陳 欣,吉伯海,李心誠,謝曙輝

(1.河海大學土木與交通學院，江蘇 南京 210098；2.江蘇高速公路工程養(yǎng)護技術(shù)有限公司研發(fā)部，江蘇 南京 211106)

我國長大橋梁的數(shù)量和規(guī)模位居世界前列，且仍有一批大跨橋梁在建設(shè)或規(guī)劃中，如滬通長江大橋、南京長江六橋等。鋼箱梁因具有自重輕、抗扭剛度大、抗風穩(wěn)定性好等優(yōu)點，為長大橋梁常用的主梁形式[1-3]。但鋼箱梁構(gòu)造復(fù)雜、焊縫眾多、焊接殘余應(yīng)力問題突出，在車輪荷載的反復(fù)作用下極易產(chǎn)生疲勞開裂[4-6]。疲勞裂紋對鋼橋面鋪裝的耐久性能以及鋼箱梁整體結(jié)構(gòu)的運營安全不利，需有效開展針對性的養(yǎng)護工作。鋼箱梁焊縫檢查是日常養(yǎng)護的重要工作之一，也是開展疲勞裂紋維護工作的重要基礎(chǔ)。目前，目視檢查、磁粉檢測、超聲波檢測是常用的焊縫檢查手段，其中目視檢查應(yīng)用最為普遍。但鋼箱梁焊縫數(shù)量極多，焊縫檢查工作難以覆蓋每一條焊縫，因此在實際檢查工作中通常針對易疲勞開裂的焊縫細節(jié)進行檢查。盡管如此，鋼箱梁焊縫檢查工作量仍較大，難以高效開展。因此，確定鋼箱梁焊縫的重要性分級，可為焊縫檢查工作提供指導，有效降低養(yǎng)護成本。

焊縫疲勞強度是評估鋼箱梁焊縫重要性的重要指標之一。文獻[7]基于鋼橋面板各構(gòu)造細節(jié)的疲勞強度試驗結(jié)果，依據(jù)Eurocode 3對焊縫類型進行了分類；文獻[8]采用了BS5400建議的評估方法，基于頂板與U肋焊縫、U肋對接焊縫等細節(jié)的試驗數(shù)據(jù)，對焊縫分類做了進一步研究。上述研究得到的焊縫分類以疲勞強度為單一評估指標，未考慮全橋結(jié)構(gòu)特征、車輛荷載差異等因素的影響，因此未能體現(xiàn)分布于鋼箱梁不同位置的同類型焊縫的重要性差異。2007年，日本鋼結(jié)構(gòu)委員會對日本首都高速公路和阪神高速公路鋼橋面板的疲勞裂紋進行了統(tǒng)計，結(jié)果表明橫隔板與U肋焊縫、U肋對接焊縫、頂板與U肋焊縫、頂板與腹板豎向加勁肋焊縫處的疲勞裂紋數(shù)量分別占裂紋總數(shù)的56.3%、3.6%、9.7%、20.9%。江陰長江公路大橋鋼箱梁疲勞裂紋統(tǒng)計結(jié)果表明，裂紋集中分布于重車道頂板焊縫，且90%以上的裂紋位于頂板與U肋焊縫部位[9]。但對于斜拉橋鋼箱梁而言，縱隔板焊縫裂紋、橫隔板弧形缺口裂紋較為常見，而頂板與U肋焊縫裂紋相對較少[10]。由此可見，鋼箱梁焊縫疲勞裂紋與橋梁類型、焊縫所處位置、焊縫特征等因素有關(guān)，在鋼箱梁焊縫重要性分級中應(yīng)合理考慮。

本文基于鋼箱梁焊縫位置特征、構(gòu)造細節(jié)疲勞強度、焊縫特征三類評級指標，提出了鋼箱梁控制截面、鋼箱梁行車道荷載放大系數(shù)、焊縫疲勞強度及焊縫特征折減系數(shù)4種具體的評定參數(shù)，建立了鋼箱梁焊縫重要性等級評定方法。基于上述方法，對江陰大橋鋼箱梁焊縫的重要性等級進行了評估，并于其疲勞裂紋實際分布特征進行了對比，對該方法的適用性進行了分析。

1 評級指標的確定

1.1 位置特征

焊縫所處鋼箱梁位置可分為縱橋向位置、橫橋向位置和豎向位置三類?？v橋向位置為懸索橋的各計算控制截面位置，表征鋼箱梁整體受力特性；橫橋向位置主要為重車道、混合車道、輕車道和停車道，表征汽車荷載作為附加荷載對鋼箱梁局部的影響；豎向位置主要為箱梁橋面板和箱梁底板。

縱橋向關(guān)鍵位置可通過全橋的動力響應(yīng)分析確定。以江陰長江公路大橋為例，其低階振型以梁體的側(cè)彎、豎彎為主。正對稱側(cè)彎時，自振頻率為0.050 7Hz，跨中截面位移較大；反對稱豎彎時，自振頻率為0.090 1Hz，四分之一跨截面位移較大；反對稱側(cè)彎時，自振頻率為0.119 8Hz，四分之一跨截面位移較大；正對稱豎彎時，自振頻率為0.127 5Hz，跨中截面位移較大。梁體豎彎時，主要在鋼箱梁的頂?shù)装瀹a(chǎn)生拉壓應(yīng)力；梁體側(cè)彎時，主要在鋼箱梁的腹板產(chǎn)生拉壓應(yīng)力，頂板橫向位置在對應(yīng)重車道及停車道位置產(chǎn)生拉壓應(yīng)力；梁體扭轉(zhuǎn)時，會在整個鋼箱梁截面邊緣產(chǎn)生剪切應(yīng)力。由此可以總結(jié)出各截面的相對易變形程度和重要性程度，由高到低依次為四分之一跨截面、跨中截面、八分之一跨截面(八分之三跨截面)。

對于橫橋向關(guān)鍵位置，可基于實際裂紋分布情況確定。江陰長江公路大橋的疲勞裂紋主要分布在重車道，其次為混合車道，而輕車道、停車道的裂紋數(shù)量相對較少。同時，某大跨懸索橋鋼箱梁疲勞裂紋調(diào)查結(jié)果表明，停車道的疲勞裂紋數(shù)量高于輕車道。由此可確定橫橋向焊縫的重要性程度，由高到低依次為重車道、混合車道、停車道、輕車道。

對于豎向位置，由于鋼箱梁頂板直接承受車輪荷載，疲勞裂紋常見于頂板焊縫部位，而底板焊縫一般不會出現(xiàn)疲勞裂紋。因此在焊縫重要性評級時忽略了豎向位置的影響。

1.2 構(gòu)造細節(jié)疲勞強度

焊縫疲勞強度是影響疲勞開裂的主要因素之一，在焊縫重要性評級過程中應(yīng)合理考慮。依據(jù)鋼箱梁疲勞裂紋統(tǒng)計結(jié)果，鋼橋面板易產(chǎn)生疲勞開裂的細節(jié)主要包括頂板與U肋焊縫、橫隔板弧形缺口、U肋對接焊縫、橫隔板與U肋焊縫及橫隔板與橋面板焊縫。依據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》(JTG D64-2015)[12]，頂板與U肋焊縫的疲勞細節(jié)類別為50，橫隔板與橋面板焊縫、橫隔板弧形缺口、U肋對接焊縫的疲勞細節(jié)類別為70，橫隔板與U肋焊縫的疲勞細節(jié)類別為80。

1.3 焊縫特征

鋼箱梁在工廠內(nèi)分塊、分節(jié)段制造形成板單元，板單元制造后組拼成鋼箱梁節(jié)段，最后總拼成箱梁整體。鋼箱梁焊縫主要分為對接焊縫和角焊縫。對接焊縫通常為開V型坡口的對接焊縫，由于對接撒焊縫是用于板材間的連接，截面形狀變化不明顯，基本不存在力流偏轉(zhuǎn)問題，應(yīng)力集中系數(shù)較小。角焊縫包括雙邊角焊縫和單邊角焊縫，雙邊角焊縫為K型坡口的T型焊接接頭，雖然存在力流偏轉(zhuǎn)問題，但是承受動態(tài)荷載的能力較強，單邊角焊縫為V型坡口的T型焊接接頭，存在力流偏轉(zhuǎn)問題且承受動態(tài)荷載的能力較差。

鋼箱梁結(jié)構(gòu)焊縫因施焊位置不同，可分為俯焊、立焊、橫焊和仰焊四種。俯焊的施焊工作方便，質(zhì)量好，效率高。立焊和橫焊是在立面上施焊的豎向和水平焊縫，生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量比俯焊的較差一些。仰焊是仰望向上施焊，操作條件最差，焊縫質(zhì)量不易保證。工廠內(nèi)加工鋼箱梁節(jié)段時，施焊形式多為俯焊、立焊和橫焊，焊縫質(zhì)量容易得到保障，主要涉及頂板與U肋焊縫、頂板與橫隔板焊縫、橫隔板與U肋焊縫等?，F(xiàn)場拼接時，由于鋼箱梁節(jié)段整體性大，造成箱梁內(nèi)側(cè)上方對接焊縫不得不采用仰焊方式，主要涉及U肋對接焊縫等，焊縫質(zhì)量相對較差。

2 評級方法

2.1 指標參數(shù)的確定

為了表示兩事物相對權(quán)重的對比，層次分析法用標度來量化判斷語言。標度的合理性是決策正確性的基礎(chǔ)。目前應(yīng)用最廣的標度是1-9標度法，如表1所示。

表1 1-9標度法

注：標度2，4，6，8為相隔標度間的緩沖標度。

運用1-9標度法，可確定各評級指標的參數(shù)值。用S表示鋼箱梁控制截面等級標度，η表示鋼箱梁行車道荷載放大系數(shù)，R表示鋼箱梁構(gòu)造細節(jié)疲勞等級標度，β表示鋼箱梁焊縫特征折減系數(shù)，則S、η、R、β的取值分別如表2～表5所示。其中，考慮到過焊孔處的頂板與U肋焊縫極易開裂，該疲勞細節(jié)的疲勞等級標度取值為2。

表2 鋼箱梁控制截面等級標度S

表3 鋼箱梁行車道荷載放大系數(shù)η

表4 鋼箱梁構(gòu)造細節(jié)疲勞等級標度R

表5 鋼箱梁焊縫特征折減系數(shù)β

2.2 評級方法

針對提出的三個指標，位置特征表征焊縫受力狀況，縱向位置特征反映鋼箱梁整體的位移變形和結(jié)構(gòu)動力受力特性；橫向位置特征反映汽車荷載的附加作用對鋼箱梁局部荷載的放大影響；構(gòu)造細節(jié)反映細部的抗力大小，表征焊縫的疲勞強度；而焊縫特征則根據(jù)焊縫工藝和質(zhì)量針對抗疲勞性能加以修正。據(jù)此提出評級公式，見式(1)。對于不同部位，不同細節(jié)的焊縫，根據(jù)評級公式計算出的結(jié)果，只表明不同焊縫的相對重要性。

(1)

式中：index為焊縫重要性指數(shù)；η為行車道荷載放大系數(shù)；S為鋼箱梁控制截面等級標度；β為焊縫特征折減系數(shù)；R為鋼箱梁構(gòu)造細節(jié)疲勞等級標度。

2.3 等級評定標度

根據(jù)各類焊縫對鋼箱梁的影響程度，可將焊縫重要性等級分為四類，如表6所示。焊縫重要性等級評定標度可根據(jù)焊縫重要性指數(shù)index確定。依據(jù)所提出的各指標具體參數(shù)，可得到index的最小值為0.8，最大值為7.5。因此，可得到1類～4類焊縫重要性等級評定標度所對應(yīng)的index區(qū)間為：[0.8，2.475)、[2.475，4.15)、[4.15，5.825)、[5.825，7.5]。據(jù)此，可計算實際橋梁結(jié)構(gòu)中各類焊縫的index值，評估該焊縫的重要性等級。

表6 焊縫重要性等級評定標度

3 評定實例分析

以江陰大橋四分之一跨焊縫為評定對象。對于過焊孔處頂板與U肋焊縫，焊縫類型為角焊縫，焊接方式為俯焊，其焊縫特征折減系數(shù)β為0.9，則依據(jù)表2～表4及式(1)可計算得到不同車道下頂板與U肋焊縫的index值分別為：4.44(輕車道)、5.33(混合車道)、6.67(重車道)、4.89(停車道)，即輕車道、混合車道、重車道、停車道頂板與U肋焊縫的重要性等級分別為3類、3類、4類、3類，表明重車道的頂板與U肋焊縫極易發(fā)生疲勞裂紋，對鋼箱梁安全性和耐久性影響較大，這與江陰大橋鋼箱梁的疲勞裂紋分布情況一致，如圖1所示。

圖1 江陰大橋裂紋分布情況對比

以江陰大橋八分之一跨重車道下的焊縫為評定對象，主要包括頂板與U肋焊縫、橫隔板與U肋焊縫、U肋對接焊縫及橫隔板弧形缺口，四類焊縫的焊縫特征折減系數(shù)均取0.9。同理計算得到四類焊縫的index值分別為：3.33(頂板與U肋焊縫)、1.33(橫隔板與U肋焊縫)、1.67(U肋對接焊縫)、1.67(橫隔板弧形缺口)，即頂板與U肋焊縫、橫隔板與U肋焊縫、U肋對接焊縫及橫隔板弧形缺口的重要性等級分別為2類、1類、1類、1類，仍然表現(xiàn)為頂板與U肋焊縫為疲勞重點部位，這與實橋裂紋分布統(tǒng)計結(jié)果一致。

依據(jù)上述計算方法可統(tǒng)計得到江陰大橋不同鋼箱梁截面各焊縫的標度，并制定成索引表，見表7所示。其他懸索橋鋼箱梁的焊縫重要性等級評定標度索引表可依據(jù)類似的方法計算得到。同時，該方法可推廣至斜拉橋鋼箱梁焊縫重要性等級的評定。

表7 江陰大橋焊縫等級評定標度索引表

4 結(jié)論

(1)鋼箱梁焊縫重要性評級時，除考慮焊縫疲勞強度外，還應(yīng)綜合考慮焊縫縱橋向、橫橋向位置，焊縫類型及焊接方式的影響。

(2)基于焊縫位置、焊縫疲勞強度及焊縫特征，提出了鋼箱梁控制截面、鋼箱梁行車道荷載放大系數(shù)、焊縫疲勞強度及焊縫特征折減系數(shù)4種評定參數(shù)，并建立了鋼箱梁焊縫重要性等級評定方法。

(3)以江陰大橋鋼箱梁為例，計算了鋼箱梁各焊縫的重要性等級，并與鋼箱梁裂紋實際分布情況進行了對比，表明該方法可適用于懸索橋鋼箱梁焊縫重要性等級的評估工作。