江阴大桥钢箱梁焊缝疲劳裂纹的分布规律及维修工艺
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摘 要：统计分析了江阴大桥钢箱梁焊缝疲劳裂纹的分布规律，得到了容易产生疲劳裂纹的位置。经过统计分析，疲劳裂纹在桥梁南北两侧的1/4跨处分布较为密集，跨中处分布稀疏，主要分布在重车道和行车道下的U肋位置处。对疲劳裂纹进行了分类，介绍了不同长度疲劳裂纹的维修方法。
关键词：江阴大桥;疲劳裂纹;U肋;维修
中图分类号：U441 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）08-0110-03
Abstract： In this paper， the distribution law of fatigue crack in the weld of steel box girder of Jiangyin Bridge is statistically analyzed， and the location of fatigue crack is obtained. Through statistical analysis， the fatigue cracks are densely distributed at the
1/4 span on the north and south sides of the bridge， and sparsely distributed in the middle of the span， mainly in the U rib position under the heavy lane and the carriageway. The fatigue cracks are classified and the maintenance methods of fatigue cracks with different lengths are introduced.
Keywords： Jiangyin Bridge; fatigue crack; U rib; maintenance
1 概述
随着桥梁设计和施工技术的不断进步，大跨径桥梁得到了飞速的发展，其中钢箱梁由于其自重小、抗扭刚度大、结构美观、施工速度快等优点成为了大跨径桥梁的首选[1-2]。由于钢箱梁一般为全焊结构，焊缝接头数量众多，现场施工会存在焊接质量和焊接残余应力的问题[3-4]，在车辆交变荷载下随着使用时间的增长容易产生疲劳裂纹，导致焊缝在远小于其强度的情况下开裂失效。江阴大桥跨径为1385m，是我国第一座跨千米级的大跨径悬索桥，主梁采用扁平闭口流线型钢箱梁，正交异性桥面板桥面，顶板水平宽度29.5m，底板宽度22.94m，顶板厚度为12mm，底板厚度为10mm，U肋的厚度为6mm，如图1所示[2]。
2 疲劳裂纹统计分析
江阴大桥作为京沪高速的跨江咽喉要道，日均车流量已达9.8万辆左右，其中货车占比达到25%，远大于设计车流量。在交变荷载作用下，江阴大桥2011年在钢箱梁顶板和U肋的角焊缝处发现疲劳裂纹。根据历年的裂纹检测数据，对钢箱梁疲劳裂纹的分布进行统计分析，如图2、图3所示。江阴大桥全桥从北塔到南塔共分为434个仓（两个横隔板所隔空间为一个仓），顶板横向共布置48个U肋，编号从最外侧开始，向内递增，上下游编号相同。从图2每个仓裂纹数量的分布可以看出，疲劳裂纹在靠近南、北塔的1/4位置处分布较为密集，在跨中附近较为稀疏，相关文献指出，悬索桥在移动荷载作用下，1/4跨位置豎向位移变化最大， 跨中位置弯矩变化最大，说明疲劳裂纹并不是出现在弯矩变化最大的跨中处，而是出现在位移变化最大的1/4跨处。从图3可以看出，裂纹在主梁横断面上主要分布在6号、8号、9号和12号U肋上，其中6号和12号U肋的裂纹数量最多，这是因为6号和12号U肋是重车道和行车道所在的位置，车辆数量多、轴重大，由此产生了数量较多的疲劳裂纹。而在超车道和紧急停靠带位置处的U肋基本上没有裂纹产生。
3 焊缝疲劳裂纹的分类
钢箱梁焊缝疲劳裂纹根据成因的不同可以分为荷载引起的开裂和面外变形引起的开裂[3]。荷载引起的开裂主要是U肋的对接焊缝在荷载的作用下产生开裂，面外变形引起的开裂主要是指U肋与顶板的焊缝、U肋与横隔板交接部位、腹板竖向加劲肋与顶板的连接部位。根据江阴大桥焊缝疲劳裂纹的检测结果统计分析发现，焊缝疲劳裂纹主要发生在U肋、顶板与横隔板的三向交接处，即裂纹主要是由于面外变形引起的纵肋与横隔板交接部位的疲劳裂纹，由荷载引起的纵肋对接焊缝裂纹出现不多。
3.1 荷载引起的开裂
荷载引起的焊缝开裂表现为U肋对接焊缝的开裂，如图4所示。由于U肋的对接焊缝一般宽度较大，焊接质量难以保证，且受施工条件的限制，处于仰焊位置，不能将钢衬板和焊缝有效融合，焊缝的厚度达不到要求。从力学角度分析，U肋可以看做是支撑在横隔板上的连续梁，在荷载的作用下，U肋的对接焊缝长期处于拉、压应变的交替作用，另外由于焊缝的初始缺陷，容易导致疲劳裂纹的产生[4]。
3.2 面外变形引起的开裂
面外变形是焊缝产生疲劳裂纹的主要原因。在荷载作用下，由于U肋和顶板、横隔板较大刚度的连接，导致了顶板产生较大的面外变形，从而在U肋和顶板角焊缝处产生次弯矩，产生应力集中，并且U肋和顶板、横隔板连接的刚度越大，产生的应力集中就越大，就越容易产生裂纹。为了防止纵肋与横隔板连接的刚度大而导致连接处的受力过大，导致产生疲劳开裂，在U肋与横隔板处常留有开孔，减弱两者的连接刚度[5]。根据历年的检测结果，江阴大桥面外变形引起的焊缝疲劳裂纹主要分为图5所示的三类，其中U肋、顶板和横隔板交界处是发现裂纹最多的地方。 4 焊缝疲劳裂纹维修
疲劳裂纹的修复方法有很多，包括裂纹焊合、钻止裂孔、钢板（螺栓或粘接）加固和碳纤维加固等，由于现场施工的难易程度以及加固效果的原因，目前常用的维修方法主要是裂纹焊合与钻止裂孔。
裂纹焊合是一种常规的疲劳裂纹修复方法，被广泛应用于多种钢结构疲劳裂纹的修复，其基本修复原理为采用碳弧气刨、风铲等将裂纹边缘加工出坡口直至裂纹尖端，然后用焊缝焊合坡口以达到修复原裂纹的目的。疲劳裂纹的产生过程同时也是一个应力释放的过程，裂纹被重新焊合以后有可能会在其他地方重新寻找应力释放点而产生裂纹，并且焊合现场处于仰焊的角度，焊合效果也难以把握，导致在较大残余应力的作用下重新开裂。
钻止裂孔是一种简单、经济的止裂措施，这种方法是在裂纹尖端钻一确定直径的光滑圆孔，用以阻止裂纹的继续扩展，延长钢结构构件的疲劳寿命。当无法确定裂纹尖端具体位置时，也可以在裂纹扩展方向上距离尖端一定距离打一圆孔，此时构件的疲劳寿命为裂纹延伸至止裂孔与疲劳裂纹在止裂孔边再生的寿命之和。
考虑两种方法的特点，江阴大桥钢箱梁焊缝疲劳裂纹的维修根據裂纹的长度采用两种方案：（1）裂纹长度？芏150mm时采用焊合法;（2）裂纹长度<150mm时采用钻止裂孔的方法。
4.1 第一类裂纹维修方案
（1）用碳弧气刨（Φ8mm碳棒）将裂纹清除干净，清除裂纹的长度应由裂纹两端各延伸50mm以上，并打磨出1：5的斜坡，在深度方向上，要清除到超过裂纹深度范围1～2mm，否则裂纹依然会扩展，并采用MT检验确定裂纹清楚干净。
（2）焊接均采用手工电弧焊，具体参数见表1。
（3）焊接完成后对裂纹部位焊缝进行磁粉探伤。
4.2 第二类裂纹维修方案
统计分析江阴大桥焊缝疲劳裂纹位置和走向，发现裂纹都是从焊缝出现，逐渐向U肋侧壁上扩展，并没有出现在顶板上。一般止裂孔的孔径要大于板厚，所以在裂纹的两端头延伸各5mm处钻直径8mm的止裂孔，钻止裂孔时要注意裂纹扩展的行进方向，保证在裂纹的尖端将其截断，避免疲劳裂纹绕过止裂孔扩展，图6示意了正确打孔位置，图7示意了错误的打孔位置导致裂纹继续延伸。由于裂纹的产生能够将面外变形引起的应力释放，如果裂纹的长度不再扩展，那么裂纹的产生对钢箱梁的受力是有利的，在这种情况下打止裂孔防止裂纹扩展，可以避免焊缝修补后又再次开裂造成对铺装层的影响[6]。
4.3 油漆补涂
修补焊接安装完毕后，首先对所有焊缝及涂层破损部位表面进行打磨处理达到St3级，然后在其所在部位修补油漆（环氧富锌，干膜厚度80μm）。
5 结论
通过上述分析，主要得到以下结论：
（1）焊缝疲劳裂纹在靠近南北塔的1/4跨处产生的较为密集，在跨中处较少，主梁竖向位移的变化是疲劳裂纹产生的较大影响因素。
（2）焊缝疲劳裂纹主要产生在重车道和行车道下，在超车道和紧急停靠带基本没有产生。
（3）江阴大桥疲劳裂纹主要是由面外变形引起的，发生在U肋、顶板和横隔板三向交接处的焊缝处。
（4）正确的止裂孔位置可以有效的防治裂纹的继续扩展。
（5）疲劳裂纹是影响钢箱梁使用寿命的主要因素，如
何减小疲劳裂纹的产生和对疲劳裂纹进行更有效的维护需要进一步研究。
参考文献：
[1]周聪，顾萍.铁路正交异性钢桥面板典型疲劳裂纹寿命估算[J].铁道学报，2012，34（1）：97-102.
[2]王春生，冯亚成.正交异性钢桥面板的疲劳研究综述[J].钢结构，2009，24（9）：10-14.
[3]王春生，付炳宁，张芹，等.正交异性钢桥面板横隔板挖孔型式研究[J].长安大学学报：自然科学版，2012，32（2）：58-64.
[4]唐亮，黄李骥，刘高.正交异形钢桥面板横梁弧形切口周边应力分析[J].公路交通科技，2011，28（6）：33-37.
[5]曾志斌.正交异性钢桥面板典型疲劳裂纹分类及其原因分析[J].钢结构，2011，26（02）：9-15
[6]吉伯海，袁周致远，刘天笳，等.钢箱梁疲劳裂纹钻孔止裂修复的影响因素[J].江苏大学学报（自然科学版），2016，37（1）：97-102.
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