公路正交异性钢桥面板疲劳裂纹加固方法研究.pdf

钢结构工程研究钢结构2 0 l O 增刊 公路正交异性钢桥面板疲劳裂纹加固方法 研究 张彦玲1 李运生1 王元清2 潘鹏2 1i 寡m m r * i m0 5 0 0 4 32 清4 # 太学镕自I q K 曲教育* t 女女ij 巴自1 0 0 0 8 4 提要：随着交通漉量增大和车辆轴求的提高，钢正交异性桥面扳易千靛牛疲劳开裂问题，尤其是在重车 遵附近桥面板发生裂纹后，引起桥面铺装层破坏，使得车轮荷载直接作用在铡桥面板上，桥面板应力幅 增大，裂纹扩展迅速危及桥梁和 i 车安全本文对正变异性锅桥面板拄生疲劳裂纹的主要原因和加固方 法进 r 了总结，对几种可行的加崮方法的优劣进行了L t 较，介宝 r 日前世羿范围内已经应用的加固方法， 效果比较好的为高性能混凝上桥面铺装层法，该法能有效的降低钢桥面板的心力坩望对正变异性钢桥面 板的加固工作有所借鉴 关键词：钢桥；正交异性钢桥面板，披劳裂纹；加固方沾 1 概述 钢T F 变异性板桥面是在第次f | = 界大战之后于5 0 年代初期出现的开始时纵肋用开口 截面，在6 0 年代逐渐改为闭口截面有v 掣和u 型两种基本形式：早期纵肋宜接焊接在 横粱或横隔板上，现代钢桥设计中均改为纵肋连续通过横粱并在横粱部位开过焊f L 。

正交 异性钢桥面板的基本构造直【】图1 ( a ) 所示桥面扳的裂缝如图1 ( b ) 所示 正交异性钢桥面板目前被广泛用于大跨度钢桥中，但是随着交通流量增大和车辆轴重 增加全世界范围内都出现正交异性钢桥硎板疲劳开裂问题虽早出现疲劳裂纹的是英国 的S e v e n 桥，1 9 6 6 年建成通车，1 9 7 1 年和1 9 7 7 年就发现了疲劳裂缝在日本、美国、 法国、荷兰、巴西等世界各国都发现了钢桥疲劳开裂问题 H 3 1 o “艘异性晰面板 目l 腋R 口目* 目茹髫异性桥面扳的桥而嬲 m 日目H A * & ”蚶口f2 0 D 9 6 0 0 3c 、2 0 1 0 6 0 0 4J 钢结构工栏研究固 钢结构2 0 l O 增刊 我国自L 世纪9 0 年代以来，人跨度及超大跨度钢桥广泛修建8 1 ，如苏通长江大桥 ( 1 0 8 8 m ) 、南京长江三桥( 6 4 8 m ) 、殉山四堠门人桥( 1 6 5 0 m ) ，润扬长江大桥( 1 4 9 0 ) 、 汀I | 长江大桥( 13 8 5 m ) 、虎门大桥( 8 8 8 m ) 等均采丌 l F 变异性铡桥嗑1 板。

在铁路铡桥建瞪 一Ia ，也逐渐采用l l _ ! 交异性钢桥面板系，如京沪高速铁路人必洲人桥，人胜关长f r 大桥等 在这些桥梁建设之前，就列专项课题对| E 变异性桥面板进行疲劳试验研究，如苏通K 江大 桥就专门对正交异性钢桥面板关键构造细节进行了疲劳试验，樽H 往现有工艺条件下构造 细节的疲劳强度但是随着交通量增大和轴重增大，我国钢桥l E 交异性桥面板的疲劳问题 也会日益突出 本文对正交异性铡桥哑板疲劳裂纹产生的机理、桥面疲劳裂缝出现后如何进行加固进 行了阐述，对目前已有的加固方法进行了介绍 2 桥面疲劳裂缝产生的原因和裂缝位置 正交异性钢桥面板出现疲劳裂纹的机理比较复杂但普遍认为有| 三【下几个方面原因形 成的【”：1 ) 变通流量逐年增大，重载车辆所占比重较大并且超载严重：2 ) 在车轮的反复 作用，各种焊接细节的麻力影响线短，一辆车经过时可能形成多次应力循环：3 ) 桥面板构 造中应力分布复杂，各焊接细节的应力集中比较严重，远远超过了其应有的疲劳强度 根据人量的疲劳开裂实例和盔| | 节疲劳试验可知，正交异性钢桥面板疲劳裂缝主要出现 在再载车道附近土要有两类焊接细节的疲劳裂纹：1 ) 纵肋与桥面板的焊接连接；2 ) 横 粱( 横隔板) 与桥面的焊接连接处。

目2M * 月K 蟹n * 图2 显不了桥m J 与纵肋焊缝连接的可能裂缝形式桥面疲劳裂缝可以发生在焊缝趾部， 如裂缝1 和裂缝3 分别击穿桥面板和肋壁：也可发生在焊缝根部，如裂缝2 和裂缝4 分别 由穿轿面板和焊缝影响开裂面位置是加载的位置，焊缝的质量和有效厚度t 等因素裂 缝4 可以采用加人焊缝厚度来避免桥面裂纹可引起桥而铺装层扦裂失效，使桥面板南接 承受车轮的冲击，增大桥面板的弯曲应力，加剧裂缝的扩展 3 桥面疲劳裂纹加固的方法 1 ) 局部桥面疲劳裂纹维修加固 对于已经击穿桥面板的疲劳裂纹可咀用简单的方法进行维修，提高连接部位的强度， 如粜桥面裂缝单一，不长不宽、没有不平整的边缘，可以采用下列方式进行维修：( 1 ) 除 制结构工程研究锕结构2 0 l O 增刊 去裂缝上方的铺装层：( 2 ) 确定裂缝长度，将裂缝加_ T 成船型：( 3 ) 用全熔透对接焊重新 焊接，打磨焊缝使之与两侧齐平；( 4 ) 重新检测并恢复桥面铺装如图3 所示这种修复 裂缝的方法，并没有减少该处连接所受的弯曲应力，但是将产牛裂纹的初始缺陷消除了 3 桥# 简g 目a 镕 2 ) 桥面疲劳裂纹加固的方法 目前应用较多的为高性能混凝上晕做铺装层法【”，在荷兰、巴西、日本已经有成功的 应用。

预制夹层板法目前在德国也正在进行试验研究，他是采用两层钢板中间加一层橡胶 的做法见圈4 吼 目4 灾g 枉幕( S P S ) I 目* 2 橡K 目 下面介绍几种可行的维修方法图5 为6 种加固方法，表l 和表2 分别对这六种加 同方法进行技术指标和优劣比较 型墼堂笋逝幽磐皇鲁唾出 目5t i # * 镕桥* m # # & t 盘R 性目# * 日月# 加同方式旧桥而既有裂缝材料结构形式琏接方式 受力方式 备注 ( a ) 高性能混凝上除去不修补混凝土浇注层粘结完争组合 ( b ) 压型铝板加固除去不修补铝扳板式牯结螺栓部分组合 ( c ) 压型铡板加固 除去不修补钢扳j 匾式粘结螺栓部分组台 ( d ) 一层钢板加固 除去 不修补钢板垣式粘结完全组合 ( e ) 预制央层扳加固 除去 币修补预制板板式粘结完争维合 S P S ( f ) 肋内填充混凝土小除去不修补混凝上浇注粘结部分组合在重车道F 钢结构工程研究钢结构2 0 1 0 增刊 4 实际加固案例 1 ) 英国S e v e r n 桥加副1 1 表2 正交异性钢桥面板加固方法优缺点比较 加固方式优点缺点 ( a ) 高性能混凝搠合黼蔷麓麓鬟蕊。

器晰混凝蜴礁 ( b ) 压型铝板加固 ( c ) 压型钢板加固 ( d ) 二层钢板加固 ( e ) 预制夹层板加固 ( f ) 肋内填充混凝土 可用于局部加固，重车道的横梁处； 减少桥面板的应力； 可用于局部加固，重车道的横梁处； 减少桥面板的应力； 桥面附加高度小；桥面不平影响小； 夹层板可以预制； 铝和钢的温度膨胀系数不同；二者的 电腐蚀性不同；钢梁防腐问题；粘结 层的寿命有限并且缺少经验 连接缺少经验；粘结层是不连续的； 桥面不平顺误差影响大 缺少粘结经验，粘结层寿命有限 预制板的疲劳和耐久性要求高；缺少粘结 经验；预制板不一定适合桥面不平顺； 在桥面下进行力固；减少交通黼冀襄茔黯? 臣很难保证桥面和 1 9 6 6 年通车的英国S e v e r n 桥渡，钢梁全部采用止交异性钢桥面板的单室单箱截面梁， 在肋与桥面连接处原采用角焊缝，焊脚长度6 m m ，通车1 1 年后发现此处有裂纹按原构 件制成疲劳试件，试验结果表明其抗力为F 级( B S 5 4 0 0 规范) 若将现有角焊缝铣去，在 纵肋壁开坡口，用多趟仰焊，让角焊缝焊脚达9 r a m ，有效厚度( 喉深) 达7 5 m m ，则所得 构造的疲劳抗力能越过D 级，可满足要求。

按上述方法进行加固时采用了专门的设备，在箱粱内底板上架设门架，其立柱的长度 可用汽缸调节，在门架上设置轨道，轨道上安装载有机具的跑车，让机具通过可调节的球 面支撑抵紧桥面板和纵肋，而铣削深度都是以相对桥面板和纵肋来决定这套设备在实验 室和实桥中反复调试并修改后，用于S e v e m 桥渡的加固中其铣削的速度是2 0 m m m i n ， 对每一长为4 5 7 m 的纵肋，需要4 0 个工时 2 ) 日本M a i h a m a 桥加固1 日本首都高速公路上的M a i h a m a 桥，为正交异性桥面板钢箱梁，于1 9 7 8 年通车运营， 日交通量为8 0 0 0 0 辆，大型卡车占1 5 ，目前在重车道发现很多桥面疲劳裂缝 在进行桥面加固之前，选取了三种加固方法进行足尺寸试件，在实际车辆作用下试验 ( 1 ) 直接粘1 2 r a m 厚的第二层钢板( 方法d ) ，主要用于开裂区的临时修补；( 2 ) 上铺钢 纤维混凝土，直接形成组合桥面系统( 方法a ) ，该法能明显降低桥面板应力，2 0 0 4 年用于 加固Y o k o h a m a 海湾大桥；( 3 ) U 肋内填充轻质混凝土( 方法f ) ，这种方法的加固效果仅 体现在U 肋内填充混凝土的区域，其它部分的应力反而增加。

试验表明，桥面加上钢纤维混凝土铺装后，肋与桥面板焊缝附近的应力降低明显，在 桥面经过4 4 1 0 6 次循环后仍没有出现疲劳裂纹 3 ) 荷兰正交异性钢桥面板加固哺3 荷兰最早进行试验研究是针对1 9 9 0 通车的V a nB r i e n e n o o r d 开启桥，桥面仅有5 r a m 的 1 6 钢结构【程研究 钢结构2 0 1 0 增刊 环氧沥青层1 9 9 7 年发现桥m 裂纹，裂纹主要集中在重车道，横粱、u 肋与桥面的相变处 1 9 9 8 年荷兰交通部在比较加陶方案试验中，对加固方案( a ) 、( d ) ，( f ) 进行丫比较，结果 发现，以轻质高性能混凝士桥面，可以显著的降低桥面板的应力，桥面应力可从1 2 4 M P a 降到2 8 M P a 根据试验对两车道的C a l a n d 桥进行了加固，根据寿命估算，加固后桥梁寿 命会增加4 0 年 C a l a n d 桥加固的基本过程如F ：除去5 c m 的旧沥青层，表而进行喷砂处理，对重车道 肋与桥面板的焊缝进行检查( 超声波检测) ，如需要修补，可采用埋弧焊进行修补，再进行 喷砂处理在其上铺设2 m m 厚的环氧粘结层，并喷洒3 - - 6 r a m 的铝土颗粒，使混凝士和钢 材之间能更好的粘结。

在粘结层上铺设5 0 x 1 0 0 r a m 的直径8 m m 的钢筋网，浇注总厚度为 5 0 r a m 的高性能钢纤维掘凝土( 纤维含量为7 0 k 窟，m 3 ) ，昂小厚度不小于l O m m 为了使混凝土层0 环氧铝十层更好的粘结重要的方法是要有足够的压实能量试验 表明6 0 H z 的振动压实机即可满足要求，要求通车前混凝上层的抗压强度达到5 0 M P a ，并 且注意养护最后一道工序采用移动喷砂机打磨混凝土表面，使表面平整但是抗滑度要达 到要求 ：二：塑曳遍j 鲨! ：：：：_ 兰 ( 8 ) # = C a l d *( ) C a l a n d * * 自目f ( c ) * * 目K * g 月 目6 # ! C a l a a d * ：女# * * i m 4 ) 巴西R i o N i t a r o i 桥加固”“ 该桥为矩形钢箱梁，正交异性钢桥面板双向4 车道，_ F1 9 7 4 年通车，在通车后的 1 5 年中，交通量增加了87 比设计什计量增大了I5 ，并且仅几年重型卡车明显增多 随着桥面疲劳裂纹的增多，2 0 0 1 下半年至2 0 0 2 年初对桥而板进行加同，采用带有剪力钉 混凝土组合桥面的方法，加固采崩分4 ：道加固，不中断交通的情况下进行的。

加同后进行 的实测表明效果良好 7 t 1 州 ：雕_ ，、l H7 * 盔 ：a r e * i T 变R 自桥* “日 # 5 ) 丹麦的F a r o 桥“” 月麦的F a r o 。