正交異性鋼橋面板U肋嵌補(bǔ)段焊縫疲勞裂紋加固

摘要; 本文調(diào)查研究了某大跨度橋梁正交異性鋼橋面板U肋嵌補(bǔ)段對接焊縫位置疲勞裂紋，采用安全壽命法分析了疲勞裂紋產(chǎn)生的原因，提出了U肋嵌補(bǔ)段疲勞裂紋加固方案。

關(guān)鍵詞: 正交異性鋼橋面板，U肋嵌補(bǔ)段，疲勞裂紋，加固

Abstract: In this paper the research of a long-span Bridges orthotropic steel bridge panel U rib fill section embedded butt weld position fatigue crack, the safety life was analyzed the reasons of the fatigue crack, and put forward the U rib for fatigue crack embedded for strengthening project.

Keywords: orthotropic steel bridge panel, U ribs for embedded section, the fatigue crack, reinforcement

1 引言

正交異性鋼橋面板是由縱、橫互相垂直的加勁肋連同橋面蓋板所組成的共同承受車輪荷載的結(jié)構(gòu)，以其自重輕、承載能力強(qiáng)和整體性好等優(yōu)點(diǎn)在國內(nèi)外大跨度橋梁中得到廣泛應(yīng)用，如日本的明石海峽大橋、法國的諾曼底大橋和中國的蘇通長江大橋等都采用了正交異性鋼橋面板的形式。

U肋嵌補(bǔ)段是大跨度鋼橋節(jié)段施工過程中兩個相鄰節(jié)段預(yù)留的在現(xiàn)場拼裝的U肋，對于橋面頂板的U肋嵌補(bǔ)段，在現(xiàn)場拼裝焊接時要采用仰焊工藝，焊接質(zhì)量不易保證，在重載交通下容易產(chǎn)生疲勞裂紋，是正交異性鋼橋面板典型的疲勞細(xì)節(jié)之一。

本文通過對某大跨度橋梁的正交異性鋼橋面板U肋嵌補(bǔ)段的疲勞裂紋進(jìn)行分析研究，提出了此類疲勞裂紋的加固方案。

2 U肋嵌補(bǔ)段焊縫疲勞裂紋

2011年6月，在某大跨度橋梁正交異性鋼橋面板U肋嵌補(bǔ)段對接焊縫位置發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋，如圖1所示。U肋嵌補(bǔ)段疲勞裂紋1（a）和裂紋2（b）已經(jīng)完全貫穿整個U肋，U肋在此位置已經(jīng)喪失承載能力；疲勞裂紋3由于及時鉆了止裂孔，裂紋在U肋底板止裂孔位置停止擴(kuò)散，沒有擴(kuò)散到整個U肋；從圖1（d）中可以發(fā)現(xiàn)，有些裂紋已經(jīng)從U肋發(fā)展到橋面頂板，并沿著U肋與橋面頂板的焊縫發(fā)展，逐漸貫穿橋面頂板，對橋梁的安全性造成極大的影響。從圖片中可以看出，U肋嵌補(bǔ)段對接焊縫位置的疲勞裂紋都是在焊縫的熱影響區(qū)內(nèi)產(chǎn)生

的，并沿著對接焊縫發(fā)展。[]

（a）U肋嵌補(bǔ)段疲勞裂紋1 （b）U肋嵌補(bǔ)段疲勞裂紋2

（c）U肋嵌補(bǔ)段疲勞裂紋3 （d）U肋裂紋擴(kuò)散到橋面板

圖1 U肋嵌補(bǔ)段疲勞裂紋

3 U肋嵌補(bǔ)段對接焊縫疲勞壽命

3.1 U肋嵌補(bǔ)段對接焊縫疲勞強(qiáng)度

歐洲規(guī)范中規(guī)定了U肋嵌補(bǔ)段焊縫的疲勞強(qiáng)度，其疲勞細(xì)節(jié)類型為71[3]，即應(yīng)力幅為71MPa時，疲勞壽命為200萬次。S-N曲線如（式1）所示，其中常幅疲勞極限為52.3MPa，疲勞截止極限為28.7MPa。

（式1）

3.2 交通量調(diào)查

通過對大橋收費(fèi)站的交通流量監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，得到大橋從2002年到2007年平均每天的車流量，如圖3所示。雖然沒有2002年以前的以及2007年以后交通流量數(shù)據(jù)，但圖2已經(jīng)能反應(yīng)出該大橋繁忙的交通。2002年，平均每天有20836輛車經(jīng)過該橋，到2007年，增加到39568輛，幾乎增加了一倍。從200年到2007年，平均每天交通流量為30960輛，該橋?yàn)殡p向六車道，平均每個車道每天車流量為5160輛。據(jù)調(diào)查顯示，該橋車輛超載嚴(yán)重。

圖3 橋梁平均每天車流量

3.3 有限元分析

為了分析U肋嵌補(bǔ)段位置的疲勞壽命，按照橋梁結(jié)構(gòu)的原型，采用通用有限元軟件建立了的有限元模型，正交異性鋼橋面板采用板單元模擬，橋面鋪裝假定為各向同性的線彈性材料，采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元模擬。橋面鋪裝與鋼板之間假定為完全粘結(jié)，不產(chǎn)生滑移。模型總長度為9.6m，橫向包括7個U肋，總寬度為4.2m，邊界條件為橫隔板底部和結(jié)構(gòu)兩端6個自由度完全約束，在局部車輪荷載作用下，該模型可以模擬橋梁結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力狀態(tài)。結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)詳見表1。本節(jié)通過施加10t的單位荷載計(jì)算U肋嵌補(bǔ)段開裂位置應(yīng)力影響線。

表1 有限元模型的參數(shù)

頂板厚度（mm） 12 U肋厚度（mm） 6

橫隔板間距（m） 3.2 U肋間距（mm） 600

鋼材模量（MPa） 210000 鋼材泊松比 0.3

鋪裝層厚度（mm） 50 鋪裝層模量（MPa） 1000

通過有限元分析，得到U肋嵌補(bǔ)段疲勞開裂位置順橋向正應(yīng)力影響線，當(dāng)10.0t的車輪作用在U肋嵌補(bǔ)段開裂位置正上方時應(yīng)力最大，為31.5MPa。

3.4 疲勞壽命評估

得到疲勞細(xì)節(jié)的應(yīng)力影響線后，可以通過標(biāo)準(zhǔn)疲勞車加載得到疲勞細(xì)節(jié)的應(yīng)力歷程。本文所采用的標(biāo)準(zhǔn)疲勞車為同濟(jì)大學(xué)過對國內(nèi)多座橋梁進(jìn)行荷載調(diào)查得到的標(biāo)準(zhǔn)疲勞車。

通過標(biāo)準(zhǔn)疲勞車加載后得到的應(yīng)力歷程如圖4所示，應(yīng)力歷程有三個峰值，最大正應(yīng)力為33.2MPa（拉應(yīng)力），最小正應(yīng)力為-10.1MPa（壓應(yīng)力）。通過雨流計(jì)數(shù)法[6]對應(yīng)力歷程進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到如表2第二列所示的應(yīng)力幅及其循環(huán)次數(shù)，最大的應(yīng)力幅為43.3MPa，其次為41.6MPa，另外還存在兩個較小的應(yīng)力幅24.6MPa和10.1MPa。

根據(jù)Miner-Palmgren線性累積損傷準(zhǔn)則[7]，可以計(jì)算出一輛標(biāo)準(zhǔn)疲勞車經(jīng)過時對U肋嵌補(bǔ)段焊縫產(chǎn)生的疲勞損傷度，如表2第三列所示。43.3MPa的應(yīng)力幅產(chǎn)生的損傷度為7.77033E-08，41.6MPa產(chǎn)生的損傷度為6.36014E-08，此疲勞細(xì)節(jié)的疲勞截止極限為28.7MPa，24.6MPa和10.1MPa的應(yīng)力幅不會產(chǎn)生損傷。因此，當(dāng)一輛標(biāo)準(zhǔn)疲勞車經(jīng)過橋梁時，產(chǎn)生的疲勞累積損傷度為1.413047E-7。車輪在車道上不可能精確的按照同一軌跡線行駛，考慮車輪輪跡線橫向分布影響

[8]的損傷度如表2第四列所示，一輛標(biāo)準(zhǔn)疲勞車經(jīng)過時累積損傷度為

4.63027E-8。

圖4 U肋嵌補(bǔ)段開裂位置順橋向正應(yīng)力影響線

表2 疲勞應(yīng)力幅和損傷度

按照前面交通調(diào)查的結(jié)果，單車道平均每天的交通流量為5160輛，如果不考慮車輛輪跡線橫向分布對損傷度的折減的影響，每輛疲勞車產(chǎn)生的損傷度為

1.413047E-7，疲勞累積損傷度達(dá)到1時結(jié)構(gòu)疲勞開裂，那么U肋嵌補(bǔ)段焊縫的疲勞壽命為：

（式2）

如果考慮車輛輪跡線橫向分布對疲勞損傷度的折減，每輛疲勞車產(chǎn)生的損傷度為4.63027E-8，那么U肋嵌補(bǔ)段焊縫的疲勞壽命為：

（式3）

從（式3）的計(jì)算結(jié)果可以看出，考慮車輛輪跡線橫向分布的影響后，疲勞壽命為11.5年，與結(jié)構(gòu)實(shí)際壽命較為吻合。

對于城市快速路，單車道平均每天的車流量5160輛并不高。造成U肋嵌補(bǔ)段疲勞開裂的主要原因是12mm的橋面頂板和6mm的U型加勁肋鋼板太薄，在超載車輛作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力幅大，疲勞損傷度大。為了防止橋面板進(jìn)一步疲勞破壞，需要對大橋的超載車輛進(jìn)行嚴(yán)格管理。

4 疲勞裂紋加固方案

針對橋梁產(chǎn)生的疲勞裂紋，進(jìn)行了維修加固處理：

（1）首先對已裂向頂板、U肋腳焊縫的裂紋鉆直徑為8mm的止裂孔，中心位置位于裂紋延伸方向5mm位置。

（2）然后用碳弧氣刨（直徑為8mm的碳棒）將裂紋清除干凈，直到止裂孔位置。U肋嵌補(bǔ)段裂紋去除后，如果反面已經(jīng)沒有鋼襯墊，將嵌補(bǔ)段另一段的焊縫也刨去，去除原嵌補(bǔ)段，重新壓制新嵌補(bǔ)段；打磨后組裝新嵌補(bǔ)段，一端固定碼，一端活動碼，先焊固定碼，再焊活動碼，然后焊角焊縫。

（3）清除裂紋后進(jìn)行打磨處理，進(jìn)行一次性磁粉探傷，確認(rèn)無裂紋。

（4）用CO2氣體保護(hù)焊焊接，焊縫要求光順美觀。

（5）焊接完成后對U肋進(jìn)行磁粉探傷，對橋面頂板進(jìn)行超聲波探傷。

5 結(jié)論

本文通過對某大跨度橋梁正交異性鋼橋面板U肋嵌補(bǔ)段裂紋的調(diào)查研究，主要得到了一下結(jié)論：

（1）正交異性鋼橋面板U肋的疲勞裂紋主要位于嵌補(bǔ)段焊縫熱影響區(qū)位置，并且會沿著焊縫向橋面頂板擴(kuò)展。

（2）通過有限元分析獲得疲勞細(xì)節(jié)的影響線，然后采用標(biāo)準(zhǔn)疲勞車加載得到疲勞應(yīng)力幅，結(jié)合實(shí)際交通流量調(diào)查，用Miner-Palmgren線性累積損傷準(zhǔn)則計(jì)算得到的疲勞壽命與實(shí)橋壽命吻合較好。

（3）提出了U肋嵌補(bǔ)段裂紋修補(bǔ)方案，給同類橋梁加固提供技術(shù)參考。

參考文獻(xiàn)

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注：文章內(nèi)所有公式及圖表請以PDF形式查看。