浅谈正交异性板疲劳开裂及处治建议

麦鹏

佛山路桥养护有限公司

摘要：随着城市桥梁及公路桥梁对桥梁跨径要求的逐步增加，大跨度桥梁数量在近年桥梁建设中迅猛增长，而钢箱梁由于其刚度大、自重轻，很好地满足跨度及净空要求。随着国内钢箱梁桥运营时间的增长，正交异性板疲劳开裂的病害逐渐显现出来，也成为行业内桥梁养护工作中的技术难点和重点。本文主要结合国内某特大悬索桥钢箱梁正交异性板疲劳开裂病害，分析裂缝产生原因及其发生机理，同时提出相应的处治建议。

关键词：正交异性板；钢箱梁；疲劳；裂缝；止裂孔

1、引言

随着国内大跨径桥梁建设，钢箱梁凭借其自重轻、刚度大的优点得以迅猛发展，而随着桥梁逐年运营，钢箱梁正交异性板疲劳开裂的病害在通车几年内就逐渐显现，其疲劳寿命远远低于设计使用年限，成为桥梁养护工作的重点及难点。对于如何正确处理疲劳裂缝，本文结合国内某大型悬索桥实际情况，深入分析该桥正交异性板疲劳开裂产生原因及病害发生机理，同时从养护角度提出如何采取行之有效的措施减缓病害的发展。

2、工程概况

某桥为独塔自锚式悬索桥，主桥全长680.2m，总体布置为39.64m+5×40m+30m（混凝土加劲梁及锚跨）+350m（钢加劲梁）+30m+29.60m（混凝土锚跨），桥宽单幅主孔为26.1m（钢加劲梁），单幅副孔23.25m（混凝土加劲梁）。设计车辆荷载：汽车—超20级，挂车—120，一级公路，城市A级验算。

主跨钢箱梁采用单箱三室全含钢加劲梁，正交异性板结构，钢加劲梁为扁平流线型封闭薄壁等截面，横断面位单箱三室、非对称多边形。梁高3.5m，顶板厚16mm-20mm，底板厚14mm-20mm，腹板厚16mm，顶、底板U型加劲肋厚10mm。横隔板标准间距3.0mm，除钢-混结合段、吊索处横隔板厚12mm外，其余板厚均为10mm。纵横隔板为实体式构造，板厚16mm，采用板式加劲和纵向加劲。

3、病害综述

养护巡查中发现，该桥运行8年后，U型肋与横隔板连接部位弧形切口处母材开裂，其中右幅箱梁共发现82处该类病害，左幅箱梁共发现39处该类病害，右幅病害明显多于左幅桥，并且病害呈较快的发展态势。病害U肋主要位于车道轮迹线下方，说明目前桥面系的该类病害与桥面荷载存在极强的相关性。病害主要分布在非吊点横隔板（10mm厚），非吊点处横隔板相应处病害占总体95%，吊点对应横隔板（12mm厚）相应处病害占总体的5%。横隔板裂纹大多起源于弧形切口起弯点处，裂纹长度最长为210mm，部分裂纹已裂至相邻U肋横隔板中心线。部分相邻U肋间横隔板弧形切口位置均存在开裂的现象，两条裂纹呈交叉走向。部分横隔板弧形切口裂纹上下钢板存在纵向错位现象。病害状况见照片所示。

4、病害成因分析

（1）有限元计算分析

为了尽量真实反映钢箱梁在汽车轮载作用下的受力状况，选取10个节间的钢箱梁建立有限元计算模型进行模拟计算。

通过模拟计算，横隔板腹板弧形缺口部位半径为10mm的圆弧曲线段都出现明显的应力集中现象，特别是圆弧与直线连接处。当荷载作用在U形肋正上方时，最大VonMises应力值达到158.7MPa。如果考虑汽车冲击效应和超重的影响，该应力值将会更大。这是该悬索桥钢箱梁正交异性板U形肋与横隔板交叉连接部位弧形缺口半径10mm曲线段大量出现疲劳裂纹的主要原因。

（2）交通荷载分析

随机抽取连续10天单幅的交通数据作为本次样本分析。通过交通量统计结果可知，10天内单幅累计交通量为458943辆，平均每天交通量约4.59万辆，各车道平均每天交通量为9178辆。统计数据显示，实测最大车重为132.7T，实测最大轴重为25.5T，其中2-4车道均存在普遍超载现象，3车道超载现象最明显，11.6%的车辆存在超载现象。目前正交异性板疲劳开裂主要集中在重车道（3、4车道）轮迹线下方，快车道2因离重车道较近，亦存在一定病害，结合大桥交通荷载轴重及总重调查结果可知，疲劳开裂病害与车辆超载存在一定的对应关系。

5、处置措施

对于特别短的裂纹，可对横隔板局部进行切削，并对边缘进行研磨，确保应力传递的顺畅，避免应力集中的发生。

对于较短裂纹，可于普通止裂孔中置入高强螺栓，可以通过对高强螺栓施加预拉力，使止裂孔边钢板表面与螺栓垫板之间产生挤压力，从而延缓疲劳裂纹的再生和扩展，延长构件疲劳寿命。

对于较长的裂纹，在裂纹尖端钻设止裂孔、置入高强螺栓的同时，可进一步于已开裂部位钻孔置入高强螺栓，利用高强螺栓施加挤压力，增加裂纹扩展的阻力，从而可延缓疲劳裂纹的扩展、延长构件的疲劳寿命。

对于裂纹长度很长的状况，考虑到原构件刚度弱化较为明显，为避免诱发其他类型病害的发生，增加病害的处理的难度和复杂性，有必要采取一定的补强措施，可利用附加夹板进行加固，并采用高强螺栓进行栓接。

6、结论

从本文案例可看出，钢箱梁正交异性板疲劳开裂的提早出现主要是由于车流量巨大、超载现场严重所导致，在超高轴载和高频率作用下，正交异性板应力集中区域在高强度应力幅和多次循环的作用下，提早达到疲劳屈服极限而产生破坏。要解决此类病害的发生，需从以下几点着手：

（1）优化正交异性板细部构造设计，减少应力集中区域；

（2）有效治理超载现象，杜绝钢板在高应力幅值作用下长期反复作用；

（3）尽早发现病害，采用钻孔止裂方式释放应力，延长钢材疲劳寿命。