钢箱梁桥结构检测与安全评估研究

2021-12-14詹海雷

交通科技与管理 2021年34期

摘要：裂纹是钢箱梁典型病害之一，本文结合某钢箱梁桥结构检测进行研究，在桥梁的检测基础上采用静载试验进行承载力的研究，从挠度和应变分布角度来探究桥梁的结构损伤性能。研究表面关键截面处采集的挠度和应变试验值分布较为规律，校验系数为0.4～0.6之间，表明钢箱梁桥的结构强度和刚度均满足设计要求。在探究钢箱梁表面裂纹产生原因的基础上进行养护措施的总结，旨在不断维修桥梁的安全稳定。

关键词：钢箱梁;静载试验;结构检测;养护措施

中图分类号：U445.71 文献标识码：A

0 引言

钢材具有强度高、韧性好等特点，自19世纪工业革命发明以来逐渐得到生产工艺优化，被应用于各类工业及建筑中。20世纪初，钢材焊接技术极大促进了钢材在特殊结构中的生产和开发。随着公路桥梁技术的发展，钢结构材料逐渐被应用到桥梁建设项目中，对于大跨径的悬索桥、斜拉桥等特殊结构桥型，钢材的材料和结构安全设计也至关重要，需进行合理科学的力学分析。尽管钢结构的利用普及率较高，但对于其的结构损伤检测和评定技术却缺乏系统研究，钢结构桥梁在长期的车辆荷载损伤疲劳后会存在性能衰减，主要体现在承载力水平下降，结构的刚度和稳定性劣化，极端情况下会直接造成结构的失效和桥梁垮塌，因此，对钢结构桥梁的结构健康检测和安全评估就显得尤为重要。蔡正东通过对火灾前后钢结构桥梁的下挠变形和硬度进行测定，并建立了钢结构有限元桥梁模型，通过应力和位移指标的变化对桥梁结构进行安全评估分析。姚南基于现有的桥梁结构损伤模型进行修正，并建立了基于动力响应的钢结构桥梁结构安全分析方法。雷俊卿结合具体悬索钢结构桥梁进行案例分析，从结构安全的劣化、检测评估和加固等角度进行研究，对提升桥梁的耐久性提供了经验参考。曾勇从钢结构桥梁的疲劳性能进行分析，从桥梁的结构检测、维修加固等环节进行了成本费用的评估。王虹斌将钢结构桥梁理论力学结果和动载实测下数值进行对比分析，总结了钢箱梁桥梁的检测方法和注意事项。上述研究表明，受钢结构桥梁结构差异、服役环境不同等因素限制，结构检测和安全评估很难做到标准化，但基于有限元模拟和实测动载试验结果仍旧能在一定程度上反映桥梁服役水平。本文以某钢箱梁桥为例，进行钢结构的安全检测和评估，旨在为相关研究提供理论支撑和经验参考。

1 工程概况

本研究针对某高架钢箱梁桥进行试验分析，桥梁的服役时间为21年，跨径为30 m，桥梁的下部结构采用独柱式桥墩和预应力盖梁，桥梁横断面如图1所示。

对钢箱梁进行内部病害的检测分析，主要考察腹板裂纹的分布和发展规律，检测人员要对日常巡检过程中存在的裂纹病害进行定位，沿裂纹发展方向进行标记，采用裂纹观测仪对裂纹的宽度进行测量，研究共发现钢箱梁内部纵向裂纹27条，裂纹的宽度分布如表1所示。钢箱梁的裂纹病害主要集中在梁端至1/4跨处，裂纹长度从65～280 mm分布不等，其中，裂纹宽度小于0.1 mm的有16条，超出规范限定要求（0.2 mm）的有3条，对其进行进一步的裂纹深度探测，达35～62 mm不等，裂纹深度已超过保护层厚度，说明钢箱梁内部存在严重损伤的裂纹问题，会直接影响钢箱梁结构的安全稳定。

钢箱梁中裂纹的产生不是单一因素造成的，涂层的劣化、腐蚀也会在一定程度上加剧裂纹程度，相互关联的关系如图2所示。涂层的剥落会使得钢材面的保护层失效，在雨水的侵蚀作用下会加剧钢材腐蚀进而造成和加剧裂纹拓展，待裂纹对钢箱梁造成结构损伤时，会造成铺装层病害的产生蔓延，使得整体桥梁上部结构的失稳。

2 现场静载试验

受长期的车辆荷载疲劳作业和自然侵蚀，该钢箱梁桥的承载能力和结构稳定已产生一定劣化，为进一步探究钢箱梁桥的损伤劣化规律，采用进一步的静载试验来探究结构损伤特性，主要考虑钢箱梁桥特定关键截面的下挠和应力（应变）分布变化。在现场试验静载前，通过力学结构计算分析得到设计荷载作用下桥面的最大正/负弯矩截面，并将其定位静载数据测试和采集控制点，相关测点布置如图3和图4所示。

如图所示，研究分别在钢箱梁的梁端、1/4跨、3/4跨和跨中进行位移计的布置。在5个关键截面处沿钢箱梁腹板进行5组应变片的均匀分布，在钢箱梁底部布置2组应变片。在试验过程中对挠度和应变数据进行采集，并观测加载过程中裂纹是否产生新增。采用120 t的卡车在跨中处进行布置，如图5所示。

3 静载试验结果分析

3.1 应力测试结果分析

钢箱梁在静载作用下不同测点的应变试验值与理论值对比结果如表2所示。

由以上圖表分析可知，实测的箱梁应变值要整体小于理论值，且中梁和边梁的应变分布也大体较为接近。关键截面的应变校验系数主要在0.5～0.6之间，说明实际服役钢箱梁桥的强度满足设计要求，相关测点的相对残余应变均在﹣15%～10%范围内，说明对于单片的钢箱梁而言，在长期的车辆疲劳作用下处于弹性工作阶段。

3.2 挠度测试结果分析

研究对关键截面的挠度进行测试并与理论值进行对比分析，结果如表3所示。

将上述不同界面处挠度数值随梁梁长位置进行挠度曲线绘制，如图8～图9所示。

如图所示，中梁和边梁关键截面的挠度随梁长方向呈对称分布，其中，中梁和边梁在跨中处的挠度分别为18.53 mm和18.65 mm，校验系数分别为0.55和0.61，表明钢箱梁桥的刚度满足设计要求。挠度曲线的分布较为光滑，表明桥梁的工作性能较好，随荷载的增加呈弹性变化，这与简支梁桥型的挠度曲线分布规律较为接近。

3.3 裂纹分布

在静载过程中，观察钢箱梁腹板的裂纹分布和发展情况，研究表明：本次静载试验过程中未产生新增的裂纹病害，历史裂纹病害也没有明显的发展蔓延趋势。腹板裂纹分布如图10所示。

其主要原因是钢箱梁的裂纹损伤是长期的疲劳荷载所导致，疲劳作用下钢材易产生性能劣化，当疲劳次数达到一定数量时，钢材表面会产生开裂破坏，随着荷载的持续增加，表面裂纹初见开展蔓延，裂纹深度逐渐扩大，直至造成钢材断裂。因此，对于钢箱梁内部产生的裂纹问题要尤为关注，要进行必要的养护加固维修，保障桥梁的长期健康安全稳定。

4 钢箱梁裂纹防治技术研究

4.1 裂纹产生原因

相关研究表明，在钢箱梁拼接组合过程中会进行焊接，由箱梁装配过程中产生形变而导致的裂纹开展问题占到40%左右，而初始裂纹病害和不满足疲劳荷载而产生的裂纹也占据一定比例。在长期的盐碱腐蚀环境下，鋼材表明的腐蚀而产生的疲劳裂纹也是一定影响因素。总体而言，钢箱梁在服役期间产生裂纹的原因主要包括：

（1）材料缺陷。钢材是经高温断裂熔炉产生的材料，但受钢材质量和施工工艺影响，在钢箱梁成型和焊接过程中会由于内部不均匀杂质颗粒分布和细微裂纹产生缺陷。这类初始的细微质量缺陷在实际的服役过程中会急剧劣化，塑性变形荷载作用下会产生明显的表面裂纹。

（2）设计施工缺陷。钢结构在组合焊接前需要进行构造设计和受力分析，若没有经过科学的结构设计，会使得构件内部之间会产生一定的应力集中。此外，在钢箱梁组合中会进行焊接、变形、剪切等一些的施工，亦会造成材料存在一定的变形和应力扩散，在重载交通环境下会造成裂纹产生和扩展。

（3）养护维修因素。在钢箱梁桥服役阶段，长期的车辆荷载作用会使得钢结构局部产生一定的变形和连接部位松动，在雨雪和冷热交替关键性亦会对钢结构表层产生一定的侵蚀，加剧构件的劣化过程和脆性破坏。当钢箱梁表面出现裂纹时，技术人员会通过焊接和涂装等工艺对裂纹进行修补，及时的维修加固措施能够减缓钢结构的腐蚀和开裂，但若对细微表层裂纹等病害不加以重视，会加剧钢材内部结构的损伤和破坏。

4.2 养护措施

钢箱梁上部承受往复车辆的持续疲劳作用，直接加剧结构的内部疲劳劣化。在裂纹发展初期会诱发应力的重力分布不均衡问题。当钢箱梁的整体刚度劣化到一定程度时会加剧桥面铺装层的裂纹和结构损坏，养护技术人员应采取必要措施进行钢箱梁桥的维护。

（1）止裂孔。止裂孔是抑制钢结构表面裂纹的关键便捷措施，一般沿裂纹端部进行微小孔隙的钻孔。考虑到钻孔的面积和覆盖范围，建议钻孔的直径可以覆盖裂纹内侧尖端。

（2）支撑架。当裂纹发展可能诱发进一步钢结构内部损伤时，会直接影响结构刚度、应力分布状态，可采用必要的支撑架进行焊接，可以实现结构损伤的有效抑制。

（3）焊接涂装。必要条件时可以采用点焊的方式对裂纹进行修复，但此类修复方式仅对钢材表面起到修复，若裂纹损伤到一定深度时，点焊修复将失效。一般而言，在表面裂纹修复后还需要进行涂装保护，增强保护层厚度和防腐能力。

5 结语

本文在钢箱梁桥病害和性能检测的基础上，针对钢箱梁桥进行静载试验，通过不同关键截面处获取的挠度、应变数据进行分析，研究表明钢箱梁桥的强度和刚度均满足设计要求，从裂纹分布和产生原因进行了分析，并总结相应的养护措施，研究对于维系钢箱梁桥梁的安全健康服役具有一定经验参考价值。

参考文献：

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