浅谈钢桥面板疲劳裂纹及其焊接对策

浅谈钢桥面板疲劳裂纹及其焊接对策

雷德清何威

联创新锐设计顾问(武汉)有限公司武汉430000

摘要：钢桥面板类桥梁因车辆超载而引发集中应力，继而导致钢桥面板变形、焊接处出现疲劳裂纹。钢桥面板疲劳裂纹主要涉及三种类型，裂纹处不同其引发原因、发展情况也不尽相同，还需逐一加以鉴别、处理。

关键词：钢桥面板；疲劳裂纹；焊接

1、桥面板疲劳裂纹种类与起因分析

1.1横、纵肋焊缝裂纹

纵肋包括开口肋、闭口肋两种，因而此类裂纹也涉及两种，即:横肋与开口肋焊缝裂纹，横肋与闭口肋焊缝裂纹。1）横肋与开口肋焊缝裂纹。此类多见于曲线钢桥面板中，裂纹起点或位于开口肋上、下端工艺孔切口焊缝处，或位于上端过焊孔焊缝处，或处于下端工艺孔切口母材处。此类裂纹的损伤多位于负载下方开口肋处，其产生原因，一方面是因负载作用引发剪切变形，使得工艺孔切口方向应力过于集中，导致切口远处受压、近处受拉，继而产生裂纹；另一方面是由于切口半径不超过20～35mm，会导致应力集中且放大，一旦焊接效果不佳，就会出现裂纹。2）横肋与闭口肋焊缝裂纹。①上端过焊孔处裂纹；②相交点纵肋下端切口处裂纹。后者与开口肋相似，多因负载下方纵肋处损伤集中而引起；而前者是由于负载直接作用，引发纵肋腹板局部有变形。

1.2面板与加劲肋焊缝裂纹

此类裂纹十分常见，主要涉及三种:①加劲肋焊缝边缘裂纹；②面板焊缝边缘裂纹；③两侧焊缝边缘裂纹。究其原因，一方面是建造时缝隙预留过大；另一方面是负载导致面板局部变形，致使焊缝处所承载应力过于集中。为了避免此类裂纹，要使负载点尽量远离主梁腹板处。但因受制于车辆线路、线形而难以控制，还需采取有效的应对之策，如在加劲肋上端布设一个半圆开口孔，这样有助于缓解应力过于集中的问题，还可将面板下端焊缝打造成全熔透焊缝；若非如此，可在该处设置适当缝隙。

1.3面板与闭口肋焊缝裂纹

此类裂纹涉及两种，即焊缝走向裂纹与面板纵向裂纹。前者是面板与闭口肋焊缝处自根部起纵向延伸的裂纹，此类裂纹具有发展快、情况复杂等特点，还需密切关注，由于焊缝上端受到过强负载，导致根部应力过分集中，加上熔深不足，极易导致裂纹大量产生；后者是面板与闭口肋焊缝根部向面板厚度延伸的裂纹，此类也十分常见，其起因是由于肋上端直接承受负载力而导致面板应力过于集中。

2、钢桥面板疲劳裂纹检测方法分析

2.1涡流检测

针对钢桥面板内部贯穿的纵向裂纹，由于其难以发现，长期放任会影响铺装层的可靠性，导致路面坑塘，引发安全隐患，因而可采用涡流检测方法，从路面直接对铺装层内裂纹加以探测。该方法利用电磁感应使金属导体产生感应电流，一旦遭遇裂纹，会导致电流值出现变化。该方法的缺陷在于其虽能检测裂纹方位，却无法充分获取其形状、深度等详尽信息,还需配合相控阵技术进行进一步探测。

2.2超声波衍射时差法

传统超声波检测适用于面板纵向裂纹，通过在面板下端安设探头，对较浅裂纹进行探测，该方法存在一定局限性，难以精确获知裂纹深度、位置等。而超声波衍射时差法是利用一个接收探头、一个发射探头，针对裂纹处衍射信号加以检测，并对裂纹的尺寸、走向等信息加以检测，因而该方法适用于疲劳裂纹的检测、定量与定位。探测过程中，需要以U形肋中线作为中心点，分别将收发探头设置于扫查小车两端，沿肋角焊缝的中心线顺着桥梁走向行走，还可对角焊缝四周裂纹进行探测，利用波形分析，确定裂纹深度、走向和所处位置。

2.3红外线检测

该方法使用精度较高的红外线探测仪，针对裂纹四周特殊应力场所引发的热弹性温差加以识别，继而获知裂纹位置、走向等详细信息，该方法还可自动进行信息处理，为修复过程提供依据。

3、钢桥面板疲劳裂纹焊接对策分析

3.1直接焊接

此类焊接方法相对简单,多适用于裂纹较浅、裂纹量少或紧急情况的面板与闭口肋焊缝裂纹修复，是利用砂轮打磨等方法，将裂纹成功清除，随后再加以焊接，无需进行其他处理。打磨焊缝要求必须打磨到足够深度，达到焊缝有效厚度，但又不可将焊缝刨穿，如此会导致焊接难度增大，无法确保根部成形的效果，因此，气刨过程中必须注重把控深度。该方法的缺点是只能采取仰位焊接，且焊接效率较低，难以确保其质量，焊接后探伤困难，加上空间位置受限，因而不适用其他类型裂纹的治理。

3.2贴衬垫焊接

在箱梁处焊接会受到空间的局限，设备、原料的传递与运输都极为困难，加上空气流通不畅，极易导致焊接过程中的烟尘无法顺利排出，严重影响环境质量。因此，可选择将桥面铺装层打开，对裂纹加以检验、定位，在面板上方选择俯位焊接。将裂缝清除之后，针对面板与加劲肋裂纹，可于箱梁内，在其背面贴陶瓷衬垫，并从梁外面板上侧进行单面焊双面成形焊接，可用平位焊接，确保最终效果。结束后需对其表面进行打磨，以美化其外观，此类焊接方法可保证焊接质量，因而应用较多。

对于面板与闭口肋焊缝裂纹，将面板打开虽具备俯位焊接条件，但因闭口肋结构封闭，因而难以贴衬垫，无法确保熔透焊，为此，可选择如下方法:1）通过背部贴钢衬垫焊接的方法。可先于钢衬垫布设处点焊一处支撑，再借助这一支撑将钢衬垫送入面板下端，将其位置调整到适宜处，再利用定位焊接，将支撑去除后加以焊接。此方法操作便捷、难度较低、效率较高，但由于此类衬垫的疲劳强度不高，因而焊接后能否使用还需观察。2）选择于U形肋上设置手孔，贴陶瓷衬垫施焊的方法。为了从裂纹背部设置陶瓷衬垫，需要于裂纹处肋上开设手孔，借助手孔在背部设置衬垫，再加以焊接。此法较上一种方法可显著提高疲劳强度，但由于在U形肋上开设了手孔，因而会导致其刚度、强度、连续性减弱，可能导致新裂纹产生，因而焊接结束后还需通过拼接板栓接，对手孔部位进行加固，但加固效果还需观察。该方法难度大、工作量也大，若开孔较多，还需充分考虑其缺陷。3）钢衬垫加陶瓷衬垫焊接法。该方法无需设置开孔,在面板上端将钢衬垫置入，以其为支撑，设置陶瓷衬垫，通过移动钢衬垫，确保陶瓷衬垫紧贴桥面板，再进行焊接操作。此法有效规避了第二种方法的缺陷，又提升了焊接强度，但由于其施工难度大，因而粘贴时需细致入微，否则将影响施工效率；为确保陶瓷衬垫成功置于U形肋内部，还需注意所刨开的裂纹宽度超过8mm,要确保焊接效果、衬垫与面板紧贴，否则会埋下隐患；该方法焊接后也无法对背部外观加以调整，施工要求较高。

3.3更换构件焊接

此类焊接多适用于横、纵肋焊缝裂纹，由于很多裂纹处于封闭结构内，因而焊接修复十分困难，此时可以考虑切除部分横、纵肋，再加以焊接修复。将其切除后,于面板上端采用贴衬垫焊接方法，从内部将背部裂纹修复并进行打磨，若背部存在余高，还需将其加以打磨，然后再更换横、纵肋，并将其焊接于面板焊缝与肋条对接处。该方法操作难度较低，焊接质量有保障，修复之后可显著改善面板性能，针对横、纵肋自身损坏严重的裂纹，也可利用这一焊接方法加以修复。此方法也存在诸多缺陷，即更换构件的工作量庞大，而且在箱梁内进行裂纹打磨、焊接存在诸多不便，施工环境不佳，切除部分构件也会对桥面板受力造成不良影响。如裂纹量不大，但破坏较为严重时，可以采用此方法加以修复。

4、结语

钢桥面板具有质轻、承载力高等特点，但因其变形而引发的疲劳损伤不容忽视，因此，无论是选材、施工还是养护阶段，都应对这一问题给予足够的重视，及时检测并发现疲劳裂纹，并采取行之有效的焊接对策，以进一步延长桥梁的使用寿命。

参考文献：

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