分析大跨度橋梁鋼箱梁疲勞裂縫特征及檢測技術(shù)

孫海東，王旭

（江蘇潤揚大橋發(fā)展有限責任公司，南京 210000）

1 引言

當公路橋梁的應(yīng)用疲勞程度達到一定程度時便會產(chǎn)生各類裂縫，構(gòu)成嚴重的安全隱患。例如，鋼箱梁橋梁的 U 肋在車輛荷載作用下非常容易產(chǎn)生疲勞裂縫。因此，必須針對橋梁疲勞裂縫采取相應(yīng)的檢測措施，查明裂縫的形成原因，并且制定科學合理的防治措施，這樣才能保證大跨度橋梁的應(yīng)用效率，提高橋梁的安全性。

2 大跨度橋梁鋼箱梁疲勞裂縫檢測技術(shù)

大跨度橋梁鋼箱梁具有強度高且穩(wěn)定性良好的特點，近年來在道橋施工中得以廣泛應(yīng)用，同時也是當前我國橋梁工程中的主要截面形式。然而，在交通運輸需求不斷提升的過程中，越來越多的超載車輛對鋼箱梁的應(yīng)用效果造成了嚴重影響，這其中以疲勞裂縫問題最為嚴重。如果未能及時檢測與修復，不僅會影響橋梁的正常運營，還會導致橋梁倒塌事故。因此，橋梁裂縫檢測技術(shù)的重要性愈加明顯，當前針對疲勞裂縫的檢測通常分為無損檢測與有損檢測 2種。其中，無損檢測技術(shù)主要包括磁粉檢測、滲透檢測、射線檢測、渦流檢測以及超聲波檢測等。采用磁粉與滲透檢測方式時主要針對橋梁表面裂縫，超聲波檢測技術(shù)重點針對橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)與裂縫情況進行檢測，具有較高的應(yīng)用價值[1]。

3 工程案例

3.1 工程概況

為進一步驗證鋼箱梁疲勞裂縫檢測技術(shù)的應(yīng)用效果，本研究以江蘇某公路大橋為例，該大橋為3跨連續(xù)全漂浮鋼箱梁橋梁，跨徑組合為 240m+650m+232m，橋梁寬度為 36.2m。鋼箱梁采用正交異性鋼橋面板，橋面板厚度為 14mm，U 肋板厚度為 6mm。通過對該橋梁的實際運行情況了解可知，該橋梁當前承受了較大的交通運輸壓力，而且日均流量已經(jīng)超出正常范圍的1倍以上。

3.2 鋼箱梁疲勞裂縫調(diào)查

本研究中在開展過程中，針對案例橋梁進行全面的鋼箱梁例行檢查，發(fā)現(xiàn)該橋梁存在8處疲勞裂縫。從裂縫分布的位置來看，該橋梁的裂縫主要存在于重車道與混合車道的軌跡帶附近，而且在順橋方面，尤其是在 U 肋隔板出也大量疲勞裂縫，該橋梁鋼箱梁疲勞裂縫的分布比例情況如表1所示。

3.3 疲勞裂縫的表現(xiàn)形式

通過對該橋梁鋼箱梁存在的疲勞裂縫類型進行細致化分，具體可以歸納為以下幾類情況：（1）U 肋與橋面之間的疲勞裂縫；（2）U 肋總隔板末端的裂縫；（3）橫縱隔板區(qū)域內(nèi)的裂縫；（4）U 肋焊接區(qū)域產(chǎn)生的裂縫。

表1 案例橋梁鋼箱梁疲勞裂縫分布情況

3.4 鋼箱梁疲勞裂縫的形成原因

對該橋梁的疲勞裂縫進行分析，形成原因具體如下：

1）U 肋與橋面板角之間的疲勞裂縫。在長期超負荷的運行過程中，鋼箱梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)與應(yīng)力情況會發(fā)生改變，并且最先反映到 U 肋與橋面板角的連接區(qū)域，由于這類裂縫附帶一定的連續(xù)性，不僅會導致橋梁外部變形，同時還會造成焊跟處開裂。隨著剛度的不斷提升，次彎曲應(yīng)力也會隨之增加，最終構(gòu)成母材發(fā)生剪切破壞[2]。

2）U 肋嵌補段疲勞裂縫。由于 U 肋嵌補段都是采用人工后焊方式進行作業(yè)，這樣雖然能夠滿足鋼箱梁的應(yīng)用曲線需求，但是焊縫較短，這樣會對整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成影響。從力學角度進行分析，能夠看出 U 肋與面板之間的彈性支承主要集中在連續(xù)梁中，當橋梁中的移動荷載不斷增加時，縱向 U 肋會將壓力轉(zhuǎn)嫁到連續(xù)梁中，當連續(xù)梁產(chǎn)生變形勢必會造成疲勞裂縫的出現(xiàn)，最后導致疲勞裂縫侵入母材，造成鋼箱梁表面與內(nèi)部同時存在裂縫的情況。

3）縱隔板末端疲勞裂縫。在大跨度橋梁鋼箱梁的制造安裝過程中，縱隔板末端通常需要與橫隔板連接在一起，同時還要保證縱隔板的高度超過 30cm，這樣便會造成橫隔板的個別區(qū)域存在高度凸起的現(xiàn)象，進而造成整體協(xié)調(diào)性失衡的局面，這樣在大量超負荷的運輸荷載下，鋼箱梁內(nèi)部原本的應(yīng)力分散方式也會變化。由于局部的剛度突變，在焊接處會產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力集中問題，久而久之便會產(chǎn)生疲勞裂縫。因此，在針對縱隔板末端疲勞裂縫進行處理時，還要搭配相應(yīng)的加固技術(shù)，這樣才能促進鋼箱梁橋面的整體穩(wěn)定程度。

4 大跨度橋梁鋼箱梁疲勞裂縫的解決措施

4.1 常規(guī)解決措施

在解決大跨度橋梁鋼箱梁疲勞裂縫時，首先可以采用常規(guī)的處理措施，也就是針對焊接裂縫進行修復，如 U 肋與橋面板角焊接、U 肋嵌補焊接裂縫等，可以采用常規(guī)焊接工藝技術(shù)對裂縫區(qū)域進行處理，同時還要根據(jù)位置的不同，針對焊接層數(shù)進行科學調(diào)整?？梢圆捎帽砻娲欧蹤z測技術(shù)，當明確疲勞裂縫位置時，根據(jù)鋼板的厚度確定止裂孔，以此來阻止焊接過程中的裂開現(xiàn)象，可以有效避免裂縫的延伸。

在處理開裂焊縫時，可以采用角焊方式直接對母材進行重新焊接，在處理嵌補段裂縫時可以采用 V 形坡口焊接方式，將坡口角度調(diào)整為約 40°，在焊接過程中還要預留一定的間隙。此外，還可以采用二氧化碳保護焊的方式，選擇 3Y 級藥芯作為焊絲，針對嵌補段進行焊接處理，并且與3層3道焊接工藝技術(shù)相結(jié)合，這樣可以有效保證 U 肋的應(yīng)用質(zhì)量，以此來強化大跨度橋梁鋼箱梁的運行效果。

4.2 特殊解決措施

當橋梁鋼箱梁中的疲勞裂縫情況比較特殊時，這時還要采取特殊解決措施。對于鋼箱梁中比較罕見的焊接裂縫，如縱隔板末端裂縫等，整體處理技術(shù)方式較為復雜，由于這種裂縫情況多出現(xiàn)在鋼箱梁底部與面板中，因此，在針對裂縫進行處理時還要搭配相應(yīng)的加固措施，這樣才能強化裂縫處理效率。具體操作如下：

1）當橫隔板與縱隔板之間的間距數(shù)值為 10～60cm時，為保證裂縫修復作業(yè)的施工環(huán)境，可以先針對縱隔板末端進行切割處理，等到焊接作業(yè)完畢后對切割區(qū)域進行修復；

2）采用磁粉探傷時，要先明確疲勞裂縫的起點與終點，根據(jù)鋼板厚度預設(shè)止裂孔，順著裂縫方向進行開槽，在開槽作業(yè)完畢后可以再次進行裂縫檢測，這時結(jié)合超聲波內(nèi)部檢測技術(shù)可以對鋼箱梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行準確檢測，這樣能夠針對各類潛在裂縫進行修復與處理；

3）在疲勞裂縫處理完畢后，還要針對縱隔板末端進行加固作業(yè)，這樣可以使鋼箱梁底板與橋梁之間整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到提升，進而緩解鋼板的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

5 結(jié)語

綜上所述，大跨度橋梁鋼箱梁在長期應(yīng)用中會形成各類疲勞裂縫，如果未能及時采取正確的處理措施，不僅會造成經(jīng)濟損失，還會對行車安全構(gòu)成嚴重隱患。因此，在針對超載車輛嚴格管控的同時，還要對大跨度橋梁采取科學合理的疲勞裂縫檢測技術(shù)，這樣才能科學延長橋梁的使用壽命。