湖南高速铁路职业技术学院 湖南 衡阳 421002
摘要：本文首先分析了悬索桥钢箱梁的概念及特点，其次阐述了钢箱梁的病害类型及产生原因，接着介绍了原桥钢箱梁抗疲劳构造与运营荷载，最后总结了悬索桥钢箱梁处治方法研究。意旨在通过对悬索桥钢箱梁病害的分析，提出一定的应对措施，以延长其疲劳寿命、简化施工维护方案。
关键词：钢箱梁；病害；处治方法
随着近年来交通量压力的增长，环境污染日益加剧，部分的桥梁出现了不同程度的病害。而在悬索桥的构成中，钢箱梁、主缆、吊杆是其主要受力构件。钢箱梁的疲劳开裂、涂层劣化是其主要病害，直接影响钢箱梁的疲劳寿命。
1.悬索桥钢箱梁概述
钢箱梁又称之为钢板箱形梁，是大跨径桥梁常用的一种结构形式。一般应在跨度较大的桥梁上，由于外形像一个箱子而被称为钢箱梁。在大跨度缆索支撑桥梁中，钢箱主梁的跨度可以达到几百米甚至上千米，一般分为若干梁段进行制造安装，其横截面的外形具有宽幅与扁平的特点，高宽比可达1:10左右。钢箱梁一般是由顶板、底板、腹板、横隔板、纵隔板及加劲肋等以全焊接的方式连接而成。其中的顶板是由盖板和纵向加劲肋构成的正交异性桥面板。比较典型的钢箱梁各板的厚度可为：盖板厚度14mm，纵向U形肋厚度6mm，上口宽320mm，下口宽170mm，高260mm，间距620mm；底板厚度10mm，纵向U形加劲肋；鞋服板厚度14mm，中腹板厚9mm；横隔板间距4.0m，厚度12mm；梁高2～3.5m。
钢板箱形梁，是工程中常用的结构形式。从多多罗桥到苏通大桥，又从杭州湾跨海大桥到西堠门大桥，钢箱梁得到了越来越广泛的应用。虽然，正交异性桥面板在制造技术上不断改进，但是就其疲劳问题仍然没有较好的解决方法，在界内甚至有“癌症”一说，认为这种病害是没有办法治愈及预防的。在美国、英国、日本等发达国家，关于正交异性钢桥面板抗疲劳设计已经有了较为成熟的设计方案及规范。在发达国家的不断研发中，正交异性钢桥面板出现第一条疲劳裂纹的时间从50年代的平均5～6年，至80年代延伸到25～28年，也大大增加了我国对正交异性钢桥面板疲劳研究及其处治的信心[1]。
2.钢箱梁的疲劳病害及产生原因
通过对钢箱梁结构的分析，我们知道钢箱梁大多采用正交异性钢桥面板，而这种面板构造复杂，对加工或焊接工作要求严格。而如果加工或焊接不合理，则往往会对正交异性钢桥面板的疲劳强度造成不利影响，所以钢箱梁中的薄弱环节通常会在在交变荷载的情况下出现疲劳裂纹。
从钢箱梁的实际病害状况来看，在各部件连接的焊接处于应力集中处容易出现疲劳裂纹，主要表现在：（1）U肋对接焊缝。由于复杂的受力，使U肋逐渐弯曲、变形，而通常会在车行地方出现疲劳裂纹。在钢箱梁的顶板与U肋的接缝处，由于较大局部的反复受力，使中部的顶板与U肋同时发生变形，通常会出现疲劳裂纹，甚至贯通。（2）U肋与横隔板焊接处。U肋过焊孔横隔板开裂也是一种常见的钢箱梁病害，主要由正交异性钢桥面板承受重型荷载时，局部的较大应力所引起的疲劳裂纹，通常出现在焊缝的根部。从实际情况分析，横隔板的局部应力主要由荷载量的直接作用与横隔板上各个U肋穿孔所形成的悬臂梁效应两个部分构成。在持续的活载作用下，加之U肋过焊孔出横隔板出现的应力集中状况，最终造成了钢箱梁的疲劳裂纹出现。这一类的裂纹出现，与建造时的焊接质量有着很大关系，可以采用开坡口补焊或者打磨重熔法进行处理。（3）U肋与顶板焊接处。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆U肋与顶板焊接处的应力结构较为复杂，由于车辆荷载的反复作用，桥面板与U肋往往会产生局部挠曲变形，而这种变形的连续性又会引发相邻部位的变形，最终导致了疲劳裂纹的出现，主要表现在焊缝的根部、焊缝趾部，并逐渐贯穿。由于U肋的变形，使桥面板也产生一定变形，造成两者之间的焊缝处发生次弯矩，而在U肋的焊趾处形成了较大的应力集中，从而最终形成疲劳裂纹。（4）横隔板与顶板的焊接处。（5）纵隔板与顶板的焊接处。（6）顶板的对接焊缝。其中前三个部位的接缝是裂缝出现的最为集中的区域[2]。
此外，由于积水、涂层脱落所引起的钢板锈蚀也是钢箱梁的主要病害之一。在桥面上进行路灯安装时，相关工作人员并没有做好防水处理，从而使雨水经由路灯的底座与桥面板的连接孔流入钢板箱形梁内造成钢板的锈蚀。对此我们可以采用环氧树脂封闭螺栓孔及电线孔，对锈蚀区域进行处理。
3.悬索桥钢箱梁处治方法研究
3.1 止裂孔
止裂孔，一般情况下，适用于各种板材、型材的边角，细小裂缝由外向内里延伸的端部。例如钢结构的焊缝两端附近的板材、钢结构倒过圆角的部分等。其主要作用是为了防止细小裂纹的继续扩展，以保证板材型材等的不部分的完整性。通过在裂缝端部或延伸方向打个小洞（其大小根据裂缝情况而不同），然后直接将裂缝焊接或者碳刨后焊接，并把小洞的正反面都焊接好。由此，我们可以看到
止裂孔的处治方法在操作上较为简单，能够在短时间内完成。在钢结构的加固中，是一种常用的应急处治措施[3]。
3.2 焊接修复
面对钢结构的裂纹，焊接修复法是一种常规的修复方法，通过刨除原有裂纹缺陷，同时开坡口，在打磨清理坡口的表面，运用气体保护焊对其进行重新焊接。具体来讲主要有开坡口补焊、打磨重熔法两种，前一种方法是钢结构中的针对竖向裂纹，而后一种是针对焊趾处开裂所采取的焊接修复。由于在施工过程中，钢箱梁是以全焊接的方式连接而成，焊接的质量直接影响着钢箱梁的质量。另外，施工质量难以得到保证，而焊接的高温也会对结构造成一定的影响，从而容易引起裂纹的产生。
3.3 栓接钢板补强
栓接钢板的补强，主要是指在母材开裂部位采用一种强螺栓拼接钢板或者角钢加强板件的连接，以有效提高局部钢板的强度，增加其应力的承受强度，从而有效地限制了桥板面的弯曲变形。并且荷载经由加设的钢板路径有效传递，有利于减少裂纹处的应力集中程度，从而延缓钢箱梁疲劳裂纹的出现。这一方法，使钢桥板面的抗疲劳性能得到一定提高，但是在另一方面由于栓接方式的原因会在栓孔位置出现新的应力集中区域。
3.4 对桥面板合理铺装
从实际情况来看，钢桥的面板局部过大容易造成桥面铺装出现病害，从而引起桥面板局部受力过多，产生一定的裂纹，形成一种恶性循环。数据表明，提高桥面铺装弹性规模值并提高其整体刚度，能够有效改善钢桥面板的受力状况。例如，有学者提出可以使用超高性能的混凝土材料，进行一定的优化组合，而在实际的桥梁修复中也取得了较好的效果。这一方法，就目前来讲是从根源上解决疲劳裂纹中较为可行的方向。
3.5 加固方案的选择
在社会经济迅速发展的过程中，城市的交通压力越来越大，对于桥梁的相关修复工作很难以中断交通的方式进行，通常会采用止裂孔、焊接修复以及栓接钢板补强的工艺进行一定作业。虽然，这些方法在前期投入较少，能够在一定程度上延缓疲劳裂纹的发生，但很难从根本上解决这一问题，在后期仍然需要不断地修复作业。从长远角度来看，要延伸钢箱梁的疲劳寿命，可以将对焊缝的裂纹通过焊接修复延伸至母材的裂纹，根据不同情况采用止裂孔或者焊接修复，同时辅以钢板补强，对于破损的桥面铺装及时更换并采用较高性能的辅装材料。这样的方法虽然需要较高的投入，且施工时间长，但却能显著改变钢箱梁的受力状况，延长维修时间的间隔，从而较大程度地延长钢箱梁的疲劳寿命。
5.结束语
悬索桥的钢箱梁结构中，钢箱梁在大跨度缆索支撑桥中有着重要的意义，并广泛应用于各个大型桥梁工程项目中。目前，钢箱梁的病害表现在疲劳裂纹、涂层劣化等方面，但是其主要问题还是集中于钢箱梁的疲劳开裂。通过钢箱梁疲劳病害及其成因的分析，我们知道疲劳裂纹是由焊接质量、桥面构造等多方面引起的。在采取相应的措施之前，应当有效了解加固原理，根据疲劳裂纹的原因类型不同，制定适当的处治方案。
【参考文献】
[1]陈卓异,李传习,柯璐,刘永明,林继乔. 某悬索桥钢箱梁疲劳病害及处治方法研究[J]. 土木工程学报,2017,50(03):91-100.
[2]钟华栋. 浅谈大跨度钢箱梁悬索桥典型病害及研究[J]. 四川建材,2017,43(07):138-139.
[3]陈子壕,雷建平. 某公路大桥钢箱梁裂纹成因分析及处治对策[J]. 交通科技,2017(05):53-55.
论文作者:张同文
论文发表刊物:《防护工程》2019年9期
论文发表时间:2019/8/12
标签：裂纹论文; 疲劳论文; 病害论文; 桥面论文; 悬索桥论文; 横隔论文; 顶板论文; 《防护工程》2019年9期论文;