正交异性钢桥面板病害检测与处治

转自上海桥梁病害陈列馆

　　正交异性钢桥面板(以下简称“钢桥面板”)是由纵肋与横肋组成、共同支撑桥面板的薄壁焊接结构。

　　纵肋按肋的形式可分为闭口肋（U形肋）和开口肋两种。

　　钢桥面板直接承受车轮荷载的作用，对于交通量大的高速公路，疲劳荷载成为严峻的问题。特别是在超载的作用下，焊缝部位会产生疲劳裂纹。

　　发展历史概述

　　钢桥面板最早起源于美国，在横梁上用工字钢作为加劲肋，再在上面焊面板。德国是在格子梁上布置钢制的面板。

　　现在的钢桥面板开始于1950年德国曼海姆建设的kurpfalzbrucke。随后，条形钢、角钢等形状的纵向加劲肋逐渐用于钢桥面板。

　　1950年前后为采用钢桥面板的黎明期，当时把开口肋作为标准纵肋使用，直至1970年前后才开始使用闭口肋。

　　1980年在公路桥规范中规定，钢桥面板纵肋焊缝必须进行验算，并修改了闭口肋钢桥面板的有关设计标准。1985年左右开始报道钢桥面板的疲劳损伤，到1990年，报道的数量不断增加。

　　到90年代后期，钢桥面板的疲劳问题得到进一步重视。因为在初期建设的闭口肋钢桥面板桥经过20～30年的使用后，对以高速公路为中心的钢桥进行检测的精度不断提高，发现桥面板与闭口肋间的焊缝有疲劳裂纹。

　　此时、其他国家也有报道钢桥面板发现裂纹的实例。

　　钢桥面板的病害检查

　　检查分近距离目视检查和远望目视检查，对于人难以接近的部位辅以机器人、远距离照相机检查（图1）。

　　根据检查的频率可分为定期检查、异常时检查、日常检查等。

　　钢桥的检查，主要检查钢构件是否被腐蚀、构件是否变形、是否出现疲劳裂纹、桥面板是否有损伤等。

　　腐蚀损伤重点关注易发生腐蚀的部位，如梁的端部、高强度螺栓结合部；疲劳损伤是随着使用时间的进展不断出现的，一般而言，桥梁使用40～50年后经常会发生疲劳损伤。

　　通常疲劳裂纹多从焊接部位开始，检查时应重点关注焊缝根部和焊缝边缘龟裂。

　　焊缝根部的裂纹是由于焊缝没有完全熔透引起的，焊缝边缘龟裂有时是从涂漆层的龟裂开始的，涂漆层裂纹往往就是龟裂的起源，涂漆层开裂后，锈汁就会渗出。

　　由于涂漆层开裂引起龟裂约占龟裂的10%～20%。

　　

　　图1 望远镜检查

　　钢桥面板纵向裂纹的检测方法

　　(1）闭口肋内滞水检查

　　钢桥面板纵向裂纹贯通到桥面板时，闭口肋内部积水和土砂会被堆积，所以在检查桥面板纵向裂纹时，可直接检查闭口肋内是否有积水和土砂。

　　

图2 红外线温度记录仪检查积水

　　图2是红外线温度记录装置，可据此测量闭口肋表面温差，还可以判定内部是否有积水和土砂。其优点是可在梁下远距离测量，但必须有明确的温差出现时间。图3是根据闭口肋内部是否有积水，利用两个探头间的肋表面传递的超声波衰减进行调查的方法。

　　

图3 两个探头的超声波衰减检查积水

　　(2）用超声波探伤试验检测裂纹

　　超声波探伤是在桥面板下面设置探头，它是利用折射角接近90°表面波的超声波传递特性。对于收束型斜角探头（折射角为70°），可从桥面板背面用直射法探伤，这种方法可清晰地检出裂纹的反射波，探深达6mm。

　　还有一种方法是利用反射角接近90°的横波斜角，假定折射角约90°，超声波射线沿裂纹范围扩大，可提高深度较浅的纵向裂纹的探测精度，清晰地探出裂纹的反射波。此方法探深4～5mm以上。

　　

　　图4 SAUTROBOT检查

　　(3）高精度红外线温度记录仪检测裂纹

　　采用高精度红外线温度记录仪可检测裂纹周边发生的特殊应力场引起的热弹性温度变化，并可自动进行相关同步处理。采用这种技术后，桥面板纵向裂纹、焊缝走向裂纹都可以检测出来。

　　钢桥面板疲劳损伤的维修与补强

　　钢桥面板的疲劳损伤，其损伤类型较多，大致可分为如下几种形式——桥面板与闭口肋相交的焊缝部位、纵肋与横肋相交的焊缝部位、桥面板与竖向加劲肋相交的焊缝部位的疲劳裂纹等。

维修与补强基本原则

　　(1）防止裂纹扩展对策

　　对于焊缝走向裂纹，其原因之一是熔深不良，主要做法是确保闭口肋外侧开坡口熔深大于75%。美国的AASHTO 规定熔深为80%。

　　以前，U肋焊缝的熔深只有板厚的一半以下，保证75% 的熔深后焊缝走向裂纹就会减少。焊缝走向裂纹大多数是从与横肋相交部位开始，两横肋间的部位也时有发生。焊缝走向裂纹如图5所示，沿焊缝水平方向发展，发展到中途某位置又向下斜向发展，发展快的时候一年可达到数十毫米。

　　对这种裂纹可通过设置止裂孔的办法控制向前继续发展，但是由于U肋腹板的剪力大，主应力的方向与焊缝斜交，裂纹在下方屈曲位置多向分歧，有时也向桥面板方向发展，屈曲位置如图5右侧所示设置观察孔。

　　但由于开口部位周边有应力集中，所以裂纹再发生的可能性也有，因此，对开口部位周边焊缝的整修也应慎重进行。

　　

图5 防止焊缝走向裂纹扩展的对策

　　(2）换肋

　　换肋，即拆除既有纵肋、安装新的纵肋。通常靠桥面板一侧要用螺栓连接，所以在现场组装成闭口肋。更换纵肋时必须确保原有纵肋刚度，所以使用较厚的板。

　　在被切断的既有纵肋端口要设置端板防水。对于跨过横肋交叉部与桥面板焊接的裂纹，有必要设置纵肋与横肋连接的角钢作为垫板。

　　在更换肋时，与旧纵肋相比，因采用厚板，刚度增加，在新旧交接部位旧焊缝处有应力集中，此处易成为新的薄弱部位。特别是纵肋切断露出的焊缝根部垫板边界位置，由于刚度突变，使焊接部位应力急增，可能会导致从开口焊焊缝根部附近开始会再次发生裂纹。

　　为此，有时采取留出数毫米不与桥面板焊接，使焊缝根部露出部位从新老肋边界错开。这时，在新设肋与桥面板之间插入垫板，避开剩余的焊缝部位。

　　(3）采用SFRC 铺装对桥面板进行补强

　　考虑对桥面板侧焊缝，竖向加劲肋上端的疲劳裂纹的预防与防护，SFRC铺装的应用实例开始增多。通常，SFRC 板厚为50～80mm，是无筋混凝土，但掺入了20～30mm长的钢纤维（掺量为100kg/m3），以提高耐久性。

　　采用SFRC 铺装，通过粘结剂增加与桥面钢板间的粘结，可以不布置剪力钉，实现快速施工。采用SFRC补强可以减少桥面板的弯曲应力、减小荷载对相邻纵肋的交叉影响，与无SFRC铺装相比，可减少10%～20%，但对于离开桥面板与横肋交叉部位槽口周围的应力减小并不明显。

　　发生在纵肋上的裂纹，在SFRC施工前应进行防止裂纹扩展的处理，如果裂纹较长，应更换纵肋后再施工SFRC。

　　(4）焊接修补

　　在日本，焊缝走向裂纹多数连续发生在钢桥面板范围。修补方法是从桥面板顶面开坡口，从一侧的侧面焊接，使其焊透。由于焊接时上方有桥面板，下方有U肋，操作的制约条件很多，加之往肋内侧的导风成为新的疲劳弱点，施工难度大。

　　现在正在研究一种新方法：把备有TIG用火焰的台车，伸入U肋内，从U肋内部对桥面板焊接的焊缝根部再施焊，以改善焊缝根部的性状。然后，再从外面进行修补焊接。

钢桥面板纵向裂纹的处治

　　裂纹如贯穿到桥面板，对桥面板承受交通荷载的能力将会造成较大的影响。为防范于未然，有必要采用UT技术检测桥面板内在裂纹，采用设置止裂孔的方法防止裂纹扩展。

　　但是，也有设置止裂孔后再次出现裂纹的例子，大多都是从焊缝根部露出的焊接部位开裂，这是因为没有考虑长久对策的缘故。桥面板纵向裂纹的发生难以预测，预防的较好措施是采用SFRC对桥面板进行补强。

　　(1） 加大桥面板的厚度

　　由于桥面板厚度对纵肋与桥面板连接焊缝构造的应力影响较大，所以，2012年修订公路桥规范时，将桥面板的最小厚度由12mm改为16mm。

　　(2）止裂孔

　　从桥面板的上下钻孔取样，可以看到裂纹在板的表里的长度是不同的。钻孔之前采用UT技术，在板的下面检测确定裂纹前端位置。

　　(3）焊接修补

　　如图6所示，当裂纹较小时，从桥面板的顶面用研磨机向下开坡口，采用直接焊接的方法填缝。此时，裂纹的起点位于U肋的内侧，设坡口时尽量把桥面板底面的坡口开小一点。

　　

图6 桥面板纵向裂纹焊接修补实例

　　纵肋与横肋相交部位焊缝的疲劳损伤处治

　　纵肋与横肋相交部位的裂纹有两种形式，一是靠桥面板侧呈扇形，二是下端槽口部周围焊缝的裂纹。槽口部的裂纹有U肋侧焊缝边界裂纹（图7左）、横肋侧焊缝边界裂纹（图7右）以及上方扇形部位的裂纹三种。

　　作为槽口部的疲劳裂纹对策，可布置角钢使U肋与横肋之间的槽口固定，控制焊接区的应力（图8）。也可把槽口做成向上延伸的形式，通过承托效果来缓解焊缝边界的应力集中。也可以同时采用以上两个方案。

　　

图7 纵肋与横肋相交部位U肋处的裂纹与止裂孔

　　关于U肋侧裂纹的修补，焊缝边界裂纹较小时，切除裂纹后先打磨，再用TIG技术对裂纹区进行施焊与精加工。当裂纹发展到U肋母材，如图7右所示，在裂纹前端设止裂孔，U肋侧的裂纹也可以按图8的办法进行修补。

　　关于图8方案中槽口的进深，可取15～30mm，应力集中点就转移到母材侧，有可能降低裂纹发生部位的横肋焊缝边界应力。但是，U肋与横肋的结合长度变小以后，槽口边缘有时也会产生很大的应力。

　　横肋裂纹长的时候（图9 右）可考虑用角钢补强。如采用下面固定和槽口组合的方案，可使U肋、横肋二者的应力降低。

　　

　　图8 U肋下部固定方案

　　

　　图9 用角钢控制槽口开口部的变形

　　竖向加劲肋上端的疲劳损伤处治

　　主梁腹板侧焊有竖向加劲肋（简称VS），当汽车车轮通过桥面时，VS周边的焊缝会发生裂纹，而且会向桥面板方向延伸。

　　一旦裂纹发生，同一车道下的VS也会出现裂纹，所以在同一跨度内的损伤数会急增。

　　作为修补对策，如图10所示，将VS的上端切断或切成圆弧形切口。关于上端切断，切断位置焊缝的应力，主梁起焊点等部位都会成为薄弱部位。

　　所以，希望再用角钢与上翼缘连接。有时这种裂纹贯通后应力缓和，不再延伸。关于VS上端切断，可结合主梁起焊点疲劳来考虑，因可期待U肋分担荷载，所以与钢板梁相比，其影响较小。

　　关于圆弧开口，为谋求降低应力，圆弧过大以后，从圆弧部位开始产生裂纹，所以把半径控制在30～60mm，在桥面板下面附近位置设置切口为佳。

　　

图10 竖向加劲肋上端裂纹修补方法

　　U肋对接焊处的裂纹处治

　　U肋对接焊焊缝上的裂纹，通常出现在U肋的腹板面与肋下缘R部。其原因是内侧垫板焊接存在缝隙，有时，在使用初期就产生这种裂纹。如果在同一断面有多个相邻U肋对接，裂纹发生后将会影响桥的承载力。

　　作为防止对策，设置防止裂纹向桥面板扩展的止裂孔以及拼接垫板。由于这类裂纹向桥面板方向扩展，为防止扩展，可在U肋腹板对应的桥面板正下方开一个扇形缺口。

　　安装垫板时在翼缘侧要设置开口，由于开口有应力集中，开口与焊缝交差部位有时会产生新的裂纹。确需封闭开口时，可利用小直径螺栓来进行连接。

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