(福建工程學(xué)院 土木工程學(xué)院， 福建 福州 350118)

0 前言

斜拉橋的跨越性能較好，而且箱型結(jié)構(gòu)抵抗風(fēng)力的性能又較強(qiáng)，所以二者相互結(jié)合使得斜拉橋鋼箱梁成為了大跨度橋梁的重要選擇方案。當(dāng)前采用鋼箱梁的橋型呈現(xiàn)出跨徑越來越大、結(jié)構(gòu)越來越輕的發(fā)展趨勢，這樣有利于材料的節(jié)省，但斜拉橋鋼箱梁由于不斷承受高頻變幅荷載的沖擊，容易產(chǎn)生頻率裂紋，使得大跨徑斜拉橋鋼箱梁的壽命降低[1]。正交異性橋面板雖然有很多優(yōu)勢，比如承載力好、本身自重輕等，但因其構(gòu)造較復(fù)雜，需要焊接的部位太多，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，且其受力不順暢，各應(yīng)力的影響線也較短，最終會(huì)出現(xiàn)疲勞開裂等問題[2]。

國外較早在大跨徑斜拉橋的主梁上應(yīng)用鋼箱梁，如英國的賽文橋、日本多多羅橋等；而國內(nèi)在20世紀(jì)80年代之后才開始采用[3]；目前，全球比較有名的十大斜拉橋國內(nèi)就占了8座，見表1，典型的有江蘇的蘇通大橋、南京的長江二橋以及三橋等。除了這些已建成的斜拉橋，在建的江蘇滬通長江大橋主跨也是達(dá)到了1 092 m。此外，全球十大懸索橋中國占了5座，見表2，其中武漢的楊泗港長江大橋僅次于日本明石海峽大橋，主跨長度為1700 m。

中國經(jīng)濟(jì)日益壯大，基礎(chǔ)設(shè)施的投入也不斷加大，交通量、車輛總重以及車輛速度都大幅提高，車輛的超載超限運(yùn)輸嚴(yán)重?fù)p壞公路基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)橋梁的壽命也產(chǎn)生很大影響，尤其是鋼橋面板的疲勞問題突出，有些大跨徑斜拉橋鋼箱梁的使用壽命未達(dá)到1/2就產(chǎn)生嚴(yán)重的裂縫、疲勞損傷，甚至破壞。

表1 世界上著名的十大斜拉橋序號(hào)橋梁名稱橋式主跨長度/m建成年份1蘇通長江大橋斜拉橋1 08820082香港昂船洲大橋斜拉橋1 01820093鄂東長江大橋斜拉橋92620104日本多多羅橋斜拉橋89019995法國諾曼底大橋斜拉橋85619956南京長江三橋斜拉橋64820057南京長江二橋斜拉橋62820018白沙洲長江大橋斜拉橋61820019青洲閩江大橋斜拉橋605200110上海楊浦大橋斜拉橋6021993

表2 世界上著名的十大懸索橋序號(hào)橋梁名稱橋式主跨長度/m建成年份1日本明石海峽大橋懸索橋1 99119982楊泗港長江大橋懸索橋1 70020193舟山西堠門大橋懸索橋1 65020094丹麥大伯爾特橋懸索橋1 62419965潤揚(yáng)長江公路大橋懸索橋1 49020056英國亨伯爾橋懸索橋1 41019817江陰長江公路大橋懸索橋1 38519998香港青馬大橋懸索橋1 37719979美國維拉扎諾橋懸索橋1 298196410美國金門大橋懸索橋1 2801937

疲勞損傷問題不僅出現(xiàn)在國內(nèi)，國外也一樣，當(dāng)橋梁建成通車后，就會(huì)產(chǎn)生局部的疲勞裂縫[4-5]。英國、美國、法國、日本等國家都出現(xiàn)過大跨徑斜拉橋鋼箱梁橋面板疲勞破壞的問題，中國也不例外，如杭州灣大橋、桃夭門大橋等[6-8]。

綜上可知，大跨徑斜拉橋鋼箱梁疲勞破壞的問題與日俱增，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)這些破壞形式、疲勞開裂的評(píng)定和加固方法進(jìn)行了深入研究，但在大跨徑斜拉橋鋼箱梁疲勞破壞的具體評(píng)估方式和修復(fù)方法中缺乏一個(gè)整體性方案。因此，本文通過對(duì)大跨徑斜拉橋鋼箱梁疲勞破壞的方式、評(píng)定以及修復(fù)問題進(jìn)行探討，總結(jié)出大跨徑斜拉橋鋼箱梁疲勞問題的加固與修復(fù)技術(shù)，可為今后大跨徑斜拉橋鋼箱梁的疲勞損傷修復(fù)問題提供一定的指導(dǎo)和借鑒。

1 鋼箱梁疲勞破壞形式

以天津海河大橋?yàn)槔?，該橋位于天津市濱海新區(qū)，于2002年開始使用，是一座鋼混合型大跨徑斜拉橋，主跨為310 m；該橋在主孔位置采用鋼箱梁，是為了提高該橋的跨越性能，長度為289.2 m；該橋緊挨著天津港的散貨物流中心以及臨港的工業(yè)區(qū)，成為該地區(qū)重要的交通道路，又因其地理位置比較特殊，所以很多中型以及大型貨車都要經(jīng)過此橋，隨著疲勞損傷的不斷累積，最終導(dǎo)致該橋出現(xiàn)以下幾種破壞形式。

1.1 橫隔板開裂

該橋的橫隔板開裂集中于中空式的橫隔板上方，裂紋大部分出現(xiàn)于U型肋焊縫處以及橫隔板加勁肋的上部[9]。如圖1所示，橫隔板的開裂一般出現(xiàn)于2、3、4、5、6的區(qū)間內(nèi)；從圖2可以看出，裂縫從橫隔板與U型肋連接處向兩側(cè)不斷擴(kuò)大，將會(huì)影響周邊的連接。

圖1 橫隔板裂縫分布區(qū)

圖2 橫隔板裂縫

1.2 U型肋開裂

橫隔板和U型肋之間的裂紋會(huì)出現(xiàn)于起焊段；鋼箱梁內(nèi)的腳趾焊縫也存在病害問題[9]。U型肋與頂板間焊縫部位出現(xiàn)的疲勞裂縫數(shù)目較多，是疲勞破壞較為嚴(yán)重的位置，危害性也是較大的。U型肋與頂板間焊縫開裂位置見圖3。

U型肋中的腹板開裂也是比較常見的問題，應(yīng)該特別注意裂縫的變化，避免出現(xiàn)疲勞問題。此外，焊縫缺陷大多數(shù)產(chǎn)生于頂板U肋和橫隔板之間，橫隔板上的焊縫會(huì)因焊縫不完整而出現(xiàn)焊縫位置開裂的現(xiàn)象。

圖3 U型肋與頂板間焊縫開裂位置

1.3 橋面板開裂

橋面板開裂有發(fā)生在順橋方向，也有發(fā)生在橫向方向，順橋方向主要發(fā)生在橫隔板的交接處，而橫向集中于U肋處[9]。除了天津海河大橋外，Second Van Brienenoord橋、軍山長江大橋以及蘇通長江大橋等橋梁均在通車幾年后，橋面板不同程度地出現(xiàn)疲勞裂縫，最終導(dǎo)致橋面板需要全方面的維修。Second Van Brienenoord橋橋面板的疲勞裂縫見圖4。

圖4 Second Van Brienenoord橋頂板裂縫

2 鋼箱梁破壞成因分析

2.1 橫隔板的裂縫成因

橫隔板產(chǎn)生裂縫是因?yàn)闃蛎姘宄惺苓^重的活荷載，導(dǎo)致該部位的應(yīng)力集中，從而發(fā)生疲勞破壞。橫隔板裂縫區(qū)的應(yīng)力由兩方面產(chǎn)生：一是由于輪載作用于橋面板上，使橋面板局部累積過大的應(yīng)力；二是橫隔板上某些部位形成懸臂梁而引起應(yīng)力集中現(xiàn)象[10]。

2.2 U型肋的裂縫成因

因車輪荷載直接作用于U型肋和鋼箱梁頂板上，使得在大跨徑斜拉橋鋼箱梁頂板與U型肋的中部產(chǎn)生撓曲現(xiàn)象，引發(fā)該焊縫處出現(xiàn)疲勞裂縫；在豎向輪載不斷重復(fù)作用下，端部的鋼箱梁橋面板與U型肋的焊縫接口處產(chǎn)生過大的固端彎矩，而應(yīng)力集中現(xiàn)象也較突出，最終發(fā)生疲勞破壞[11]。現(xiàn)場檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)U肋腹板和橫隔板之間的角焊縫往往未能在上下端焊趾處形成包角，或包角焊縫存在明顯缺陷，且焊縫表面未進(jìn)行修磨，最終將陸續(xù)引起同類疲勞裂縫[12]。出現(xiàn)焊縫缺陷大部分是因焊縫未焊實(shí)、缺焊以及焊縫不密實(shí)所引起。

2.3 橋面板裂縫成因

大跨徑斜拉橋鋼箱梁橋面板與U型肋在豎向活荷載不斷重復(fù)作用下會(huì)產(chǎn)生撓曲現(xiàn)象，引起某部位變形，甚至引起橋面板的上部變形，影響行車；大跨徑斜拉橋鋼箱梁橋面板與U型肋角焊縫的焊跟處、焊趾處會(huì)發(fā)生次彎矩[11]。人為、溫度、剛度不足等因素也會(huì)造成橋面板壽命降低，甚至引起橋面板破壞。

2.4 設(shè)計(jì)構(gòu)造因素

與設(shè)計(jì)構(gòu)造因素相關(guān)的主要為鋼箱梁鋼材種類、橋面板厚度、底板厚度、縱向加勁肋厚度及型式、橫隔板鋼板厚度及型式等主要設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇[13]。

3 鋼箱梁疲勞破壞的評(píng)估

大跨徑斜拉橋鋼箱梁出現(xiàn)疲勞開裂是因?yàn)樵撎幱邢喈?dāng)大的應(yīng)力或生產(chǎn)時(shí)存在缺陷等；鋼箱梁因其構(gòu)造較復(fù)雜，需要焊接的部位多，開孔的數(shù)目也多，難以避免出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象以及初始裂紋的問題，所以使用鋼箱梁時(shí)要注意焊接部位，焊接部位都是比較敏感的部位，稍有不慎就會(huì)引起疲勞破壞問題[3]。大跨徑斜拉橋鋼箱梁在運(yùn)營時(shí)，一直承受由重型車輛引起的隨機(jī)荷載作用，鋼箱梁的局部不斷累積損傷，使得大跨徑斜拉橋鋼箱梁橋面板出現(xiàn)新的疲勞裂縫，并且會(huì)使已經(jīng)開裂的裂縫不斷擴(kuò)展，隨著作用的增加，最終大跨徑斜拉橋鋼箱梁會(huì)在毫無征兆的情況下發(fā)生破壞[13]。所以，對(duì)大跨徑斜拉橋鋼箱梁的疲勞狀況進(jìn)行評(píng)估是非常重要的。

大跨徑斜拉橋鋼箱梁疲勞破壞的評(píng)估需要通過準(zhǔn)確的荷載譜、疲勞損傷的相應(yīng)理論、材料屬性等因素[3]。當(dāng)前，國內(nèi)外的一些規(guī)范都對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)做了相應(yīng)的規(guī)定，主要有2種方法：一是基于 Miner線性累計(jì)損傷法則的S-N曲線法[14]，這種方法在現(xiàn)階段比較常用；二是基于斷裂力學(xué)的損傷容限法，該方法起源于航空領(lǐng)域，目前已廣泛應(yīng)用于老化鋼箱梁的壽命評(píng)估[15]。表3為現(xiàn)有規(guī)范采用的評(píng)價(jià)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表3 現(xiàn)有規(guī)范的評(píng)價(jià)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)規(guī)范名稱評(píng)價(jià)方法理論基礎(chǔ)評(píng)價(jià)指標(biāo)是否適用于鋼箱梁GB 50017—2003S-N曲線法Miner法則疲勞累計(jì)損傷度 是BS 7910—2005質(zhì)量分類法斷裂力學(xué)法斷裂力學(xué)斷裂力學(xué)疲勞累計(jì)損傷度 是Eurocode 3S-N曲線法Miner法則疲勞累計(jì)損傷度 是AASHTO-LRFDS-N曲線法Miner法則疲勞累計(jì)損傷度 是

BS 7910—2005《金屬結(jié)構(gòu)缺陷驗(yàn)收評(píng)定方法導(dǎo)則》[16]完整詳述了金屬結(jié)構(gòu)因缺陷破壞的評(píng)定準(zhǔn)則，對(duì)大跨徑斜拉橋鋼箱梁疲勞破壞的評(píng)估有一定的參考意義。另外，要使鋼結(jié)構(gòu)的破損程度得到直觀表達(dá)，就應(yīng)該根據(jù)相應(yīng)的評(píng)估方法采用對(duì)應(yīng)的評(píng)估指標(biāo)，并且劃分出評(píng)估的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可參考表4。

表4 疲勞損傷評(píng)價(jià)等級(jí)疲勞累計(jì)損傷度 D劣化等級(jí)檢查措施D<0.2A一般檢查0.2≤D<0.5B重點(diǎn)檢查0.5≤D<0.8C定點(diǎn)檢查0.8≥D<1.0D盡早檢查D≥1.0E立即維修

根據(jù)以上評(píng)價(jià)方法所選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)雖然沒有考慮結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，但通過以上介紹的方法對(duì)結(jié)構(gòu)的壽命評(píng)估具有一定的參考價(jià)值。

4 鋼箱梁疲勞破壞的加固方法

大跨徑斜拉橋鋼箱梁在投入使用后，要定期對(duì)鋼箱梁進(jìn)行檢查，確保鋼箱梁橋能夠正常運(yùn)營，同時(shí)也是保證橋梁能夠達(dá)到正常壽命范圍。目前比較常用的檢測方法有以下兩方面：一是目視法，目視法簡易，但缺陷也明顯，只能檢測外部的裂縫，而不能檢測到內(nèi)部的；二是射線、滲透、超聲波等探傷法，采用探傷法可以有效檢測裂縫的位置及大小，對(duì)提高橋梁壽命有很大的幫助。大跨徑斜拉橋鋼箱梁在檢測出疲勞開裂后要及時(shí)地進(jìn)行加固修復(fù)，以下歸納了大跨徑斜拉橋鋼箱梁疲勞破壞的加固方法。

4.1 角撐板補(bǔ)強(qiáng)法

角撐板補(bǔ)強(qiáng)法是指當(dāng)兩U型肋之間的橋面板向下?lián)锨鷷r(shí)，先對(duì)裂縫進(jìn)行修補(bǔ)，然后在加勁肋與鋼箱梁橋面板之間的下端安裝帶有挖孔的三角形鋼板，如圖5所示。角撐板補(bǔ)強(qiáng)法有助于緩解該裂縫區(qū)的變形以及受力情況[17]。

圖5 角撐板補(bǔ)強(qiáng)法

4.2 裂縫焊合法

裂縫焊合法適用于疲勞裂縫貫穿鋼板，且裂縫處較為狹窄及平順時(shí)；采用裂縫焊合法要先對(duì)裂縫進(jìn)行切割以及打磨，打磨出一定的坡口再進(jìn)行焊接，其中要注意的是坡口位置的選擇，如果選擇鋼板的上側(cè),就需要挖開橋面板鋪裝層，如果選擇鋼板的下側(cè),則可以避免，但工人不好施工，所以最終的選擇方案還是需要通過現(xiàn)場檢測后決定[17]。

4.3 鋼板補(bǔ)強(qiáng)法

鋼板補(bǔ)強(qiáng)法是指在裂縫區(qū)使用相同的鋼板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，之后可選螺栓固定或者焊接焊合的方法把鋼板加固到鋼箱梁橋面板上；因構(gòu)件的差異，可選用單面或雙面加固。鋼板補(bǔ)強(qiáng)法可以修補(bǔ)該處的裂紋，還能提高裂紋處的剛度，從原理上說是最有效的補(bǔ)強(qiáng)方法，但也有不利的地方，其一是選用上下側(cè)補(bǔ)強(qiáng)鋼板時(shí)，作業(yè)難度大；其二是選用螺栓加固時(shí)，鉆孔難度大[17]。

4.4 止裂孔法

止裂孔法[17]是指在開裂區(qū)的最尖端打孔，通過打孔減緩該處的受力情況，阻止裂縫的延伸，如圖6所示。止裂孔法常用于鋼結(jié)構(gòu)的維修，還可與裂縫焊合、鋼板補(bǔ)強(qiáng)等方法一起使用，能更好地改善鋼板的開裂。

圖6 止裂孔法

4.5 裂縫沖擊閉合技術(shù)(ICR)

裂縫沖擊閉合技術(shù)(ICR)[18-19]是當(dāng)前較為新奇的修復(fù)技術(shù)，該技術(shù)可以減輕開裂區(qū)的受力狀況，可使裂縫口閉合，還有助于減緩疲勞裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展;但是國內(nèi)起步較晚，現(xiàn)階段還處于試驗(yàn)研究，很少投入到實(shí)際工程當(dāng)中，最終研究的成果能否滿足實(shí)橋應(yīng)用，還有待進(jìn)一步的深入探索。

4.6 U肋替代嵌補(bǔ)法和U肋幫襯加固法

U肋替代嵌補(bǔ)法和U肋幫襯加固法一般適用于U肋斷裂的情況[11]。U肋替代嵌補(bǔ)法是指將開裂區(qū)的U型肋割除，切割面必須是垂直的，然后進(jìn)行打磨，最后采用相同材料的U型肋進(jìn)行嵌補(bǔ)焊縫；U肋幫襯加固法是指先對(duì)裂縫區(qū)進(jìn)行修復(fù)，然后打磨，最后采用特制U型肋幫襯段進(jìn)行現(xiàn)場幫襯段與原U型肋周邊的圍焊。

4.7 SPS補(bǔ)強(qiáng)法

SPS(Sandwich Plate System)補(bǔ)強(qiáng)法,是指采用夾芯板加固構(gòu)件的方法，即在原頂板與補(bǔ)強(qiáng)鋼板之間加入彈性較高的聚氨酯材料[17]，如圖7所示。從原理上說，SPS補(bǔ)強(qiáng)法加固橋面比原橋面板的耐疲勞性能好。

圖7 SPS補(bǔ)強(qiáng)法

4.8 粘貼或栓接彎曲成型鋼板

粘貼或栓接彎曲成型鋼板[17]是當(dāng)前比較新穎的加固方法，該方法是將制作成型的鋼板，使用相應(yīng)的粘貼劑或者螺栓固定在裂縫區(qū)，再將環(huán)氧樹脂涂抹到鋼板上，用于保護(hù)鋼板。因成型鋼板的防腐蝕性能較差，所以該方法還有待進(jìn)一步深入研究。

4.9 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固法

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer Plastic，簡稱FRP)[20]是當(dāng)前較為新奇的加固材料，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)眾多，比如重量較輕、抗腐蝕性較好、材料的強(qiáng)度較大等，目前也已廣泛應(yīng)用于鋼箱梁疲勞破壞的加固，常用的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有GFRP(玻璃纖維)、CFRP(碳?；祀s纖維)、C/GFRP (碳玻混雜纖維布)等。試驗(yàn)表明，采用碳?；祀s纖維布加固法可以有效提高構(gòu)件的壽命。

4.10 工程應(yīng)用

武漢軍山長江大橋坐落于湖北省武漢市，是一座特大型鋼箱梁斜拉橋，全長為4 881.18 m，該橋采用焊接流線形的鋼箱梁，主索塔使用分離式的倒“Y”形狀。軍山長江大橋于2001年開始運(yùn)營，通車后因該橋日均通行量超過3萬輛，高峰期甚至達(dá)到4萬輛，以中型貨車及大型貨車為主，導(dǎo)致該橋承載力不足，全橋多處出現(xiàn)鋼箱梁疲勞裂縫[21]。

軍山長江大橋于2017年7月—2018年12月進(jìn)行全封閉式維修，此前都是日常維修。軍山長江大橋修復(fù)采用的方法有裂縫焊合法、鋼板補(bǔ)強(qiáng)法等，如在橋面板疲勞裂縫貫穿鋼板時(shí)采用裂縫焊合法[22]。如圖8所示，通過該方法可以及時(shí)修復(fù)裂縫，避免裂縫不斷擴(kuò)大。

圖8 橋面板裂縫焊合

5 結(jié)語

本文針對(duì)大跨徑斜拉橋鋼箱梁疲勞破壞的形式進(jìn)行總結(jié)，分析其破壞的成因，并闡述大跨徑斜拉橋鋼箱梁疲勞破壞的評(píng)估方法，最后對(duì)大跨徑斜拉橋鋼箱梁疲勞破壞的加固方法進(jìn)行整合，得出以下結(jié)論：

1) 大跨徑斜拉橋鋼箱梁的橫隔板開裂集中于中空式的橫隔板上方，橫隔板與U型肋連接處的裂縫易向兩側(cè)延伸，鋼箱梁內(nèi)的腳趾焊縫也存在病害問題，需要多加關(guān)注。

2) 因輪壓荷載不斷作用下，使得橋面板、橫隔板、U型肋這3處的應(yīng)力較大，從而導(dǎo)致大跨徑斜拉橋鋼箱梁疲勞開裂；出現(xiàn)焊縫缺陷多數(shù)是因焊縫未焊實(shí)、缺焊以及焊縫不密實(shí)所引起。

3) 大跨徑斜拉橋鋼箱梁疲勞破壞的評(píng)估方法有S-N曲線法和損傷容限法，S-N曲線法是現(xiàn)階段比較成熟的一種方法，而損傷容限法目前也廣泛應(yīng)用于老化鋼箱梁的壽命評(píng)估。

4) 大跨徑斜拉橋鋼箱梁疲勞破壞常用的加固方法有止裂孔法、SPS補(bǔ)強(qiáng)法、U肋替代嵌補(bǔ)法和U肋幫襯加固法等。近幾年提出了新的修復(fù)技術(shù)，如裂縫沖擊閉合技術(shù)(ICR)、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固法、粘貼或栓接彎曲成型鋼板法等，這些加固方法可為今后大跨徑斜拉橋鋼箱梁的加固提供一定的參考和借鑒，但新技術(shù)還有待進(jìn)一步深入研究。