钢箱梁焊缝疲劳裂纹原因分析与维护技术研究

张华

摘 要：随着桥梁设计施工技术的不断改进，大跨度桥梁发展迅速，其中钢箱梁由于重量小、扭转刚度大、结构优美、施工速度快而成为大跨度桥梁的首选。由于钢梁通常是完全焊接的结构，焊接接头很多，现场施工时会出现焊接质量和焊接残馀应力问题，汽车变载荷容易产生疲劳裂纹，随着使用时间的延长，导致焊缝开裂，强度要小得多。本文对钢箱梁疲劳裂纹原因及维护技术进行了分析，以供参考。

关键词：钢箱梁焊缝;疲劳裂纹;原因分析;维护技术

近年来，钢梁在大跨度桥梁施工中得到了广泛应用，具有轻重、抗风能力强、抗扭刚度大、加工方便、吊装快捷等优点。但是，由于钢箱梁本身的材料和力特点，以及钢梁所处的自然环境，一般较差，长期承受车辆风荷载等动载，易受腐蚀和疲劳损坏。

1 钢箱梁焊缝特征

钢箱梁在工厂内分块、分节段制造形成板单元、板单元制造完成钢箱梁部分形成后，最后形成整个钢箱钢箱梁的焊缝主要分为对接焊缝和角焊缝。对接焊缝通常是V型坡口的对接焊缝，由于臀部焊接在板之间连接，改变交叉直径形式不明显，基本上没有动力流偏差问题，应力集中系数小。角度焊缝包括K型双向角度焊缝和单向角度焊缝，虽然力流偏差存在问题，但承受动态负载的能力很强，单向角度焊缝是V型斜面型焊缝，功率流偏差问题，承受动态负载的能力很差。由于焊接位置不同，钢箱梁结构的焊接可分为对角焊接、垂直焊接、交叉焊接和背焊四种。对角焊接方便、质量好、效率高。垂直和水平焊接是用于立面焊接的垂直和水平焊接，与对角焊接相比，生产率和焊接质量更低。背面是向上看焊接，操作条件最差，焊缝质量不容易保证。工厂处理钢箱梁段时，焊接形式主要是斜焊、立焊和横焊，焊接质量易于保证，主要与屋面进行屋顶焊接、屋顶交叉分离焊接、交叉分离U侧焊接等。

2 钢箱梁典型病害

2.1 涂层劣化

钢梁受长期空气影响，为减少空气中水蒸气的腐蚀，涂层通常涂在钢箱梁表面，钢箱梁支撑涂层使用寿命应大于10年。如果使用时间增加，钢梁会受大气中腐蚀性物质的侵害，涂层老化和损坏，即涂层正在变质。涂料降解的主要类型有粉末、泡沫、剥落、裂纹、锈蚀、锈蚀等。涂层损坏造成变形是钢锈的原因，涂层脱盐特性明显。

2.2 腐蚀

桥梁所处的位置不同，对应的环境也有差异。但空气中含有的工业废气硫化物、氮化物、水分、盐粒子都会使钢箱梁焊缝发生腐蚀。焊缝腐蚀后的会使截面减小，降低刚度和承载力。同时腐蚀产生的锈坑也会增加钢结构发生脆性破坏的风险，锈蚀会严重影响钢结构的耐久性。

2.3 疲劳开裂分析

钢梁结构复杂，内部缺陷难以避免，电机在装车多次时容易出现疲劳裂纹。疲劳裂纹形成机制复杂，不易在早期发现，难以检测和修复，维护成本高，是钢梁桥运行安全最严重的疾病。钢桥内外都有钢箱梁疲劳损坏的例子，随着建筑桥梁使用寿命的扩大，钢箱梁疲劳问题逐渐显现。疲劳裂纹具有普遍性、早期性、多重性和超然性，直接影响和威胁钢箱梁的机械性能和寿命。美国土木工程协会（ASCE）的统计数据显示，80%至90%的钢结构是由疲劳损伤引起的，钢桥疲劳裂纹问题是设计和维护中的一个重要问题。从钢桥，这是一个亟待解决的钢桥领域。随着裂纹检测技术的发展，钢箱梁疲劳裂纹的认识不断深化。钢箱梁的疲劳裂纹类型和分散特性与桥梁结构直接相关悬索桥的钢梁主要承受吊杆的垂直力，钢桥板严重开裂。对斜拉桥的钢箱梁具有垂直水平功率，内部控制板常用于加强刚度调整和内部功率分散，架式垂直隔断钢管裂纹是具体的开裂对斜拉桥，也是对斜拉桥的主要裂缝。此外，长期运输负载可能会对钢箱梁对角桥的外墙造成疲劳损坏。无论桥结构如何，钢梁桥板都是疲劳敏感区域。统计显示，钢桥常见的裂缝类型有：I类、顶板和垂直肋焊裂纹;II类，垂直肋骨赃物焊接裂纹;III類，垂直肋骨和横直径板焊接裂纹;IV，垂直肋底弧间隙裂纹。此外，大量非桥板裂缝、对斜拉桥隔断也是钢箱梁龙门的主要裂缝之一。表1显示了裂缝的特点和原因。

3 疲劳裂纹的检测方法

人工视觉检测主要采用游标杆、放大镜等工具进行，以监测钢箱梁的病情。常用的无损检测方法包括磁粉检测、超声波检测、涡流检测和其他可用于检测钢桥疲劳裂纹的方法，但每种方法都有局限性。钢箱梁疲劳裂纹主要在顶板部位产生，像磁粉检测时磁悬液会在重力作用下向下流淌，影响检测结果。现场环境干扰、结构复杂，超声波检测难以按现行标准规定的检测方法合理检测钢箱梁疲劳开裂。涡流检测是一种无损检测方法，通过确定受检坯料中感应涡流的变化，对导电材料及其制品的某些性能或发现的缺陷进行无损评估，当钢材有裂纹时，则涡流场将发生变化，导致线圈阻抗或感应电压发生变化。涡流检测主要用于钢箱梁表面病害的检测。涡流检测不适用于复杂形状的零件，而且只能发现导电材料的表面和表面缺陷，检测结果也易于受到材料本身及其他因素的干扰。考虑到检测方法的适用性，以及钢箱梁焊缝数量众多，疲劳裂纹可采用视觉检测、磁粉检测、超声波检测等一般综合检测方法。

4 疲劳裂纹的维修方法

修复疲劳裂纹有多种方法，包括焊接裂纹、钻孔、固定钢板（螺栓或粘接）和固定碳纤维，由于现场施工困难以及固定效果的原因，目前常用的修复方法主要是焊接裂纹和固定孔。裂纹焊合是一种常规的疲劳裂纹修复方法，广泛用于修复许多钢结构的疲劳裂纹，修复的基本原则是用煤刨、风铲等方法处理裂纹边缘，然后焊接焊缝坡口，以达到修复原始裂纹的目的。疲劳裂纹形成过程同时也是一个应力释放过程，再次找到应力释放点时，其他地方可能会出现裂纹，此外，焊接位置与背面成一个角度，焊接连接效果也难以理解，导致残余应力再次开裂。打孔是一种简单而经济的终止裂纹的措施，即在裂纹尖端打一个直径确定的平滑圆孔，以阻止裂纹进一步扩展，延长钢结构构件的疲劳寿命。当无法确定裂纹尖端的具体位置时，也可以在裂纹扩展方向上距尖端一定距离处打一个圆孔，此时构件的疲劳寿命为裂纹延伸至止裂孔与疲劳裂纹在止裂孔边再生的寿命之和。

5 结语

本文简要概述钢箱梁的病害类型，针对钢箱梁焊缝疲劳裂纹问题加以分析，分析并提出钢箱梁日常检测与维护的方法。疲劳裂纹是影响钢箱梁使用寿命的主要因素，如何减小疲劳裂纹的产生和对疲劳裂纹进行更有效的维护需要进一步研究。

参考文献

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