[分享]有料!桥梁钢箱梁疲劳养护现状及关键技术

发表于2020-07-02     187人浏览     1人跟帖     总热度:472  


对症施治 直击病灶——长大桥梁钢箱梁疲劳养护现状及关键技术

来源:桥梁杂志
近年来,得益于国家宏观政策的引导以及全社会的关注和投入,我国桥梁养护技术得到了快速提升和发展。从初期的“重建轻养”到目前的“建养并重”,迎来了新的发展局面。目前,我国长大桥梁管养工作仍面临一系列矛盾和挑战。一方面,日益快速增长的交通量与桥梁养护技术的研发相对滞后之间,矛盾问题突出;另一方面,我国桥梁的“老龄化”问题将会随着桥梁建造数量和服役时间的增加,逐步凸显。今后,如何养好一座大桥,充分发挥桥梁的社会经济价值,降低桥梁全寿命周期养护成本,是桥梁养护管理工作者目前面临的重大技术挑战。

有料!桥梁钢箱梁疲劳养护现状及关键技术_1

在我国目前建成的长大桥梁中,钢箱梁因其卓越的受力性能,在桥梁主梁截面形式中得到了广泛应用。然而,钢箱梁长期承受车辆荷载的直接作用,在风、温度等环境因素的耦合影响下,难以避免地会产生涂层劣化、腐蚀、疲劳开裂等系列病害。其中,疲劳裂纹的产生,不仅影响结构局部的正常受力,特殊情况下,还会降低铺装层结构的耐久性,造成铺装层开裂、钢箱梁渗水锈蚀等系列次生病害。因此,对于长大桥钢箱梁养护而言,我们应重点关注钢箱梁疲劳损伤问题,通过采取及时有效的维护措施或手段,提升钢箱梁抗疲劳性能,提高钢箱梁结构的耐久性,确保钢箱梁结构运营安全。

疲劳裂纹的成因

钢箱梁疲劳裂纹成因复杂,其种类、数量、分布特点与桥梁结构形式、交通量情况、服役年限等直接相关。悬索桥、斜拉桥由于结构体系、钢箱梁构造特征的差异,其钢箱梁疲劳开裂特征亦存在明显的区别。悬索桥钢箱梁主要承受吊杆传来的竖向力,钢桥面板开裂较严重;斜拉桥钢箱梁存在纵向水平力,内部常采用纵隔板进行刚度加强与内力分布的调整,桁架式纵隔板为疲劳裂纹萌生热点部位之一。桁架式纵隔板裂纹亦为斜拉桥钢箱梁特有的疲劳裂纹之一。但总体而言,目前,长大桥梁钢箱梁的典型疲劳裂纹主要可分为5类(见图1)——Ⅰ顶板与纵肋焊缝裂纹;Ⅱ纵肋对接焊缝裂纹;Ⅲ纵肋与横隔板焊缝裂纹;Ⅳ 横隔板弧形缺口裂纹;Ⅴ纵隔板焊缝裂纹。各类裂纹特征及成因见表1所示。

有料!桥梁钢箱梁疲劳养护现状及关键技术_2
图1 长大桥梁钢箱梁主要疲劳裂纹类型
有料!桥梁钢箱梁疲劳养护现状及关键技术_3
养护的现状与瓶颈

钢箱梁养护的特殊性

长大桥梁钢箱梁因其特殊的结构特点和受力特征,与目前中小跨径桥梁钢箱梁存在较大差异,主要体现在——

① 体量大。钢箱梁的主体结构由横向、纵向构件通过焊接手段组合而成,对于千米级大跨桥梁而言,其整体的焊缝数量众多,焊缝总长度可以达到十几万米,现场养护工作量巨大。

② 构造复杂。为了保证钢箱梁的整体受力性能,在其局部的构造中均设置了不同的加劲肋,使得原有的受力结构更为复杂,病害的成因和发展更难预测。

③ 可操作空间小。钢箱梁自身的结构体系庞大,内部空间宽敞,但由于局部构造众多且复杂,实际的可操作空间仍比较小,大型养护设备及专业养护技术难以适应狭小的操作空间,制约了先进技术手段的应用。

④ 交通量大。大跨径桥梁往往处于交通咽喉地段,交通量巨大。相比于中小型桥梁的可中断交通养护,大跨径桥梁难以采取此类的养护策略。这也进一步制约了大型、先进的技术装备的现场应用。

以上的这些差异性决定了钢箱梁养护工作的开展,必须立足于其自身的客观条件和现场的特殊需求,开展针对性养护。

焊缝检查

由于钢箱梁内部可视范围小、视线阻挡严重,图像识别技术难以开展实桥应用。目前,钢箱梁内部的焊缝检查仍以人工目视检测和磁粉检测为主。磁粉探伤重点针对人工观测有疑问的部位进行确认,但受制于技术的局限性仅适用于表面裂纹,难以发现钢箱梁焊缝的隐蔽裂纹,如图2所示。同时,在当前钢箱梁焊缝检查工作中,通常仅关注有无裂纹以及裂纹长短,尚未针对裂纹尖端进行精确检测,难以有针对性地开展维修工作。对于图2中的隐蔽裂纹,通过常规检测技术仅能确定肉眼可见的裂纹尖端,但这样的检测结果与裂纹实际尖端存在较大误差,容易导致裂纹维修后短时间内产生二次开裂。根据现场裂纹维修及跟踪观测,大部分维修后裂纹的二次扩展与裂纹尖端的判断错误有关。相比于目视检测、磁粉检测技术,超声波检测技术在隐性裂纹检测方面具有较好的可行性。但目前超声波检测技术仅能应用于U肋对接焊缝等简单构造细节处疲劳裂纹的检测工作,尚难以应用于复杂构造细节裂纹的检测工作。除此之外,钢箱梁焊缝检查效率的提升、检查流程的标准化、检查辅助工具的研发等,均是当前钢箱梁养护工作的重点之一。

有料!桥梁钢箱梁疲劳养护现状及关键技术_4
图2(a)表面裂纹
有料!桥梁钢箱梁疲劳养护现状及关键技术_5
图2(b)隐蔽裂纹

疲劳维护

钢箱梁焊缝的维护可根据疲劳裂纹产生的前后,进一步分为开裂前的疲劳性能提升,以及开裂后的维修,开裂前的疲劳性能提升也可称之为钢箱梁疲劳损伤预防性养护。对于尚未建设的桥梁,可通过改善结构构造细节和制造工艺等手段,提升焊缝的抗疲劳性能,如加设内衬板、单侧全熔透焊、双面焊等。对于已建桥梁,焊缝的疲劳性能提升往往通过外部的技术手段开展,比如焊缝磨削、设置局部加劲肋、FRP补强、冲击技术等。但目前钢箱梁预防性养护工作仍处于起步阶段,江苏省内的江阴大桥、泰州大桥等开展了钢箱梁焊缝预防性养护工作,但仍处于探索阶段。

在以往的钢箱梁焊缝疲劳裂纹维护工作中,“逢裂必修”的观念根深蒂固,这一方面增加了维护成本,另一方面容易对结构造成二次损伤。针对该问题,部分大桥钢箱梁养护工作中则采用了“部分维修,部分跟踪观测”的策略,即保留一部分短裂纹持续观察,当裂纹进入快速扩展阶段时,再考虑采用合理的维修对策。以往的疲劳裂纹维修技术主要集中在钻孔止裂和裂纹补焊两个方面,但现场实施严重依赖经验,技术实施缺乏合理依据,现场维修操作不规范,导致维修效果参差不齐。如图3所示,由于焊合质量较差,补焊处产生了二次开裂;由于钻孔不规范,止裂孔偏离了裂纹尖端,未起到止裂效果。研究疲劳裂纹维护技术的技术参数及工艺流程,开发新的裂纹修复技术,是当前全面提升钢箱梁养护水平的必要途径。

有料!桥梁钢箱梁疲劳养护现状及关键技术_6
图3 部分不规范维修实例——
(a) 重焊质量差,短时间二次开裂
有料!桥梁钢箱梁疲劳养护现状及关键技术_7
图3 部分不规范维修实例——
(b)孔位偏离,裂纹继续扩展

关键技术的应用

超声波检测疲劳裂纹

对于疲劳裂纹而言,长度、深度、角度是其主要特征参数,通过有效的检测手段获取裂纹长度、深度、角度值,即可重现疲劳裂纹三维特征形态,有利于裂纹维修工作的高效开展。同时,通过裂纹三维特征的可视化,可精确确定裂纹尖端位置,避免对裂纹尖端的误判,提高裂纹维修质量。图4为顶板与竖向加劲肋焊缝裂纹三维特征的超声波检测结果,基于检测结果的裂纹三维特征与裂纹实际特征吻合较好。

有料!桥梁钢箱梁疲劳养护现状及关键技术_8
图4 裂纹三维特征检测结果对比

对于钢箱梁顶板与U肋裂纹而言,若裂纹萌生于焊根,在裂纹扩展初期则为隐蔽裂纹。尽管当裂纹扩展至一定长度后,可从焊趾侧观察到裂纹,但肉眼可见的裂纹尖端并非真实裂纹尖端(见图2b)。由于顶板与U肋焊缝细节构造复杂,传统的单探头超声波检测技术具有较大的局限性,难以适用于该细节。而基于双探头的超声波检测技术,具备检测焊根隐蔽裂纹的可行性,如图5所示。目前正基于理论及试验研究,确定基于双探头的超声波检测的技术参数,并依托代表性桥梁工程开展实桥应用验证。

有料!桥梁钢箱梁疲劳养护现状及关键技术_9
图5 基于双探头的超声波检测技术

钻孔止裂

钻孔止裂技术是目前应用最为广泛的钢箱梁疲劳裂纹临时止裂措施,但由于缺乏标准的钻孔技术参数、流程等,实际止裂效果并不理想。针对钻孔止裂技术开展了深入的研究,围绕顶板与竖向加劲肋、平板、横隔板与U肋、顶板与U肋四种试件,开展了钻孔止裂试验,并结合有限元技术研究了钻孔止裂技术对不同类型裂纹的止裂效果。针对钻孔孔径、孔位、角度等参数开展了针对性的研究,优化了钻孔技术参数。例如,在钢箱梁早期维护工作中,采用的止裂孔孔径为6或8mm,但实际止裂效果不理想。目前,已采用推荐的10或12mm孔径(见图6)。3年的跟踪结果表明,止裂效果较好,但具体参数仍在进一步优化中。早期的钻孔要求止裂孔位置距离裂纹尖端5mm,现已根据分析结果改进为距离裂纹尖端0.5D(D为止裂孔孔径)。同时,允许的钻孔偏心距离不超过5mm,以确保较好的止裂效果。

有料!桥梁钢箱梁疲劳养护现状及关键技术_10
图6 止裂孔孔径的改进

同时,对钻孔设备、工艺、流程进行了改进,以提高打孔质量和效率。首先,对钻头尺寸进行了改进,以适应钢箱梁狭小的操作空间。其次,考虑到在钢箱梁表面钻大孔径止裂孔容易打滑,提出了改进的打孔工艺,即先用小直径钻头钻定位孔,再用目标直径钻头钻孔。在此过程中,舍弃了原先使用的手持式钻机,改用小型磁座钻,提高打孔精度。最后,统一了钻孔实施流程,便于维护信息的档案化管理,如图7所示。基于改进的钻孔止裂技术,实施后持续跟踪2年多以来,近90%的裂纹止裂效果较好,部分扩展裂纹主要归因于孔位偏离裂纹尖端。

有料!桥梁钢箱梁疲劳养护现状及关键技术_11
图7 改进的钻孔流程

气动冲击 阻裂扩展

相比于钻孔止裂、裂纹焊合等传统维护技术,气动冲击技术具有维修速度快、效率高,设备便捷、实用性强,对母材破坏小等优点。该技术通过反复冲击使裂纹开口产生接触闭合(见图8),并引入残余压应力(见图9),从而降低疲劳裂纹尖端应力强度因子,提高疲劳裂纹扩展寿命,起到大幅延缓,甚至阻止疲劳裂纹继续扩展的效果。围绕该技术理论、试验效果、工艺参数等方面开展了针对性研究,初步探明了技术原理,建议了主要关键技术参数,并评估了该技术对不同构造细节裂纹的实施效果。对比试验结果表明,实施气动冲击维修的疲劳裂纹,其扩展速率显著降低,剩余疲劳寿命显著提高。

有料!桥梁钢箱梁疲劳养护现状及关键技术_12
图8 气动冲击作用下的裂纹闭合
有料!桥梁钢箱梁疲劳养护现状及关键技术_13
图9 气动冲击引入残余压应力

考虑到室内试验和理论,难以准确模拟现场复杂受力环境,为了进一步评估该技术的现场适用性、维修效率、便携性,依托实桥开展了裂纹的气动冲击维护工作,目前90%以上的裂纹尚未产生明显扩展,阶段性效果显著。

长期观测裂纹

由于桥位环境、实际运营环境,以及钢箱梁结构的复杂性,钢箱梁的病害成因及发展规律仍具有较大的不确定性,无法通过现有研究手段准确揭示其作用机理:一方面,现有的有限元分析手段,仍无法精确模拟实际结构的裂纹萌生及发展过程;另一方面,试验研究手段仅能够考虑结构自身特性,而无法反映复杂运营环境的影响。因此,针对钢箱梁疲劳裂纹开展现场跟踪工作,是目前研究疲劳裂纹发展规律最直接、最有效的手段。如图10所示,依据目前统计结果,疲劳裂纹的长期跟踪应持续3~4年,基于大量基础跟踪数据的总结,有利于形成科学、客观的结论,为钢箱梁养护决策提供充分、可靠的依据。在开展钢箱梁养护新技术试验性应用的同时,通过开展应用效果的长期跟踪观测评估,可为相关技术的改进提供有效的依据,形成“试应用—跟踪—评估—改进—再应用”的良性循环。

有料!桥梁钢箱梁疲劳养护现状及关键技术_14
图10 疲劳裂纹二次扩展时间对比

对于大跨径桥梁而言,钢箱梁箱室高度一般为3m左右,检修人员需借助人字梯才能贴近顶板焊缝进行检测,不仅费时费力,高空操作时还存在人员安全隐患。为提高钢箱梁现场跟踪效率、确保工作人员安全,研发了钢箱梁高空检视简易装置(专利号:201820011286.7;201721246548.X),并依托实桥开展了现场应用。结果表明,应用该装置可显著提升日常检查效率40%以上。

有料!桥梁钢箱梁疲劳养护现状及关键技术_15
图11 钢箱梁高空检视简易装置应用

精细化养护

钢箱梁养护工作的精细化,是当前养护工作进一步提升水平的需求,也是新形势下钢箱梁养护的发展方向。精细化养护可有效推动养护工作由粗放型向节约型、由被动向主动转变,实现养护工作的新跨越,提升养护技术精度,也必然提升养护管理效果。钢箱梁养护涉及众多因素,通过养护的信息化和精细化,提升养护管理和服务水平,降低运营成本,实现钢箱梁养护成本控制和技术效果提升的协调发展。积极吸收最新的信息化和精细化管理技术,如BIM技术、物联网技术等,实现养护环节的信息化管理,以及大数据挖掘技术实现信息化评估和预测等。

钢箱梁养护规范性文件是开展精细化养护工作的重要依据及支撑。目前,我国钢箱梁养护的标准化工作,仍有许多方面有待进一步加强。交通部编制修订的《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTGT J21-2011),对于大跨钢箱梁的针对性不足。《公路桥涵养护规范》(JTG H11-2004)、《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/T H21-2011)主要针对中小桥梁的养护工作,对长大缆索桥梁的适用性不足。
本文来源于网络,仅供学习交流

扫码加入筑龙学社  ·  路桥市政微信群 为您优选精品资料、免费课程、高端讲座
分享至

分享到微信朋友圈 ×

打开微信"扫一扫",扫描上方二维码
请点击右上角按钮 ,选择 

 发表于2020-07-02   |  只看该作者      

2

收藏好!桥梁钢箱梁疲劳养护现状及关键技术

查看原图
分享
开始 ||
x