正交异性钢桥面焊缝疲劳加固结构及其加固方法

本发明涉及桥梁工程技术领域，尤其涉及一种正交异性钢桥面焊缝疲劳加固结构及其加固方法。

背景技术：

正交异性钢桥面板作为广泛使用的结构形式，具有自重轻、承载能力高，适用范围广等突出优点。正交异性钢桥面板的疲劳问题一直是各国学者研究的热点问题，其中顶板与u肋焊接部位作为疲劳易损部位之一，该部位的疲劳裂纹往往向顶板方向扩展，检修困难，当发现的时候往往已经穿透顶板影响了桥面防水层和铺装层，此时雨水已经渗入钢箱梁内部；同时，对该部位裂纹进行修复加固的时候往往需要中断交通、修复困难，然而此类裂纹是正交异性钢桥面板疲劳裂纹中影响较为严重的。

正交异性钢桥面板的结构形式、成型方式以及反复交变荷载的作用下造成了其疲劳易损性。结构形式的构造复杂、几何不连续造成的应力集中，焊接、热切割所导致的残余应力，加之不可避免的制造误差及大量交通荷载的反复作用共同造成了疲劳易损部位裂纹的出现及扩展，影响桥梁结构的使用寿命，带来严重的安全隐患。针对已建成桥梁出现的疲劳裂纹，现有技术需要采取修复加固措施以保证桥梁结构使用的安全性。

传统的加固方法主要以机械修复和热修复为主，然而传统修复方法存在对原有结构产生损伤引入新的易损部位，施工技术复杂，修复代价昂贵且达不到预期效果等缺点。

因此，如何设计一种施工便捷，可以有效抑制或减缓正交异性钢桥面板的疲劳裂纹萌生或发展，大幅提高疲劳寿命的正交异性钢桥面板顶板与u肋焊缝的加固方式，已成为本领域需要解决的技术难题。

技术实现要素：

本发明提供一种正交异性钢桥面焊缝疲劳加固结构，能够有效抑制或减缓正交异性钢桥面板的疲劳裂纹萌生或发展，大幅提高疲劳寿命。

本发明提供一种正交异性钢桥面焊缝疲劳加固结构，包括钢桥面顶板以及焊接于所述钢桥面顶板的下表面的u肋，设定所述u肋与钢桥面顶板之间的焊接处存在疲劳开裂风险的区域或已经存在疲劳裂纹的区域为疲劳易损区域，在所述钢桥面顶板的上表面且对应所述疲劳易损区域的位置处设有加固补强板。

根据本发明提供一种的正交异性钢桥面焊缝疲劳加固结构，所述加固补强板与所述钢桥面顶板的上表面粘接。

根据本发明提供一种的正交异性钢桥面焊缝疲劳加固结构，所述疲劳易损区域位于所述加固补强板的中部，以使所述加固补强板完全覆盖所述疲劳易损区域。

根据本发明提供一种的正交异性钢桥面焊缝疲劳加固结构，在所述钢桥面顶板的上表面粘接有桥面铺装层，所述加固补强板设置于所述桥面铺装层与所述钢桥面顶板之间，且所述桥面铺装层完全覆盖所述加固补强板。

根据本发明提供一种的正交异性钢桥面焊缝疲劳加固结构，所述加固补强板与所述桥面铺装层之间粘接。

根据本发明提供一种的正交异性钢桥面焊缝疲劳加固结构，所述加固补强板采用纤维增强复合材料或钢材制成。

根据本发明提供一种的正交异性钢桥面焊缝疲劳加固结构，所述加固补强板的纤维方向与所述钢桥面顶板的横向相一致。

根据本发明提供一种的正交异性钢桥面焊缝疲劳加固结构，所述u肋沿所述钢桥面顶板的长度方向延伸设置。

根据本发明提供一种的正交异性钢桥面焊缝疲劳加固结构，在所述钢桥面顶板的下表面还设有多个横向隔板，多个所述横向隔板沿所述钢桥面顶板的长度方向间隔分布，且各所述横向隔板分别与所述u肋相互垂直。

本发明还提供一种正交异性钢桥面焊缝疲劳加固结构的加固方法，包括如下步骤：

s1、将钢桥面顶板上与疲劳易损区域相对应的区域设定为待施工区域，清除待施工区域的桥面铺装层，并将钢桥面顶板上用于设置加固补强板的区域设定为待加固区域，其中待施工区域的面积大于待加固区域的面积；

s2、对待施工区域处的钢桥面顶板的上表面进行清渣、除漆和除锈施工，并打磨至漏出金属光泽，然后采用丙酮或酒精清洁待加固区域并晾干；

s3、对钢桥面顶板与u肋之间的焊接处存在的疲劳裂纹采用焊补法进行修复处理；

s4、对修复处理后的坡口焊缝进行磨光修补处理，使焊缝表面与钢桥面顶板的上表面平齐，再次采用丙酮或酒精清洁待加固区域并晾干；

s5、分别在加固补强板的表面和钢桥面顶板的表面均匀涂抹胶粘剂；

s6、向加固补强板上施加恒定的压力，以使加固补强板通过胶粘剂粘贴在钢桥面顶板上，并养护至胶粘剂达到标准强度，然后解除施加在加固补强板上的压力；

s7、在待施工区域的表面分别进行喷砂除锈、涂刷防锈底漆以及喷涂防水粘结层，然后在待施工区域的表面铺筑桥面铺装层。

本发明中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

本发明提供的正交异性钢桥面焊缝疲劳加固结构，设定u肋与钢桥面顶板之间的焊接处存在疲劳开裂风险的区域或已经存在疲劳裂纹的区域为疲劳易损区域，通过在钢桥面顶板的上表面且对应疲劳易损区域的位置处设置加固补强板，从而对钢桥面顶板与u肋之间焊接处的疲劳易损区域进行加固，提高了钢桥面顶板与u肋之间焊接部位的局部刚度，其中对于还未产生裂纹的区域(也即，存在疲劳开裂风险的区域)，能够有效改善钢桥面顶板与u肋之间焊缝应力集中状况，抑制或延迟疲劳裂纹的萌生；对于已产生裂纹的焊接部位(也即，已经存在疲劳裂纹的区域)，能够有效改善裂纹尖端应力状态，有效抑制裂纹进一步扩展。由此，本发明提供的正交异性钢桥面焊缝疲劳加固结构，结构简单、可靠，能够有效抑制或减缓正交异性钢桥面板的疲劳裂纹萌生或发展，大幅提高正交异性钢桥面板的疲劳寿命。

本发明提供的正交异性钢桥面焊缝疲劳加固结构的加固方法，通过在钢桥面顶板的上表面且对应疲劳易损区域的位置处进行处理并粘贴加固补强板，能够在避免对原有母材造成新的损伤和引入新的疲劳易损部位的前提下，对钢桥面顶板与u肋之间焊接处的疲劳易损区域进行加固，而且不会对原结构增加过大的重量，施工简便，快捷有效，经济适用，显著延长交异性钢桥面板的疲劳寿命。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的正交异性钢桥面焊缝疲劳加固结构的示意图；

图2是本发明中正交异性钢桥面焊缝疲劳加固结构的计算模型示意图；

图3至图9是本发明提供的正交异性钢桥面焊缝疲劳加固结构的加固方法的施工流程示意图；

图10是本发明中对应疲劳细节70的正应力幅疲劳强度曲线示意图。

附图标记：

1：钢桥面顶板；2：u肋；3：加固补强板；

4：胶粘层；5：桥面铺装层；6：横向隔板；

7：疲劳裂纹；8：坡口；9：坡口焊缝；

10：焊缝表面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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。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实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

下面结合图1至图9描述本发明的正交异性钢桥面焊缝疲劳加固结构的具体实施例。

本发明实施例的正交异性钢桥面焊缝疲劳加固结构，包括钢桥面顶板1以及焊接于钢桥面顶板1的下表面的u肋2。

设定钢桥面顶板1与u肋2之间的焊接处存在疲劳开裂风险的区域或已经存在疲劳裂纹的区域为疲劳易损区域，在钢桥面顶板1的上表面且对应该疲劳易损区域的位置处设有加固补强板3。

也即，本发明实施例的正交异性钢桥面焊缝疲劳加固结构，通过在钢桥面顶板1的上表面且对应疲劳易损区域的位置处设置加固补强板3，从而对钢桥面顶板1与u肋2之间焊接处的疲劳易损区域进行有效加固，提高了钢桥面顶板1与u肋2之间焊接部位的局部刚度。其中，对于还未产生裂纹的区域(也即，存在疲劳开裂风险的区域)，能够有效改善钢桥面顶板1与u肋2之间焊缝应力集中状况，抑制或延迟疲劳裂纹的萌生；对于已产生裂纹的焊接部位(也即，已经存在疲劳裂纹的区域)，能够有效改善裂纹尖端应力状态，有效抑制裂纹进一步扩展。

由此，本发明实施例的正交异性钢桥面焊缝疲劳加固结构，结构简单、可靠，能够有效抑制或减缓正交异性钢桥面板的疲劳裂纹萌生或发展，大幅提高正交异性钢桥面板的疲劳寿命。

具体来说，u肋2为一体成型结构，u肋2包括u肋底板和两个u肋侧板，u肋底板沿长度方向的相对两侧分别与两个u肋侧板的下端对应连接，以使u肋底板和两个u肋侧板之间围合形成u形腔室，且该u形腔室的开口朝向钢桥面顶板1的下表面，也即，两个u肋侧板的上端分别与钢桥面顶板1的下表面焊接。

因此，上述的疲劳易损区域为钢桥面顶板1与u肋侧板通过焊接连接的部位，疲劳裂纹往往在钢桥面顶板1的焊根或焊趾萌生并向钢桥面顶板1方向扩展，一般仅在钢桥面顶板1被穿透时才易被发现。据此，本发明实施例的正交异性钢桥面焊缝疲劳加固结构，通过设置加固补强板3，对钢桥面顶板1与u肋2之间焊接处的疲劳易损区域进行有效加固，从而显著提高了疲劳易损部位的局部刚度，大幅提高了疲劳使用寿命。

在本发明的一些实施例中，在加固补强板3与钢桥面顶板1的上表面之间设有胶粘层4，也即，加固补强板3与钢桥面顶板1之间通过胶粘层4粘接固定。

在本发明的具体实施例中，疲劳易损区域应当位于加固补强板3的中部，以使加固补强板3能够完全覆盖疲劳易损区域。这种设置方式，能够使加固补强板3和胶粘层4的受力均衡，因为一旦裂纹产生，胶层4受力，会向裂纹上方的加固补强板3传递，因此使疲劳易损区域位于加固补强板3的中部，则能够使加固补强板3与钢桥面顶板1之间的粘接不易失效。而使加固补强板3完全覆盖疲劳易损区域目的在于，越靠近裂纹起始端，对裂纹开展的抑制效果越好，通过完全覆盖的设置方式，能最大限度抑制裂纹开展。

在本发明的具体实施例中，由于加固补强板3主要承受由于局部横向弯曲所产生的拉力，应选择弹性模量较大的板材，因此加固补强板3采用纤维增强复合材料或钢材制成，以确保加固补强板3的结构强度。其中，纤维增强复合材料包括但不限于cfrp、gfrp或afrp。

在本发明的具体实施例中，加固补强板3的纤维方向与钢桥面顶板1的横向相一致，以确保加固补强板3的纤维方向顺应受拉方向布置。其中，设定钢桥面顶板1的长度方向为纵向，设定钢桥面顶板1的宽度方向为横向。

在本发明的一些实施例中，在钢桥面顶板1的上表面粘接有桥面铺装层5，加固补强板3设置于桥面铺装层5与钢桥面顶板1之间，并且桥面铺装层5完全覆盖加固补强板3，如图9所示。

其中，加固补强板3与桥面铺装层5之间粘接固定。也即，钢桥面顶板1、加固补强板3和桥面铺装层5三者之间的有效粘接，从而有利于结构的共同受力。

其中，加固补强板3可以采用矩形板，并且加固补强板3的厚度不宜影响桥面铺装层5的正常性能。

在本发明的一些实施例中，u肋2沿钢桥面顶板1的长度方向延伸设置。在钢桥面顶板1的下表面还设有多个横向隔板6，多个横向隔板6沿钢桥面顶板1的长度方向间隔分布，且各横向隔板6分别与u肋2相互垂直，从而增强正交异性钢桥面板的结构强度。

另一方面，本发明实施例还提供一种如上述实施例的正交异性钢桥面焊缝疲劳加固结构的加固方法。如图3至图9所示，该方法具体包括如下步骤：

s1、待加固区域处理：将钢桥面顶板1上与疲劳易损区域相对应的区域设定为待施工区域，清除待施工区域的桥面铺装层5，并将钢桥面顶板1上用于设置加固补强板3的区域设定为待加固区域，其中待施工区域的面积大于待加固区域的面积。

s2、待加固区域的表面处理：对待施工区域处的钢桥面顶板1的上表面进行清渣、除漆和除锈施工，并打磨至漏出金属光泽，然后采用丙酮或酒精清洁待加固区域并晾干。

s3、开裂部位处理：对钢桥面顶板1与u肋2之间的焊接处存在的疲劳裂纹7采用焊补法进行修复处理。

s4、修补焊缝表面处理：对修复处理后的坡口焊缝9进行磨光修补处理，使焊缝表面10与钢桥面顶板1的上表面平齐，再次采用丙酮或酒精清洁待加固区域并晾干。

s5、粘贴加固补强板3：分别在加固补强板3的表面和钢桥面顶板1的上表面均匀涂抹胶粘剂。

s6、固定养护与处理：向加固补强板3上施加恒定的压力，以使加固补强板3通过胶粘剂粘贴在钢桥面顶板1上，并养护至胶粘剂达到标准强度，然后解除施加在加固补强板3上的压力。

s7、恢复桥面铺装：在待施工区域的表面分别进行喷砂除锈、涂刷防锈底漆以及喷涂防水粘结层，然后在待施工区域的表面铺筑桥面铺装层5。

也即，通过本发明实施例的正交异性钢桥面焊缝疲劳加固结构的加固方法，能够在避免对原有母材造成新的损伤和引入新的疲劳易损部位的前提下，对钢桥面顶板1与u肋2之间焊接处的疲劳易损区域进行加固，而且不会对原结构增加过大的重量，施工简便，快捷有效，经济适用，显著延长了交异性钢桥面板的疲劳寿命。

具体来说，在步骤s1中，对于已有桥面铺装层5的钢桥面顶板1，往往出现疲劳裂纹7的位置上方的桥面铺装层5的功能已经受到影响，影响正常使用，因此在施工时，可以将加固施工和桥面铺装的修复工作先后进行。

对于未出现疲劳裂纹7前需要设置加固补强板3的情况下，判定存在疲劳开裂风险的区域，可通过本领域技术人员的公知常识和工程经验进行判定，或者通过有限元分析计算得到。

具体来说，在步骤s2中，对待加固区域进行表面处理时，处理的区域面积应当大于加固补强板3的面积。

具体来说，在步骤s3中，对于开裂部位处理，具体包括如下步骤：

首先沿疲劳裂纹7边缘加工出坡口8，使坡口8直至疲劳裂纹7得端部。其中坡口8的形式按现行相关规范选用。

然后采用与钢桥面顶板1的母材相匹配的小直径焊条在坡口8处施焊。其中每一焊道焊完之后需要立即锤击。

具体来说，在步骤s5中，需要在胶粘剂上布置用于控制胶粘剂厚度的小钢珠，向小钢珠均匀施力使其与胶粘剂充分接触，从而挤出加固补强板3以及钢桥面顶板1上的多余胶粘剂。

具体来说，在步骤s6中，为了保证胶粘剂达到标准强度，应尽量减少外界对胶粘剂达到标准强度过程的影响。

具体来说，在步骤s7中，对于恢复桥面铺装，在施工时，应当注意不能影响加固补强板3与钢桥面顶板1之间的粘接，施工过程中应注意保护。

下面以润扬长江公路大桥南汉主桥为例，对本发明实施例的正交异性钢桥面焊缝疲劳加固结构的加固方法进行具体说明。

润扬长江公路大桥南汉主桥采用主跨为1490米的单孔双铰钢箱梁悬索桥，双向6车道。其中，钢桥面顶板和u肋的厚度分别为14mm和6mm，上口宽300mm，下口宽169mm，相邻两u肋的间距为300mm，横向隔板的厚度为8mm，相邻两横向隔板的间距为3220mm。自2005年通车以来，经过十多年的使用，在u肋与钢桥面顶板的焊接部位出现了疲劳开裂现象。

采用本发明实施例的正交异性钢桥面焊缝疲劳加固结构的加固方法，对润扬长江公路大桥南汉主桥进行加固处理。

本实施例通过有限元软件建立疲劳应力分析简化计算模型，该简化模型为从钢箱梁中截取的节段模型。其中纵桥向长18100mm，为5个横向隔板的间距；横桥向长度为4800mm，共包含八个u肋；横隔板高度设置为900mm。车轮荷载选取采用《公路钢结构桥梁设计规范jtgd64-2015》的疲劳荷载模型ⅲ进行加载，加载轮为单侧前后双轮加载，如图2所示。

本实施例建立四种加固模型，其中表1所示为各加固模型的基本参数，表2为最不利加载时静载作用下钢桥面顶板与u肋焊缝部位横向应力情况，表3为最不利加载时移动荷载作用下钢桥面顶板与u肋焊缝部位应力范围情况。各表中usm表示未加固模型，sm-a、sm-b、sm-c和sm-d分别表示各加固模型。

表1

表2

表3

根据计算结果可知，在最不利加载情况下加固后静载应力降幅最高达到了达到了41.3％，应力范围降幅最高为25.4％。也即，采用本发明实施例的加固方法加固之后，能够有效降低钢桥面顶板与u肋焊缝疲劳应力水平。

为了进一步说明疲劳加固效果，根据《公路钢结构桥梁设计规范jtgd64-2015》，考虑车轮荷载的横向位置分布概率，结合该桥实测交通量，基于s-n曲线进行了加固前后钢桥面顶板与u肋焊缝疲劳寿命评估，根据规范，所选取疲劳细节为70，其正应力幅疲劳强度曲线如附图10所示，曲线表达式为：

基于s-n曲线的加固前后疲劳寿命计算结果如下表4所示。加固之后疲劳寿命最多能够90％。

表4

采用规范给出的适用的s-n曲线，基于名义应力法的疲劳寿命评估，计算结果表明，采用本发明实施例的加固方法加固之后，疲劳寿命得到了显著的提升。

应当指出本发明实例计算能够反映疲劳加固效果，但是只进行了给定疲劳荷载模型下加固前后的疲劳寿命对比计算，不代表实际情况。

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。