正交异性钢桥面板U肋嵌补段焊缝疲劳裂纹加固
正交异性钢桥面板U肋嵌补段焊缝疲劳裂纹加固
摘要; 本文调查研究了某大跨度桥梁正交异性钢桥面板U肋嵌补段对接焊缝位置疲劳裂纹，采用安全寿命法分析了疲劳裂纹产生的原因，提出了U肋嵌补段疲劳裂纹加固方案。
关键词: 正交异性钢桥面板，U肋嵌补段，疲劳裂纹，加固
Abstract: In this paper the research of a long-span Bridges orthotropic steel bridge panel U rib fill section embedded butt weld position fatigue crack, the safety life was analyzed the reasons of the fatigue crack, and put forward the U rib for fatigue crack embedded for strengthening project.
Keywords: orthotropic steel bridge panel, U ribs for embedded section, the fatigue crack, reinforcement
1 引言
正交异性钢桥面板是由纵、横互相垂直的加劲肋连同桥面盖板所组成的共同承受车轮荷载的结构，以其自重轻、承载能力强和整体性好等优点在国内外大跨度桥梁中得到广泛应用，如日本的明石海峡大桥、法国的诺曼底大桥和中国的苏通长江大桥等都采用了正交异性钢桥面板的形式。
U肋嵌补段是大跨度钢桥节段施工过程中两个相邻节段预留的在现场拼装的U肋，对于桥面顶板的U肋嵌补段，在现场拼装焊接时要采用仰焊工艺，焊接质量不易保证，在重载交通下容易产生疲劳裂纹，是正交异性钢桥面板典型的疲劳细节之一。
本文通过对某大跨度桥梁的正交异性钢桥面板U肋嵌补段的疲劳裂纹进行分析研究，提出了此类疲劳裂纹的加固方案。
2 U肋嵌补段焊缝疲劳裂纹
2011年6月，在某大跨度桥梁正交异性钢桥面板U肋嵌补段对接焊缝位置发现疲劳裂纹，如图1所示。U肋嵌补段疲劳裂纹1（a）和裂纹2（b）已经完全贯穿整个U肋，U肋在此位置已经丧失承载能力；疲劳裂纹3由于及时钻了止裂孔，裂纹在U肋底板止裂孔位置停止扩散，没有扩散到整个U肋；从图1（d）中可以发现，有些裂纹已经从U肋发展到桥面顶板，并沿着U肋与桥面顶板的焊缝发展，逐渐贯穿桥面顶板，对桥梁的安全性造成极大的影响。从图片中可以看出，U肋嵌补段对接焊缝位置的疲劳裂纹都是在焊缝的热影响区内产生
的，并沿着对接焊缝发展。[]
（a）U肋嵌补段疲劳裂纹1 （b）U肋嵌补段疲劳裂纹2
（c）U肋嵌补段疲劳裂纹3 （d）U肋裂纹扩散到桥面板
图1 U肋嵌补段疲劳裂纹
3 U肋嵌补段对接焊缝疲劳寿命
3.1 U肋嵌补段对接焊缝疲劳强度
欧洲规范中规定了U肋嵌补段焊缝的疲劳强度，其疲劳细节类型为71[3]，即应力幅为71MPa时，疲劳寿命为200万次。S-N曲线如（式1）所示，其中常幅疲劳极限为52.3MPa，疲劳截止极限为28.7MPa。
（式1）
3.2 交通量调查
通过对大桥收费站的交通流量监测数据的分析，得到大桥从2002年到2007年平均每天的车流量，如图3所示。虽然没有2002年以前的以及2007年以后交通流量数据，但图2已经能反应出该大桥繁忙的交通。2002年，平均每天有20836辆车经过该桥，到2007年，增加到39568辆，几乎增加了一倍。从200年到2007年，平均每天交通流量为30960辆，该桥为双向六车道，平均每个车道每天车流量为5160辆。据调查显示，该桥车辆超载严重。
图3 桥梁平均每天车流量
3.3 有限元分析
为了分析U肋嵌补段位置的疲劳寿命，按照桥梁结构的原型，采用通用有限元软件建立了的有限元模型，正交异性钢桥面板采用板单元模拟，桥面铺装假定为各向同性的线弹性材料，采用8节点实体单元模拟。桥面铺装与钢板之间假定为完全粘结，不产生滑移。模型总长度为9.6m，横向包括7个U肋，总宽度为4.2m，边界条件为横隔板底部和结构两端6个自由度完全约束，在局部车轮荷载作用下，该模型可以模拟桥梁结构的真实受力状态。结构的具体参数详见表1。本节通过施加10t的单位荷载计算U肋嵌补段开裂位置应力影响线。
表1 有限元模型的参数
顶板厚度（mm） 12 U肋厚度（mm） 6
横隔板间距（m） 3.2 U肋间距（mm） 600
钢材模量（MPa） 210000 钢材泊松比 0.3
铺装层厚度（mm） 50 铺装层模量（MPa） 1000
通过有限元分析，得到U肋嵌补段疲劳开裂位置顺桥向正应力影响线，当10.0t的车轮作用在U肋嵌补段开裂位置正上方时应力最大，为31.5MPa。
3.4 疲劳寿命评估
得到疲劳细节的应力影响线后，可以通过标准疲劳车加载得到疲劳细节的应力历程。本文所采用的标准疲劳车为同济大学过对国内多座桥梁进行荷载调查得到的标准疲劳车。
通过标准疲劳车加载后得到的应力历程如图4所示，应力历程有三个峰值，最大正应力为33.2MPa（拉应力），最小正应力为-10.1MPa（压应力）。通过雨流计数法[6]对应力历程进行计数，得到如表2第二列所示的应力幅及其循环次数，最大的应力幅为43.3MPa，其次为41.6MPa，另外还存在两个较小的应力幅24.6MPa和10.1MPa。
根据Miner-Palmgren线性累积损伤准则[7]，可以计算出一辆标准疲劳车经过时对U肋嵌补段焊缝产生的疲劳损伤度，如表2第三列所示。43.3MPa的应力幅产生的损伤度为7.77033E-08，41.6MPa产生的损伤度为6.36014E-08，此疲劳细节的疲劳截止极限为28.7MPa，24.6MPa和10.1MPa的应力幅不会产生损伤。因此，当一辆标准疲劳车经过桥梁时，产生的疲劳累积损伤度为1.413047E-7。车轮在车道上不可能精确的按照同一轨迹线行驶，考虑车轮轮迹线横向分布影响
[8]的损伤度如表2第四列所示，一辆标准疲劳车经过时累积损伤度为
4.63027E-8。
图4 U肋嵌补段开裂位置顺桥向正应力影响线
表2 疲劳应力幅和损伤度
按照前面交通调查的结果，单车道平均每天的交通流量为5160辆，如果不考虑车辆轮迹线横向分布对损伤度的折减的影响，每辆疲劳车产生的损伤度为
1.413047E-7，疲劳累积损伤度达到1时结构疲劳开裂，那么U肋嵌补段焊缝的疲劳寿命为：
（式2）
如果考虑车辆轮迹线横向分布对疲劳损伤度的折减，每辆疲劳车产生的损伤度为4.63027E-8，那么U肋嵌补段焊缝的疲劳寿命为：
（式3）
从（式3）的计算结果可以看出，考虑车辆轮迹线横向分布的影响后，疲劳寿命为11.5年，与结构实际寿命较为吻合。
对于城市快速路，单车道平均每天的车流量5160辆并不高。造成U肋嵌补段疲劳开裂的主要原因是12mm的桥面顶板和6mm的U型加劲肋钢板太薄，在超载车辆作用下结构的应力幅大，疲劳损伤度大。为了防止桥面板进一步疲劳破坏，需要对大桥的超载车辆进行严格管理。
4 疲劳裂纹加固方案
针对桥梁产生的疲劳裂纹，进行了维修加固处理：
（1）首先对已裂向顶板、U肋脚焊缝的裂纹钻直径为8mm的止裂孔，中心位置位于裂纹延伸方向5mm位置。
（2）然后用碳弧气刨（直径为8mm的碳棒）将裂纹清除干净，直到止裂孔位置。U肋嵌补段裂纹去除后，如果反面已经没有钢衬垫，将嵌补段另一段的焊缝也刨去，去除原嵌补段，重新压制新嵌补段；打磨后组装新嵌补段，一端固定码，一端活动码，先焊固定码，再焊活动码，然后焊角焊缝。
（3）清除裂纹后进行打磨处理，进行一次性磁粉探伤，确认无裂纹。
（4）用CO2气体保护焊焊接，焊缝要求光顺美观。
（5）焊接完成后对U肋进行磁粉探伤，对桥面顶板进行超声波探伤。
5 结论
本文通过对某大跨度桥梁正交异性钢桥面板U肋嵌补段裂纹的调查研究，主要得到了一下结论：
（1）正交异性钢桥面板U肋的疲劳裂纹主要位于嵌补段焊缝热影响区位置，并且会沿着焊缝向桥面顶板扩展。
（2）通过有限元分析获得疲劳细节的影响线，然后采用标准疲劳车加载得到疲劳应力幅，结合实际交通流量调查，用Miner-Palmgren线性累积损伤准则计算得到的疲劳寿命与实桥寿命吻合较好。
（3）提出了U肋嵌补段裂纹修补方案，给同类桥梁加固提供技术参考。
参考文献
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吴冲.现代钢桥[M].北京:人民交通出版社,2006
Eurocode 3 Design of steel structure-part 1-9 Fatigue. BS EN 1993-1-9:2005
黄卫. 大跨径桥梁钢桥面铺装设计理论与方法[M].北京:建筑工业出版社,2006
吴冲,刘海燕,张胜利 等.桥面铺装对钢桥面板疲劳应力幅的影响[J].中国工程科学，2010,12（7）：39-42
崔冰,吴冲,丁文俊等.车辆轮迹线位置对钢桥面板疲劳应力幅的影响[J].建筑科学与工程学报,2010,27(3):19-23
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
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