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(duì)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(guó)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(guó)的諾曼底大橋和中國(guó)的蘇通長(zhǎng)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(guò)程中兩個(gè)相鄰節(jié)段預(yù)留的在現(xiàn)場(chǎng)拼裝的U肋，對(duì)于橋面頂板的U肋嵌補(bǔ)段，在現(xiàn)場(chǎng)拼裝焊接時(shí)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(guò)對(duì)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(duì)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(gè)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(shí)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(gè)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)接焊縫疲勞壽命

3.1 U肋嵌補(bǔ)段對(duì)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(shí)，疲勞壽命為200萬(wàn)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(guò)對(duì)大橋收費(fèi)站的交通流量監(jiān)測(cè)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(guò)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(gè)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(zhǎng)度為9.6m，橫向包括7個(gè)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(gè)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(guò)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(guò)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(shí)應(yīng)力最大，為31.5MPa。

3.4 疲勞壽命評(píng)估

得到疲勞細(xì)節(jié)的應(yīng)力影響線后，可以通過(guò)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(guò)對(duì)國(guó)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(guò)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(gè)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(guò)雨流計(jì)數(shù)法[6]對(duì)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(gè)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(guò)時(shí)對(duì)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(huì)產(chǎn)生損傷。因此，當(dāng)一輛標(biāo)準(zhǔn)疲勞車經(jīng)過(guò)橋梁時(shí)，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(guò)時(shí)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(duì)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(shí)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)橋梁產(chǎn)生的疲勞裂紋，進(jìn)行了維修加固處理：

（1）首先對(duì)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(dòng)碼，先焊固定碼，再焊活動(dòng)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(wú)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(duì)U肋進(jìn)行磁粉探傷，對(duì)橋面頂板進(jìn)行超聲波探傷。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)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(huì)沿著焊縫向橋面頂板擴(kuò)展。

（2）通過(guò)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(qǐng)以PDF形式查看。