大跨悬索桥钢箱梁焊缝重要性分级方法研究

陈 欣,吉伯海,李心诚,谢曙辉

(1.河海大学土木与交通学院，江苏 南京 210098；2.江苏高速公路工程养护技术有限公司研发部，江苏 南京 211106)

我国长大桥梁的数量和规模位居世界前列，且仍有一批大跨桥梁在建设或规划中，如沪通长江大桥、南京长江六桥等。钢箱梁因具有自重轻、抗扭刚度大、抗风稳定性好等优点，为长大桥梁常用的主梁形式[1-3]。但钢箱梁构造复杂、焊缝众多、焊接残余应力问题突出，在车轮荷载的反复作用下极易产生疲劳开裂[4-6]。疲劳裂纹对钢桥面铺装的耐久性能以及钢箱梁整体结构的运营安全不利，需有效开展针对性的养护工作。钢箱梁焊缝检查是日常养护的重要工作之一，也是开展疲劳裂纹维护工作的重要基础。目前，目视检查、磁粉检测、超声波检测是常用的焊缝检查手段，其中目视检查应用最为普遍。但钢箱梁焊缝数量极多，焊缝检查工作难以覆盖每一条焊缝，因此在实际检查工作中通常针对易疲劳开裂的焊缝细节进行检查。尽管如此，钢箱梁焊缝检查工作量仍较大，难以高效开展。因此，确定钢箱梁焊缝的重要性分级，可为焊缝检查工作提供指导，有效降低养护成本。

焊缝疲劳强度是评估钢箱梁焊缝重要性的重要指标之一。文献[7]基于钢桥面板各构造细节的疲劳强度试验结果，依据Eurocode 3对焊缝类型进行了分类；文献[8]采用了BS5400建议的评估方法，基于顶板与U肋焊缝、U肋对接焊缝等细节的试验数据，对焊缝分类做了进一步研究。上述研究得到的焊缝分类以疲劳强度为单一评估指标，未考虑全桥结构特征、车辆荷载差异等因素的影响，因此未能体现分布于钢箱梁不同位置的同类型焊缝的重要性差异。2007年，日本钢结构委员会对日本首都高速公路和阪神高速公路钢桥面板的疲劳裂纹进行了统计，结果表明横隔板与U肋焊缝、U肋对接焊缝、顶板与U肋焊缝、顶板与腹板竖向加劲肋焊缝处的疲劳裂纹数量分别占裂纹总数的56.3%、3.6%、9.7%、20.9%。江阴长江公路大桥钢箱梁疲劳裂纹统计结果表明，裂纹集中分布于重车道顶板焊缝，且90%以上的裂纹位于顶板与U肋焊缝部位[9]。但对于斜拉桥钢箱梁而言，纵隔板焊缝裂纹、横隔板弧形缺口裂纹较为常见，而顶板与U肋焊缝裂纹相对较少[10]。由此可见，钢箱梁焊缝疲劳裂纹与桥梁类型、焊缝所处位置、焊缝特征等因素有关，在钢箱梁焊缝重要性分级中应合理考虑。

本文基于钢箱梁焊缝位置特征、构造细节疲劳强度、焊缝特征三类评级指标，提出了钢箱梁控制截面、钢箱梁行车道荷载放大系数、焊缝疲劳强度及焊缝特征折减系数4种具体的评定参数，建立了钢箱梁焊缝重要性等级评定方法。基于上述方法，对江阴大桥钢箱梁焊缝的重要性等级进行了评估，并于其疲劳裂纹实际分布特征进行了对比，对该方法的适用性进行了分析。

1 评级指标的确定

1.1 位置特征

焊缝所处钢箱梁位置可分为纵桥向位置、横桥向位置和竖向位置三类。纵桥向位置为悬索桥的各计算控制截面位置，表征钢箱梁整体受力特性；横桥向位置主要为重车道、混合车道、轻车道和停车道，表征汽车荷载作为附加荷载对钢箱梁局部的影响；竖向位置主要为箱梁桥面板和箱梁底板。

纵桥向关键位置可通过全桥的动力响应分析确定。以江阴长江公路大桥为例，其低阶振型以梁体的侧弯、竖弯为主。正对称侧弯时，自振频率为0.050 7Hz，跨中截面位移较大；反对称竖弯时，自振频率为0.090 1Hz，四分之一跨截面位移较大；反对称侧弯时，自振频率为0.119 8Hz，四分之一跨截面位移较大；正对称竖弯时，自振频率为0.127 5Hz，跨中截面位移较大。梁体竖弯时，主要在钢箱梁的顶底板产生拉压应力；梁体侧弯时，主要在钢箱梁的腹板产生拉压应力，顶板横向位置在对应重车道及停车道位置产生拉压应力；梁体扭转时，会在整个钢箱梁截面边缘产生剪切应力。由此可以总结出各截面的相对易变形程度和重要性程度，由高到低依次为四分之一跨截面、跨中截面、八分之一跨截面(八分之三跨截面)。

对于横桥向关键位置，可基于实际裂纹分布情况确定。江阴长江公路大桥的疲劳裂纹主要分布在重车道，其次为混合车道，而轻车道、停车道的裂纹数量相对较少。同时，某大跨悬索桥钢箱梁疲劳裂纹调查结果表明，停车道的疲劳裂纹数量高于轻车道。由此可确定横桥向焊缝的重要性程度，由高到低依次为重车道、混合车道、停车道、轻车道。

对于竖向位置，由于钢箱梁顶板直接承受车轮荷载，疲劳裂纹常见于顶板焊缝部位，而底板焊缝一般不会出现疲劳裂纹。因此在焊缝重要性评级时忽略了竖向位置的影响。

1.2 构造细节疲劳强度

焊缝疲劳强度是影响疲劳开裂的主要因素之一，在焊缝重要性评级过程中应合理考虑。依据钢箱梁疲劳裂纹统计结果，钢桥面板易产生疲劳开裂的细节主要包括顶板与U肋焊缝、横隔板弧形缺口、U肋对接焊缝、横隔板与U肋焊缝及横隔板与桥面板焊缝。依据《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64-2015)[12]，顶板与U肋焊缝的疲劳细节类别为50，横隔板与桥面板焊缝、横隔板弧形缺口、U肋对接焊缝的疲劳细节类别为70，横隔板与U肋焊缝的疲劳细节类别为80。

1.3 焊缝特征

钢箱梁在工厂内分块、分节段制造形成板单元，板单元制造后组拼成钢箱梁节段，最后总拼成箱梁整体。钢箱梁焊缝主要分为对接焊缝和角焊缝。对接焊缝通常为开V型坡口的对接焊缝，由于对接撒焊缝是用于板材间的连接，截面形状变化不明显，基本不存在力流偏转问题，应力集中系数较小。角焊缝包括双边角焊缝和单边角焊缝，双边角焊缝为K型坡口的T型焊接接头，虽然存在力流偏转问题，但是承受动态荷载的能力较强，单边角焊缝为V型坡口的T型焊接接头，存在力流偏转问题且承受动态荷载的能力较差。

钢箱梁结构焊缝因施焊位置不同，可分为俯焊、立焊、横焊和仰焊四种。俯焊的施焊工作方便，质量好，效率高。立焊和横焊是在立面上施焊的竖向和水平焊缝，生产效率和焊接质量比俯焊的较差一些。仰焊是仰望向上施焊，操作条件最差，焊缝质量不易保证。工厂内加工钢箱梁节段时，施焊形式多为俯焊、立焊和横焊，焊缝质量容易得到保障，主要涉及顶板与U肋焊缝、顶板与横隔板焊缝、横隔板与U肋焊缝等。现场拼接时，由于钢箱梁节段整体性大，造成箱梁内侧上方对接焊缝不得不采用仰焊方式，主要涉及U肋对接焊缝等，焊缝质量相对较差。

2 评级方法

2.1 指标参数的确定

为了表示两事物相对权重的对比，层次分析法用标度来量化判断语言。标度的合理性是决策正确性的基础。目前应用最广的标度是1-9标度法，如表1所示。

表1 1-9标度法

注：标度2，4，6，8为相隔标度间的缓冲标度。

运用1-9标度法，可确定各评级指标的参数值。用S表示钢箱梁控制截面等级标度，η表示钢箱梁行车道荷载放大系数，R表示钢箱梁构造细节疲劳等级标度，β表示钢箱梁焊缝特征折减系数，则S、η、R、β的取值分别如表2～表5所示。其中，考虑到过焊孔处的顶板与U肋焊缝极易开裂，该疲劳细节的疲劳等级标度取值为2。

表2 钢箱梁控制截面等级标度S

表3 钢箱梁行车道荷载放大系数η

表4 钢箱梁构造细节疲劳等级标度R

表5 钢箱梁焊缝特征折减系数β

2.2 评级方法

针对提出的三个指标，位置特征表征焊缝受力状况，纵向位置特征反映钢箱梁整体的位移变形和结构动力受力特性；横向位置特征反映汽车荷载的附加作用对钢箱梁局部荷载的放大影响；构造细节反映细部的抗力大小，表征焊缝的疲劳强度；而焊缝特征则根据焊缝工艺和质量针对抗疲劳性能加以修正。据此提出评级公式，见式(1)。对于不同部位，不同细节的焊缝，根据评级公式计算出的结果，只表明不同焊缝的相对重要性。

(1)

式中：index为焊缝重要性指数；η为行车道荷载放大系数；S为钢箱梁控制截面等级标度；β为焊缝特征折减系数；R为钢箱梁构造细节疲劳等级标度。

2.3 等级评定标度

根据各类焊缝对钢箱梁的影响程度，可将焊缝重要性等级分为四类，如表6所示。焊缝重要性等级评定标度可根据焊缝重要性指数index确定。依据所提出的各指标具体参数，可得到index的最小值为0.8，最大值为7.5。因此，可得到1类～4类焊缝重要性等级评定标度所对应的index区间为：[0.8，2.475)、[2.475，4.15)、[4.15，5.825)、[5.825，7.5]。据此，可计算实际桥梁结构中各类焊缝的index值，评估该焊缝的重要性等级。

表6 焊缝重要性等级评定标度

3 评定实例分析

以江阴大桥四分之一跨焊缝为评定对象。对于过焊孔处顶板与U肋焊缝，焊缝类型为角焊缝，焊接方式为俯焊，其焊缝特征折减系数β为0.9，则依据表2～表4及式(1)可计算得到不同车道下顶板与U肋焊缝的index值分别为：4.44(轻车道)、5.33(混合车道)、6.67(重车道)、4.89(停车道)，即轻车道、混合车道、重车道、停车道顶板与U肋焊缝的重要性等级分别为3类、3类、4类、3类，表明重车道的顶板与U肋焊缝极易发生疲劳裂纹，对钢箱梁安全性和耐久性影响较大，这与江阴大桥钢箱梁的疲劳裂纹分布情况一致，如图1所示。

图1 江阴大桥裂纹分布情况对比

以江阴大桥八分之一跨重车道下的焊缝为评定对象，主要包括顶板与U肋焊缝、横隔板与U肋焊缝、U肋对接焊缝及横隔板弧形缺口，四类焊缝的焊缝特征折减系数均取0.9。同理计算得到四类焊缝的index值分别为：3.33(顶板与U肋焊缝)、1.33(横隔板与U肋焊缝)、1.67(U肋对接焊缝)、1.67(横隔板弧形缺口)，即顶板与U肋焊缝、横隔板与U肋焊缝、U肋对接焊缝及横隔板弧形缺口的重要性等级分别为2类、1类、1类、1类，仍然表现为顶板与U肋焊缝为疲劳重点部位，这与实桥裂纹分布统计结果一致。

依据上述计算方法可统计得到江阴大桥不同钢箱梁截面各焊缝的标度，并制定成索引表，见表7所示。其他悬索桥钢箱梁的焊缝重要性等级评定标度索引表可依据类似的方法计算得到。同时，该方法可推广至斜拉桥钢箱梁焊缝重要性等级的评定。

表7 江阴大桥焊缝等级评定标度索引表

4 结论

(1)钢箱梁焊缝重要性评级时，除考虑焊缝疲劳强度外，还应综合考虑焊缝纵桥向、横桥向位置，焊缝类型及焊接方式的影响。

(2)基于焊缝位置、焊缝疲劳强度及焊缝特征，提出了钢箱梁控制截面、钢箱梁行车道荷载放大系数、焊缝疲劳强度及焊缝特征折减系数4种评定参数，并建立了钢箱梁焊缝重要性等级评定方法。

(3)以江阴大桥钢箱梁为例，计算了钢箱梁各焊缝的重要性等级，并与钢箱梁裂纹实际分布情况进行了对比，表明该方法可适用于悬索桥钢箱梁焊缝重要性等级的评估工作。