钢箱梁结构及修复钢箱梁焊缝开裂的方法与流程

本发明涉及钢箱梁技术领域，尤其涉及钢箱梁结构及修复钢箱梁焊缝开裂的方法。

背景技术：

钢箱梁结构由顶板、底板、腹板、纵向加劲肋、横向加劲肋、竖向加劲肋等一系列部件组成，各部件可使用焊接工艺连接而成。由于钢箱梁焊接部位众多，受力复杂，而钢箱梁始终承受着车轮荷载的反复作用，加之焊接过程不确定性因素众多，焊缝处还可能存在焊接残余应力等一系列的影响，钢箱梁焊缝处经常成为结构最容易出现裂纹以及裂纹发展较快的部位。另一方面，大流量、重载交通也加剧了钢箱梁疲劳开裂的产生和发展，特别是对疲劳损伤起主导作用的重型交通量大幅度增加，导致采用钢箱梁截面形式的桥梁成为了钢材疲劳开裂的重灾区。

桥面板与u肋之间焊缝开裂的处治一直是钢箱梁维修养护的重点和难点。受限于在役桥梁大流量、重载交通的特点，在相应疲劳裂纹处治中，无法采取长时间中断交通或影响通行的方式开展养护处治作业，降低通行影响成为了控制可行方案选择的重要因素。针对该类型裂纹的处治，常规的典型修复方法(裂纹焊合法、栓接补强钢板法、组合桥面铺装改造法)在养护开展中受限。

1)焊接法是利用焊接方式，将开裂裂纹处理后重新焊合在一起。由于在相同位置重复施焊，热影响区域会扩大，补焊区的非均匀加热造成一定程度的成分偏析和结构应力，导致补焊区力学性能及微观组织与未补焊区的不同，影响焊接质量。根据相关研究结果，重复焊接会引起抗拉强度和伸长率的降低。除了上述工艺的损伤以外，施工的质量同样难以保障，一方面箱内养护采取仰焊施工质量难以保证，熔透不满足率及施工缺陷将会超过厂内加工。另一方面在不中断交通的情况下，桥面振动也会对焊接施工造成严重影响。

2)栓接补强钢板是通过栓接的方式，在裂纹开展位置跨裂纹补强，起到替代补强作用。该方法需要在u肋及顶板对应位置开孔，会对现有钢结构造成局部削弱，同时螺栓孔处会有应力集中问题。其中对顶板的栓接需要破除顶板对应区域铺装，造成交通的中断。突出的螺栓头会在铺装层局部造成侵占，造成铺装受力薄弱环节。

3)组合桥面铺装改造法是将现有铺装替换为超高性能混凝土铺装，增加铺装刚度、降低钢板应力，从而控制后续裂纹的发展。该方法需要对现有铺装进行破除，同时需要考虑所采用的超高性能混凝土铺装体系与原体系的兼容性问题。同样的长期封闭交通的要求，也限制了该方法的选用。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是现有的钢箱梁结构在焊缝开裂时修复难度大且修复工艺受限的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种钢箱梁结构，包括钢箱梁组件和纵向补强组件，所述钢箱梁组件包括桥面板和u肋，所述u肋的开口端与所述桥面板的底面连接形成横截面为环状闭合结构，所述纵向补强组件粘贴于所述桥面板与所述u肋上，以覆盖所述桥面板与所述u肋连接的焊缝。

其中，所述纵向补强组件沿所述钢箱梁组件的长度方向延伸设置。

其中，所述纵向补强组件包括在所述u肋两侧对称设置的两个补强件，所述补强件的一端粘贴于所述桥面板的底面，另一端粘贴于所述u肋的腹板的外表面。

其中，还包括至少一个横向补强组件，所述横向补强组件垂直于所述桥面板设置，所述横向补强组件粘贴于所述桥面板与所述u肋的焊缝处，且在所述钢箱梁组件的横截面上环绕所述u肋。

其中，每个所述横向补强组件沿所述钢箱梁组件的宽度方向设置，多个所述横向补强组件沿所述钢箱梁组件的长度方向依次分布设置。

其中，所述横向补强组件上设有第一翼缘板和第二翼缘板，所述第一翼缘板粘贴于所述桥面板的底面，所述第二翼缘板粘贴于所述u肋的腹板的外表面。

其中，所述横向补强组件包括多对子横向补强件，每对所述子横向补强件相对设置并拼合连接包围一个所述u肋。

其中，相邻的两对所述子横向补强件之间通过紧固件连接。

本发明还提供了一种修复钢箱梁焊缝开裂的方法，包括：

沿钢箱梁的宽度方向，在桥面板与u肋的焊缝处粘贴包围所述u肋的横向补强组件；

沿钢箱梁的长度方向，在桥面板与u肋上粘贴覆盖所述桥面板与所述u肋连接的焊缝的纵向补强组件。

其中，在桥面板与u肋的焊缝开裂形成的裂缝的两端，沿钢箱梁桥的厚度方向向下钻孔。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明实施例的钢箱梁结构，在桥面板与肋板的焊接焊缝处增设纵向补强组件，纵向补强组件与原结构之间采取粘贴方式，即利用粘贴补强件的方式无损修复钢箱梁桥面板-u肋角焊缝开裂。粘贴补强件是利用高性能的结构粘结剂将高强材料与待加固结构连接，粘贴后的整体结构的平面传力形式代替传统焊接或栓接的集中传力形式，缓解应力集中状况，同时保证了对待修复部位无损处理，另一方面粘贴后的纵向补强组件可方便拆卸，为后续可能的其他替代处理方案预留了可能。在现有技术中钢箱梁养护开展受限条件较多的情况下，纵向补强组件粘贴到钢箱梁疲劳开裂处，在焊接、栓接之外提供了其他可行的方案，起到结构补强，提高承载能力和限制裂缝发展的作用，达到可持续维护、无损维护和尽可能减少对交通通行影响的维修效果。

纵向补强组件的钢板厚度及长度根据受力需要确定，目的一是在沿钢箱梁组件横截面方向的车辆荷载作用下，利用纵向补强组件的横向支撑作用将桥面荷载直接传至u肋受力，改善桥面板与u肋的焊缝受力情况，并且保证原有的受力体系不发生大的转变；目的二是发挥纵向补强组件的刚度效果，来替代和补强裂纹处的刚度。通过粘钢补强的方式，能有效的减小桥面板变形及u肋应力，同等加载条件下，与原结构状态相比，在模拟车轮加载工况下，可以降低19％的桥面板变形和15％的u肋应力，在粘钢可靠的情况下，可以起到良好的结构补强及延缓疲劳发展的作用。

除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明。

附图说明

图1是本发明实施例钢箱梁结构具有纵向补强组件的结构示意图；

图2是本发明实施例钢箱梁结构具有横向补强组件的结构示意图；

图3是本发明实施例修复钢箱梁桥焊缝开裂时钻孔的结构示意图。

1：钢箱梁组件；11：桥面板；12：u肋；

2：纵向补强组件；21：补强件；

3：横向补强组件；31：第一翼缘板；32：第二翼缘板；33：子横向补强件；

4：紧固件；

5：裂缝；

6：钻孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。

如图1所示，本发明实施例提供的钢箱梁结构，包括钢箱梁组件1和纵向补强组件2，钢箱梁组件1包括桥面板11和u肋12，u肋12的开口端与桥面板11的底面连接形成横截面为环状闭合结构，纵向补强组件2粘贴于桥面板11与u肋12上，以覆盖桥面板11与u肋12连接的焊缝。

本发明实施例的钢箱梁结构，在桥面板11与肋板的焊接焊缝处增设纵向补强组件2，纵向补强组件2与原结构之间采取粘贴方式，即利用粘贴补强件的方式无损修复钢箱梁桥面板11-u肋12角焊缝开裂。粘贴补强件是利用高性能的结构粘结剂将高强材料与待加固结构连接，粘贴后的整体结构的平面传力形式代替传统焊接或栓接的集中传力形式，缓解应力集中状况，同时保证了对待修复部位无损处理，另一方面粘贴后的纵向补强组件2可方便拆卸，为后续可能的其他替代处理方案预留了可能。在现有技术中钢箱梁养护开展受限条件较多的情况下，纵向补强组件2粘贴到钢箱梁疲劳开裂处，在焊接、栓接之外提供了其他可行的方案，起到结构补强，提高承载能力和限制裂缝发展的作用，达到可持续维护、无损维护和尽可能减少对交通通行影响的维修效果。

纵向补强组件2的钢板厚度及长度根据受力需要确定，目的一是在沿钢箱梁组件1横截面方向的车辆荷载作用下，利用纵向补强组件2的横向支撑作用将桥面荷载直接传至u肋12受力，改善桥面板11与u肋12的焊缝受力情况，并且保证原有的受力体系不发生大的转变；目的二是发挥纵向补强组件2的刚度效果，来替代和补强裂纹处的刚度。通过粘钢补强的方式，能有效的减小桥面板11变形及u肋12应力，同等加载条件下，与原结构状态相比，在模拟车轮加载工况下，可以降低19％的桥面板11变形和15％的u肋12应力，在粘钢可靠的情况下，可以起到良好的结构补强及延缓疲劳发展的作用。

其中，纵向补强组件2沿钢箱梁组件1的长度方向延伸设置。本实施例中，钢箱梁组件1的横截面方向即桥面板11和u肋12横截面所组成的平面，钢箱梁组件1的长度方向即垂直于钢箱梁组件1的横截面方向，由于桥面板11与u肋12连接的焊缝处容易开裂会出现裂缝，所以纵向补强组件2沿钢箱梁组件1的长度方向延伸设置覆盖裂缝位置，能够加强桥面板11与u肋12结构强度，提高承载能力和起到限制裂缝发展的作用。

其中，纵向补强组件2包括在u肋12两侧对称设置的两个补强件21，补强件21的一端粘贴于桥面板11的底面，另一端粘贴于u肋12的腹板的外表面。本实施例中，纵向补强组件2的补强件21为弧形弯曲钢板，钢板有一处弯折，弯折两侧的部分分别粘贴于桥面板11的底面和u肋12的腹板的外表面，以此连接桥面板11与u肋12，作为桥面板11和u肋12的结构补强。

如图2所示，本发明实施例钢梁箱结构还包括至少一个横向补强组件3，横向补强组件3垂直于桥面板11设置，横向补强组件3粘贴于桥面板11与u肋12的焊缝处，且在钢箱梁组件1的横截面上环绕u肋12。横向补强组件3也设置于桥面板11的底面，为垂直于桥面板11的跨u肋12结构，可改变钢箱梁组件1的局部受力模式，粘贴横向补强组件3的个数根据受力需要确定。本实施例中，横向补强组件3一端粘贴在桥面板11和u肋12上后，另一端向u肋12的闭合端延伸，横向补强组件3在u肋12的两侧呈对称结构，以此实现对u肋12的包围。通过增设横向补强组件3，将局部位置横向刚度补强，与纵向补强组件2共同形成正交异性受力体系，可以降低52％的桥面板11变形和55％的u肋12应力，在粘钢可靠的情况下，能够起到良好的结构补强及延缓疲劳发展的作用，且纵向补强组件2与横向补强组件3同时加固的效果更好。

其中，每个横向补强组件3沿钢箱梁组件1的宽度方向设置，多个横向补强组件3沿钢箱梁组件1的长度方向依次分布设置。本实施例中，钢箱梁组件1的横截面方向为钢箱梁组件1的宽度方向，在一个横截面上可连续设置多个横向补强组件3作为一道横向补强组件3，在钢箱梁的长度方向上可连续设置多道横向补强组件3，从而改变钢箱梁结构的局部受力模式。

其中，横向补强组件3上设有第一翼缘板31和第二翼缘板32，第一翼缘板31粘贴于桥面板11的底面，第二翼缘板32粘贴于u肋12的腹板的外表面。横向补强组件3利用其端部边缘延伸形成的翼缘板贴合桥面板11与u肋12，通过高性能的结构粘结剂进行连接，第一翼缘板31与第二翼缘板32之间为桥面板11与u肋12焊接焊缝。设置翼缘板有效增大横向补强组件3与钢箱梁结构的接触面积，粘贴后更加连接牢固稳定。

其中，横向补强组件3包括多对子横向补强件33，每对子横向补强件33相对设置并拼合连接包围一个u肋12。横向补强组件3可采取整体式或装配式构造，整体式装配即在一个钢箱梁组件1的横截面上，横向补强组件3为一个整体，无需拼合组装，与钢箱梁组件1进行整体拆装连接。本实施例中提供的是装配式装配，每个横向补强组件3包括两个对称的子横向补强件33，子横向补强件33的一端与钢箱梁组件1粘贴，另一端向u肋12的闭合端延伸，组中汇合通过栓接方式进行对接。

其中，相邻的两对子横向补强件33之间通过紧固件4连接。本实施例中，同一钢箱梁组件1的横截面上分布多个u肋12，每个u肋12外侧包围一对子横向补强件33，为保证在同一横截面上的横向补强组件3的整体性，以及提高连接强度和结构强度，各横向补强组件3之间通过紧固件连接，本实施例中，紧固件采用螺栓，以栓接方式进行连接。

本实施例中，横向补强组件3和纵向补强组件2采用的钢板材质、厚度以及长度根据裂纹开裂长度和受力需要确定。纵向补强组件2的弧形钢板采用机械加工方式进行折弯处理，弯曲半径尽量小，以满足贴近桥面板11和u肋12的需求。粘贴所用的高性能结构粘接剂的温度适用范围要兼顾后续铺装更换等高温特殊工况的要求，同时要求具有足够的耐久性，能适用于频繁振动、冲击荷载作用。施工期间，需要采取临时支撑的方式降低振动对粘结剂固化的影响，同时采取必要的施工措施，保证了粘结层厚度满足要求。

本发明目前在工程应用当中，补强组件所用的材料以钢材作为主要基材。其他类似的高强、轻质材料，例如碳纤维板材等也可以作为加工模板的主要基材，具有可替代性。高性能粘结剂选型众多，同样具有替代性。本发明以高性能材料粘贴作为主要的连接方式，栓接、焊接等虽然具有局限性，但仍可作为替代连接方式。

本发明实施例还提供了修复钢箱梁桥焊缝开裂的方法，包括：

沿钢箱梁的宽度方向，在桥面板11与u肋12的焊缝处粘贴包围u肋12的横向补强组件3；

沿钢箱梁的长度方向，在桥面板11与u肋12上粘贴覆盖桥面板11与u肋12连接的焊缝的纵向补强组件2。

本发明实施例的修复钢箱梁桥焊缝开裂的方法，纵向补强组件2与横向补强组件3与钢箱梁组件之间采取粘贴方式连接，即利用粘钢方式无损修复钢箱梁桥面板11-u肋12角焊缝开裂。粘钢是利用高性能的结构粘结剂将高强材料与待加固结构连接，粘贴后的整体结构的平面传力形式代替传统焊接或栓接的集中传力形式，缓解应力集中状况，同时保证了对待修复部位无损处理，另一方面粘贴后的纵向补强组件2和横向补强组件3可方便拆卸，为后续可能的其他替代处理方案预留了可能。在现有技术中钢箱梁养护开展受限条件较多的情况下，纵向补强组件2和横向补强组件3粘贴到钢箱梁组件的疲劳开裂处，在焊接、栓接之外提供了其他可行的方案，起到结构补强，提高承载能力和限制裂缝发展的作用，达到可持续维护、无损维护和尽可能减少对交通通行影响的维修效果。

其中，如图3所示，在桥面板11与u肋12的焊缝开裂形成的裂缝5的两端，沿钢箱梁桥的厚度方向向下钻孔6。利用在钢箱梁组件1宽度方向上粘贴横向补强组件3、在钢箱梁组件1长度方向上粘贴纵向补强组件2与钻孔止裂相结合方式进行钢箱梁组件1的裂纹处理。本实施例中，垂直于桥面板11以及钢箱梁组件1长度方向的方向为钢箱梁组件1的厚度方向，采用无损探伤或探孔检查后，根据探测出来的裂缝5尖端位置钻孔止裂。通过钻孔止裂的方式，一方面截断裂纹发展路径，另一方形成塑性区域，限制裂纹向板和u肋12继续扩展。

1)利用ansys分析软件，建立局部精细化分析模型。其中桥面板11、u肋12、横向补强组件3及纵向补强组件2等采用shell63单元进行模拟；粘钢纵向补强组件2与待修复钢箱梁组件1之间的间隙控制为5mm。采用节点耦合的方式模拟连接；焊缝位置的开裂模拟采取生死单元的方法进行模拟。按照《公路桥涵设计通用规范》(jtgd60-2015)中的车辆荷载验算标准进行加载计算。轮载平均到加载位置的节点上，按照节点荷载施加。重点关注桥面板11变形及u肋12的vonmises应力状况。

理论计算表明，通过粘钢补强的方式，简化方案(只加纵向补强组件2)和完备方案(加纵向补强组件2和横向补强组件3)均能有效的减小桥面板11变形及u肋12应力。同等加载条件下，与原结构状态相比，在模拟车轮加载工况下，简化方案可以降低19％的桥面板11变形和15％的u肋12应力；完备方案可以降低52％的桥面板11变形和55％的u肋12应力。可以认为在粘钢可靠的情况下，上述方案可以起到良好的结构补强及延缓疲劳发展的作用，且纵横向同时加固的完备方案效果更好。

2)对施工完成后的位置进行了效果跟踪。从桥面板11振动、u肋12应力以及粘钢钢板相对错位等角度对效果进行了力学评价。同时，采取超声波探测方式，对内部灌注饱满度进行了定性判断。

经过跟踪监测，监测结果表明。

(1)粘贴钢板后，可以有效的控制桥面板11的振动情况。粘钢前，部分桥面板11在重车冲击作用下，瞬时最大加速度可以达到4g，振动目视可见。粘钢后，桥面板11振动有效降低，在不同车型经过时，整体振动较为平顺，加速度幅值降低到2g以下。

(2)粘贴钢板后，对u肋12应力进行监测。从监测结果来看，不同车型经过时，u肋12底缘应变变化较为平顺，未见明显波动。且长期监测规律同整体升降温变化规律一致。

(3)超声波定性判断，胶层基本均匀饱满。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。