摘 要：裂紋是鋼箱梁典型病害之一，本文結(jié)合某鋼箱梁橋結(jié)構(gòu)檢測進行研究，在橋梁的檢測基礎(chǔ)上采用靜載試驗進行承載力的研究，從撓度和應(yīng)變分布角度來探究橋梁的結(jié)構(gòu)損傷性能。研究表面關(guān)鍵截面處采集的撓度和應(yīng)變試驗值分布較為規(guī)律，校驗系數(shù)為0.4～0.6之間，表明鋼箱梁橋的結(jié)構(gòu)強度和剛度均滿足設(shè)計要求。在探究鋼箱梁表面裂紋產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上進行養(yǎng)護措施的總結(jié)，旨在不斷維修橋梁的安全穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：鋼箱梁;靜載試驗;結(jié)構(gòu)檢測;養(yǎng)護措施

中圖分類號：U445.71 文獻標識碼：A

0 引言

鋼材具有強度高、韌性好等特點，自19世紀工業(yè)革命發(fā)明以來逐漸得到生產(chǎn)工藝優(yōu)化，被應(yīng)用于各類工業(yè)及建筑中。20世紀初，鋼材焊接技術(shù)極大促進了鋼材在特殊結(jié)構(gòu)中的生產(chǎn)和開發(fā)。隨著公路橋梁技術(shù)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)材料逐漸被應(yīng)用到橋梁建設(shè)項目中，對于大跨徑的懸索橋、斜拉橋等特殊結(jié)構(gòu)橋型，鋼材的材料和結(jié)構(gòu)安全設(shè)計也至關(guān)重要，需進行合理科學(xué)的力學(xué)分析。盡管鋼結(jié)構(gòu)的利用普及率較高，但對于其的結(jié)構(gòu)損傷檢測和評定技術(shù)卻缺乏系統(tǒng)研究，鋼結(jié)構(gòu)橋梁在長期的車輛荷載損傷疲勞后會存在性能衰減，主要體現(xiàn)在承載力水平下降，結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性劣化，極端情況下會直接造成結(jié)構(gòu)的失效和橋梁垮塌，因此，對鋼結(jié)構(gòu)橋梁的結(jié)構(gòu)健康檢測和安全評估就顯得尤為重要。蔡正東通過對火災(zāi)前后鋼結(jié)構(gòu)橋梁的下?lián)献冃魏陀捕冗M行測定，并建立了鋼結(jié)構(gòu)有限元橋梁模型，通過應(yīng)力和位移指標的變化對橋梁結(jié)構(gòu)進行安全評估分析。姚南基于現(xiàn)有的橋梁結(jié)構(gòu)損傷模型進行修正，并建立了基于動力響應(yīng)的鋼結(jié)構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)安全分析方法。雷俊卿結(jié)合具體懸索鋼結(jié)構(gòu)橋梁進行案例分析，從結(jié)構(gòu)安全的劣化、檢測評估和加固等角度進行研究，對提升橋梁的耐久性提供了經(jīng)驗參考。曾勇從鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞性能進行分析，從橋梁的結(jié)構(gòu)檢測、維修加固等環(huán)節(jié)進行了成本費用的評估。王虹斌將鋼結(jié)構(gòu)橋梁理論力學(xué)結(jié)果和動載實測下數(shù)值進行對比分析，總結(jié)了鋼箱梁橋梁的檢測方法和注意事項。上述研究表明，受鋼結(jié)構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)差異、服役環(huán)境不同等因素限制，結(jié)構(gòu)檢測和安全評估很難做到標準化，但基于有限元模擬和實測動載試驗結(jié)果仍舊能在一定程度上反映橋梁服役水平。本文以某鋼箱梁橋為例，進行鋼結(jié)構(gòu)的安全檢測和評估，旨在為相關(guān)研究提供理論支撐和經(jīng)驗參考。

1 工程概況

本研究針對某高架鋼箱梁橋進行試驗分析，橋梁的服役時間為21年，跨徑為30 m，橋梁的下部結(jié)構(gòu)采用獨柱式橋墩和預(yù)應(yīng)力蓋梁，橋梁橫斷面如圖1所示。

對鋼箱梁進行內(nèi)部病害的檢測分析，主要考察腹板裂紋的分布和發(fā)展規(guī)律，檢測人員要對日常巡檢過程中存在的裂紋病害進行定位，沿裂紋發(fā)展方向進行標記，采用裂紋觀測儀對裂紋的寬度進行測量，研究共發(fā)現(xiàn)鋼箱梁內(nèi)部縱向裂紋27條，裂紋的寬度分布如表1所示。鋼箱梁的裂紋病害主要集中在梁端至1/4跨處，裂紋長度從65～280 mm分布不等，其中，裂紋寬度小于0.1 mm的有16條，超出規(guī)范限定要求（0.2 mm）的有3條，對其進行進一步的裂紋深度探測，達35～62 mm不等，裂紋深度已超過保護層厚度，說明鋼箱梁內(nèi)部存在嚴重損傷的裂紋問題，會直接影響鋼箱梁結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。

鋼箱梁中裂紋的產(chǎn)生不是單一因素造成的，涂層的劣化、腐蝕也會在一定程度上加劇裂紋程度，相互關(guān)聯(lián)的關(guān)系如圖2所示。涂層的剝落會使得鋼材面的保護層失效，在雨水的侵蝕作用下會加劇鋼材腐蝕進而造成和加劇裂紋拓展，待裂紋對鋼箱梁造成結(jié)構(gòu)損傷時，會造成鋪裝層病害的產(chǎn)生蔓延，使得整體橋梁上部結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)。

2 現(xiàn)場靜載試驗

受長期的車輛荷載疲勞作業(yè)和自然侵蝕，該鋼箱梁橋的承載能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定已產(chǎn)生一定劣化，為進一步探究鋼箱梁橋的損傷劣化規(guī)律，采用進一步的靜載試驗來探究結(jié)構(gòu)損傷特性，主要考慮鋼箱梁橋特定關(guān)鍵截面的下?lián)虾蛻?yīng)力（應(yīng)變）分布變化。在現(xiàn)場試驗靜載前，通過力學(xué)結(jié)構(gòu)計算分析得到設(shè)計荷載作用下橋面的最大正/負彎矩截面，并將其定位靜載數(shù)據(jù)測試和采集控制點，相關(guān)測點布置如圖3和圖4所示。

如圖所示，研究分別在鋼箱梁的梁端、1/4跨、3/4跨和跨中進行位移計的布置。在5個關(guān)鍵截面處沿鋼箱梁腹板進行5組應(yīng)變片的均勻分布，在鋼箱梁底部布置2組應(yīng)變片。在試驗過程中對撓度和應(yīng)變數(shù)據(jù)進行采集，并觀測加載過程中裂紋是否產(chǎn)生新增。采用120 t的卡車在跨中處進行布置，如圖5所示。

3 靜載試驗結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力測試結(jié)果分析

鋼箱梁在靜載作用下不同測點的應(yīng)變試驗值與理論值對比結(jié)果如表2所示。

由以上圖表分析可知，實測的箱梁應(yīng)變值要整體小于理論值，且中梁和邊梁的應(yīng)變分布也大體較為接近。關(guān)鍵截面的應(yīng)變校驗系數(shù)主要在0.5～0.6之間，說明實際服役鋼箱梁橋的強度滿足設(shè)計要求，相關(guān)測點的相對殘余應(yīng)變均在﹣15%～10%范圍內(nèi)，說明對于單片的鋼箱梁而言，在長期的車輛疲勞作用下處于彈性工作階段。

3.2 撓度測試結(jié)果分析

研究對關(guān)鍵截面的撓度進行測試并與理論值進行對比分析，結(jié)果如表3所示。

將上述不同界面處撓度數(shù)值隨梁梁長位置進行撓度曲線繪制，如圖8～圖9所示。

如圖所示，中梁和邊梁關(guān)鍵截面的撓度隨梁長方向呈對稱分布，其中，中梁和邊梁在跨中處的撓度分別為18.53 mm和18.65 mm，校驗系數(shù)分別為0.55和0.61，表明鋼箱梁橋的剛度滿足設(shè)計要求。撓度曲線的分布較為光滑，表明橋梁的工作性能較好，隨荷載的增加呈彈性變化，這與簡支梁橋型的撓度曲線分布規(guī)律較為接近。

3.3 裂紋分布

在靜載過程中，觀察鋼箱梁腹板的裂紋分布和發(fā)展情況，研究表明：本次靜載試驗過程中未產(chǎn)生新增的裂紋病害，歷史裂紋病害也沒有明顯的發(fā)展蔓延趨勢。腹板裂紋分布如圖10所示。

其主要原因是鋼箱梁的裂紋損傷是長期的疲勞荷載所導(dǎo)致，疲勞作用下鋼材易產(chǎn)生性能劣化，當疲勞次數(shù)達到一定數(shù)量時，鋼材表面會產(chǎn)生開裂破壞，隨著荷載的持續(xù)增加，表面裂紋初見開展蔓延，裂紋深度逐漸擴大，直至造成鋼材斷裂。因此，對于鋼箱梁內(nèi)部產(chǎn)生的裂紋問題要尤為關(guān)注，要進行必要的養(yǎng)護加固維修，保障橋梁的長期健康安全穩(wěn)定。

4 鋼箱梁裂紋防治技術(shù)研究

4.1 裂紋產(chǎn)生原因

相關(guān)研究表明，在鋼箱梁拼接組合過程中會進行焊接，由箱梁裝配過程中產(chǎn)生形變而導(dǎo)致的裂紋開展問題占到40%左右，而初始裂紋病害和不滿足疲勞荷載而產(chǎn)生的裂紋也占據(jù)一定比例。在長期的鹽堿腐蝕環(huán)境下，鋼材表明的腐蝕而產(chǎn)生的疲勞裂紋也是一定影響因素。總體而言，鋼箱梁在服役期間產(chǎn)生裂紋的原因主要包括：

（1）材料缺陷。鋼材是經(jīng)高溫斷裂熔爐產(chǎn)生的材料，但受鋼材質(zhì)量和施工工藝影響，在鋼箱梁成型和焊接過程中會由于內(nèi)部不均勻雜質(zhì)顆粒分布和細微裂紋產(chǎn)生缺陷。這類初始的細微質(zhì)量缺陷在實際的服役過程中會急劇劣化，塑性變形荷載作用下會產(chǎn)生明顯的表面裂紋。

（2）設(shè)計施工缺陷。鋼結(jié)構(gòu)在組合焊接前需要進行構(gòu)造設(shè)計和受力分析，若沒有經(jīng)過科學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，會使得構(gòu)件內(nèi)部之間會產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中。此外，在鋼箱梁組合中會進行焊接、變形、剪切等一些的施工，亦會造成材料存在一定的變形和應(yīng)力擴散，在重載交通環(huán)境下會造成裂紋產(chǎn)生和擴展。

（3）養(yǎng)護維修因素。在鋼箱梁橋服役階段，長期的車輛荷載作用會使得鋼結(jié)構(gòu)局部產(chǎn)生一定的變形和連接部位松動，在雨雪和冷熱交替關(guān)鍵性亦會對鋼結(jié)構(gòu)表層產(chǎn)生一定的侵蝕，加劇構(gòu)件的劣化過程和脆性破壞。當鋼箱梁表面出現(xiàn)裂紋時，技術(shù)人員會通過焊接和涂裝等工藝對裂紋進行修補，及時的維修加固措施能夠減緩鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕和開裂，但若對細微表層裂紋等病害不加以重視，會加劇鋼材內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷和破壞。

4.2 養(yǎng)護措施

鋼箱梁上部承受往復(fù)車輛的持續(xù)疲勞作用，直接加劇結(jié)構(gòu)的內(nèi)部疲勞劣化。在裂紋發(fā)展初期會誘發(fā)應(yīng)力的重力分布不均衡問題。當鋼箱梁的整體剛度劣化到一定程度時會加劇橋面鋪裝層的裂紋和結(jié)構(gòu)損壞，養(yǎng)護技術(shù)人員應(yīng)采取必要措施進行鋼箱梁橋的維護。

（1）止裂孔。止裂孔是抑制鋼結(jié)構(gòu)表面裂紋的關(guān)鍵便捷措施，一般沿裂紋端部進行微小孔隙的鉆孔?？紤]到鉆孔的面積和覆蓋范圍，建議鉆孔的直徑可以覆蓋裂紋內(nèi)側(cè)尖端。

（2）支撐架。當裂紋發(fā)展可能誘發(fā)進一步鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷時，會直接影響結(jié)構(gòu)剛度、應(yīng)力分布狀態(tài)，可采用必要的支撐架進行焊接，可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷的有效抑制。

（3）焊接涂裝。必要條件時可以采用點焊的方式對裂紋進行修復(fù)，但此類修復(fù)方式僅對鋼材表面起到修復(fù)，若裂紋損傷到一定深度時，點焊修復(fù)將失效。一般而言，在表面裂紋修復(fù)后還需要進行涂裝保護，增強保護層厚度和防腐能力。

5 結(jié)語

本文在鋼箱梁橋病害和性能檢測的基礎(chǔ)上，針對鋼箱梁橋進行靜載試驗，通過不同關(guān)鍵截面處獲取的撓度、應(yīng)變數(shù)據(jù)進行分析，研究表明鋼箱梁橋的強度和剛度均滿足設(shè)計要求，從裂紋分布和產(chǎn)生原因進行了分析，并總結(jié)相應(yīng)的養(yǎng)護措施，研究對于維系鋼箱梁橋梁的安全健康服役具有一定經(jīng)驗參考價值。

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作者簡介：詹海雷（1989—），男，江西上饒人，本科，路橋工程師，從事路橋設(shè)計工作。