尖端應力集中的改善效果。

與I類、II類裂紋類似，III類裂紋的形成與交通量增長也有直接關(guān)系，如圖3所示。

2.4 疲勞裂紋(IV類)

檢查發(fā)現(xiàn)，全橋共存在IV類裂紋16條，本次檢查發(fā)現(xiàn)1條新增，并且裂紋周圍伴有滲水、銹蝕現(xiàn)象。此外，原有裂紋存在2處滲水銹跡。平均裂紋長度約為6 cm，原有裂紋未發(fā)現(xiàn)存在明顯發(fā)展變化。

IV類裂紋總體數(shù)量較少，自2012年至今僅有少量新增，并且原有裂紋狀況基本穩(wěn)定，未見明顯發(fā)展。由此可以得出此類裂紋與交通量增長不存在明顯的相關(guān)性，如圖4所示。

圖4 IV類裂紋與交通量增量趨勢對比Fig.4 Contrast of incremental trends of type IV cracks and traffic volume

2.5 疲勞裂紋(V類)

檢查發(fā)現(xiàn)，全橋共存在V類裂紋141條，其中本次檢查發(fā)現(xiàn)新增17條，原有124條。平均裂紋長度約為4.2 cm，新增裂紋最大長度為15 cm。

原有裂紋中有1條存在延伸現(xiàn)象，延伸長度為4 cm。由圖5可以得出V類裂紋的形成原因與交通量增長有較密切的相關(guān)性。

圖5 Ⅴ類裂紋與交通量增量趨勢對比Fig.5 Contrast of incremental trends of type Ⅴ cracks and traffic volume

2.6 疲勞裂紋(Ⅵ類)

Ⅵ類裂紋是除了前5類之外的其他形式的疲勞裂紋，其中多數(shù)為底斜腹板與橫隔板豎向加勁肋焊接開裂。檢查發(fā)現(xiàn)，全橋共存在Ⅵ類裂紋120條，其中本次檢查發(fā)現(xiàn)新增7條，原有113條。全橋共有10處底斜腹板與橫隔板豎向加勁肋焊接貫通開裂。

結(jié)合歷年交通量增長情況來看，Ⅵ類裂紋數(shù)量與交通量的增長趨勢基本吻合，均呈逐年較穩(wěn)定增長趨勢，如圖6所示。

圖6 Ⅵ類裂紋與交通量增量趨勢對比Fig.6 Contrast of incremental trends of type Ⅵ cracks and traffic volume

2.7 疲勞裂紋開裂機理分析

(1)Ⅰ類：橋面板與U肋連接角焊縫處縱向開裂

正交異性鋼橋面板頂板較薄，局部剛度低，在汽車輪載作用下，容易產(chǎn)生較大的局部撓曲變形，并引發(fā)相鄰部件的面外變形。當輪載作用于縱向U肋正上方或兩縱向U肋之間時，U肋產(chǎn)生撓曲變形并引發(fā)面板面外變形，導致頂板與縱肋角焊縫的焊趾與焊跟產(chǎn)生較大彎矩，從該處萌生疲勞裂紋并逐步擴展。

同時，橋面板與 U 肋縱向角焊縫在橫橋向彎矩作用下，焊跟和焊趾處產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，若采用不開坡口角焊縫或開坡口角焊縫的熔透深度不足，將提升該處疲勞應力幅，并同時降低抗疲勞能力。

再者，早期鋼箱梁制造主要采用人工焊接，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生焊接缺陷，如焊跟處由于冷卻收縮形成缺口、焊趾存在咬邊、焊縫外觀成型較差等。當車輛沿 U肋行走,縱肋內(nèi)側(cè)的彎矩大于外側(cè)的彎矩時，在U肋與頂板縱向角焊縫存在缺陷的情況下，裂紋就可能在焊趾處產(chǎn)生并擴展；當U肋外側(cè)的彎矩大于內(nèi)側(cè)的彎矩且縱向角焊縫存在缺陷時，裂紋就可能在焊根處產(chǎn)生并擴展。

(2)Ⅱ,Ⅲ類：橫隔板與U肋相交線處，源于下根部焊縫的豎向或豎斜向上開裂；橫隔板弧形缺口處橫向開裂

鋼箱梁頂板和U形縱肋可視為彈性連續(xù)支承在橫隔板上的連續(xù)梁。在縱向移動輪載持續(xù)作用下，U肋反復撓曲變形，繞橫隔板支撐處左右轉(zhuǎn)動，導致橫隔板反復產(chǎn)生面外變形，誘發(fā)橫隔板與U肋過焊孔處產(chǎn)生較大的面內(nèi)彎曲應力和剪應力。久而久之，在以上兩種次應力循環(huán)作用下，U肋與橫隔板角焊縫，以及橫隔板弧形切口處極易引發(fā)疲勞裂紋。

同時，該橋鋼箱梁橫隔板(橫肋)間距4 m、板厚8 mm，與類似結(jié)構(gòu)橋梁相比橋梁的橫肋剛度偏低。因此，縱肋的撓曲變形及縱肋支撐處左右轉(zhuǎn)動變位相對較大，帶動橫肋面外變形也相對較大。這也是本橋Ⅱ類裂紋數(shù)量較多的重要原因。此外，本橋鋼箱梁在進行設計時所采用的橫肋弧形缺口形狀、尺寸與現(xiàn)行的歐洲規(guī)范和日本規(guī)范相比高度偏小，弧形缺口的凈距比一般橋梁小，對縱肋豎向彎曲變形的約束較大，導致較大的次彎曲應力和剪應力。

(3)Ⅳ類：U肋對接縫開裂

縱向U肋采用現(xiàn)場鋼襯墊板對接焊，因鋼襯墊板與U肋板組裝時難以密貼，特別是圓弧處，且U肋對接不可避免地存在錯邊，焊根存有小的間隙，疲勞強度極低，另外施焊時為仰姿和立姿，焊接難度大，焊接質(zhì)量難以保證，因此極易由鋼襯墊板焊根處引發(fā)疲勞裂紋。

(4)V類：橫隔板與U肋焊縫開裂，橫隔板與頂板焊縫開裂

在縱向移動輪載作用下，橫隔板將產(chǎn)生反復面外變形，導致產(chǎn)生很大的次彎曲應力，并在橫隔板與U肋焊縫，以及橫隔板與頂板連接處產(chǎn)生很大的應力集中。

早期設計橋面板U形縱肋通過橫隔板(橫肋)時，一般會預留R35過焊孔，導致容易引起該類焊縫在孔洞部位的焊趾疲勞起裂、擴展。《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設計規(guī)范》(JTG D64—2015)中明確規(guī)定“縱向加勁肋應連續(xù)通過橫向加勁肋或橫隔板，加勁肋與頂板焊縫的過焊孔宜采用堆焊填實，焊縫應平順”。

3 正交異性板疲勞裂紋處置措施

3.1 疲勞裂紋修復

針對沿橋面頂板開裂的縱向裂紋，處置措施通常分為兩步：一是在裂紋尖端鉆止裂孔，延緩原裂紋開展；二是采用同材質(zhì)的蓋板覆蓋于裂紋位置之上，蓋板四周采用角焊縫焊接牢固。當頂板裂紋較長時，應除去裂紋位置處的橋面鋪裝層，切除包含疲勞裂紋的橋面板部分，然后采用相同材質(zhì)、相同厚度的鋼板修補，并進行全熔透焊接，對焊縫進行打磨處理并重新鋪設橋面鋪裝層。

針對U肋與橫隔板或U肋與頂板連接焊縫處的細微裂紋，通常采用TIG重熔方法將焊趾部位重新熔化，并采取措施修復氣孔、夾渣等焊接缺陷，從而提高疲勞強度。

針對U肋對接縫開裂，可采用在該位置外貼鋼板，并采用高強螺栓連接的方式進行處置。

針對橫隔板弧形切口處橫向開裂，可在疲勞裂紋尖端設置止裂孔，當裂紋擴展較長時，可在橫隔板裂紋兩面增設蓋板，并采用高強螺栓固定。

總之，通過上述方法對各類裂紋進行修復處置后，可在一定程度上延緩裂紋擴展。然而，要想真正改善正交異性鋼橋面板的整體受力性能，還需結(jié)合整體加固措施，從根本上降低各疲勞細節(jié)處的應力幅。

3.2 增加空腹式橫隔板

根據(jù)鋼箱梁目視可見的疲勞裂紋檢查結(jié)果，Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類裂紋的數(shù)量最多，I類裂紋處于頂板和U肋焊縫處，Ⅱ，Ⅲ類裂紋處于橫隔板弧形切口處。為明確裂紋發(fā)生的原因，本節(jié)針對以下工況開展了有限元分析，在原鋼箱梁4 m間距的橫隔板中間位置增加一道空腹式橫隔板，使得橫隔板間距減小為2 m，新增空腹式橫隔板斷面布置如圖7所示。

圖7 鋼箱梁新增橫隔板斷面布置圖(單位：mm)Fig.7 Layout of section of new diaphragm for steel box girder (unit: mm)

新增空腹式橫隔板頂部為10 mm厚、488 mm高的鋼板，鋼板下設12 mm厚、210 mm寬的下翼緣板；撐桿采用截面尺寸為100 mm×100 mm，壁厚為6 mm的方鋼管；撐桿下部與鋼箱梁底板連接的節(jié)點采用長度為1 m的HW 200 mm×204 mm工字鋼加工而成。現(xiàn)場安裝時，將下節(jié)點與鋼箱梁底板栓接，頂部隔板與橋面板及U肋焊接連接或栓接。

對增加空腹式橫隔板后的鋼箱梁標準段進行了有限元分析，共3種方案：鋼箱梁(無鋪裝)；鋼箱梁+7 cm厚環(huán)氧瀝青鋪裝；鋼箱梁+7 cm厚環(huán)氧瀝青鋪裝+空腹式橫隔板。應力計算控制點示意圖如圖8所示。

圖8 應力計算控制點示意圖Fig.8 Schematic diagram of control points for stress calculation

表3給出了相應的分析結(jié)果，從表中可以看出，增加空腹式橫隔板方案各應力控制點處的最大Mises應力較前兩種方案顯著降低，說明減小橫隔板間距能夠改善正交異性板受力性能。

表3 橋面板各位置處最大Mises應力比較Tab.3 Comparison of maximum Mises stresses at different positions of bridge deck

4 結(jié)論

本研究通過對某大橋鋼箱梁疲勞裂紋歷年檢查結(jié)果，分析了疲勞裂紋發(fā)展規(guī)律。Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅴ，Ⅵ類疲勞裂紋的形成均與交通荷載存在直接關(guān)系，Ⅳ類疲勞裂紋的形成與交通荷載的直接關(guān)系不明顯。針對每一類疲勞裂紋，給出了相對合理的修復措施建議。提出了增加空腹式橫隔板的方法，通過有限元分析表明,該方法可以顯著改善正交異性鋼橋面板的受力性能。