叶华文钢桥疲劳开裂问题分析与对策研究.pdf

1、叶华文西南交通大学土木工程学院桥梁系叶华文西南交通大学土木工程学院桥梁系Email:钢桥疲劳开裂问题及对策分析钢桥疲劳断裂事故钢桥疲劳断裂事故钢桥疲劳断裂事故钢桥疲劳断裂事故钢桥疲劳断裂原因分析钢桥疲劳断裂原因分析钢桥疲劳断裂原因分析钢桥疲劳断裂原因分析疲劳断裂对策分析疲劳断裂对策分析疲劳断裂对策分析疲劳断裂对策分析典型钢桥疲劳加固分析典型钢桥疲劳加固分析结语与展望大纲大纲结语与展望大纲大纲近年来西南交大桥梁系钢桥疲劳研究工作近年来西南交大桥梁系钢桥疲劳研究工作近年来西南交大桥梁系钢桥疲劳研究工作近年来西南交大桥梁系钢桥疲劳研究工作横梁与整体节点连接索梁锚固正交异形钢桥面板钢管桁架节点焊接工艺

2、及疲劳性能铁路钢管混凝土结构典型焊接节点研究内容重庆菜园坝大桥和朝天门大桥、坝陵河大桥南京长江二桥和三桥、湛江海湾大桥、安庆铁路长江大桥、广东东沙大桥重庆东水门大桥，千厮门大桥刘家峡大桥、忠县长江大桥北盘江大桥工程背景拉索腐蚀疲劳研究拉索腐蚀疲劳研究宜宾小南门桥宜宾小南门桥拉索腐蚀疲劳研究拉索腐蚀疲劳研究宜宾小南门桥宜宾小南门桥生生设计和施工设计和施工生生设计和施工设计和施工老老工作性能退化工作性能退化病病不能满足设计要求（加固维修老老工作性能退化工作性能退化病病不能满足设计要求（加固维修）不能满足设计要求（加固维修不能满足设计要求（加固维修）死死破坏破坏桥梁全寿命周期桥梁全寿命周期死死破坏破

3、坏桥梁全寿命周期桥梁全寿命周期随着经济飞速发展，运营车辆总重和交通量的不随着经济飞速发展，运营车辆总重和交通量的不断增加，桥梁钢结构所面临的疲劳问题正变的日趋断增加，桥梁钢结构所面临的疲劳问题正变的日趋严重。特别是上严重。特别是上世纪世纪随着经济飞速发展，运营车辆总重和交通量的不随着经济飞速发展，运营车辆总重和交通量的不断增加，桥梁钢结构所面临的疲劳问题正变的日趋断增加，桥梁钢结构所面临的疲劳问题正变的日趋严重。特别是上严重。特别是上世纪世纪6060年代以来，许多钢桥都出现年代以来，许多钢桥都出现了各种形式的疲劳裂纹，因疲劳断裂而酿成的灾难了各种形式的疲劳裂纹，因疲劳断裂而酿成的灾难性事故也时

4、有发生。根据美国土木工程学会疲劳与性事故也时有发生。根据美国土木工程学会疲劳与断裂分委会的调查结果，断裂分委会的调查结果，年代以来，许多钢桥都出现年代以来，许多钢桥都出现了各种形式的疲劳裂纹，因疲劳断裂而酿成的灾难了各种形式的疲劳裂纹，因疲劳断裂而酿成的灾难性事故也时有发生。根据美国土木工程学会疲劳与性事故也时有发生。根据美国土木工程学会疲劳与断裂分委会的调查结果，断裂分委会的调查结果，80809090的钢结构破坏均的钢结构破坏均和疲劳有关，疲劳已成为桥梁钢结构失效的主要形和疲劳有关，疲劳已成为桥梁钢结构失效的主要形式之一。疲劳破坏主要表现为：式之一。疲劳破坏主要表现为：的钢结构破坏均的钢结构

5、破坏均和疲劳有关，疲劳已成为桥梁钢结构失效的主要形和疲劳有关，疲劳已成为桥梁钢结构失效的主要形式之一。疲劳破坏主要表现为：式之一。疲劳破坏主要表现为：vv 拉索腐蚀疲劳拉索腐蚀疲劳拉索腐蚀疲劳拉索腐蚀疲劳vv 钢板梁腹板开裂钢板梁腹板开裂钢板梁腹板开裂钢板梁腹板开裂vv 纵横梁体系开裂纵横梁体系开裂纵横梁体系开裂纵横梁体系开裂vv 其他开裂其他开裂其他开裂其他开裂钢桥疲劳开裂现状钢桥疲劳开裂现状钢桥疲劳开裂现状钢桥疲劳开裂现状宜宾小南门桥宜宾小南门桥宜宾小南门桥宜宾小南门桥主跨主跨主跨主跨240240米中承式拱桥，米中承式拱桥，米中承式拱桥，米中承式拱桥，19901990年年年年1111月建成

6、通车，月建成通车，月建成通车，月建成通车，20012001年年年年1111月因吊杆月因吊杆严重锈蚀断裂，造成部分桥面跨严重锈蚀断裂，造成部分桥面跨塌。塌。月因吊杆月因吊杆严重锈蚀断裂，造成部分桥面跨严重锈蚀断裂，造成部分桥面跨塌。塌。攀枝花金沙江大桥攀枝花金沙江大桥攀枝花金沙江大桥攀枝花金沙江大桥20122012年年年年1212月月月月1414日日，通车通车日日，通车通车1717年的金沙江大桥年的金沙江大桥上上、下游下游年的金沙江大桥年的金沙江大桥上上、下游下游7 7号吊杆下端传力锚具系统失效号吊杆下端传力锚具系统失效，横梁脱落坠江；横梁脱落坠江；号吊杆下端传力锚具系统失效号吊杆下端传力锚具系

7、统失效，横梁脱落坠江；横梁脱落坠江；7 7号吊杆上锚头的锚杯号吊杆上锚头的锚杯罩变形罩变形，且锚头座砼开裂有破损现象且锚头座砼开裂有破损现象。号吊杆上锚头的锚杯号吊杆上锚头的锚杯罩变形罩变形，且锚头座砼开裂有破损现象且锚头座砼开裂有破损现象。拱桥吊杆事故拱桥吊杆事故拱桥吊杆事故拱桥吊杆事故广州海印大桥广州海印大桥广州海印大桥广州海印大桥19881988年年底建成，年年底建成，年年底建成，年年底建成，19951995年年年年5 5月月月月2525日发生了日发生了日发生了日发生了9 9号索腐蚀断裂事故号索腐蚀断裂事故。为了防止事故的进一步发生，被迫进行全桥换索工程，耗。为了防止事故的进一步发生，被

8、迫进行全桥换索工程，耗资资号索腐蚀断裂事故号索腐蚀断裂事故。为了防止事故的进一步发生，被迫进行全桥换索工程，耗。为了防止事故的进一步发生，被迫进行全桥换索工程，耗资资20002000万元，工期半年。万元，工期半年。万元，工期半年。万元，工期半年。斜拉索腐蚀实例斜拉索腐蚀实例斜拉索腐蚀实例斜拉索腐蚀实例纵横梁体系开裂实例纵横梁体系开裂实例纵横梁体系开裂实例纵横梁体系开裂实例1：广州虎门大桥-钢箱梁正交异性桥面板疲劳开裂主跨888m，国内第一座现代悬索桥，2004年2月发现纵横焊缝交叉处疲劳裂纹约40cm，服役6.5年。2：京沪铁路泺口黄河大桥-纵横梁连接疲劳开裂主跨164.7m铁路桁梁，已服役9

9、0余年，2000年对桥面系纵横梁作剩余寿命评估认定承载寿命不足后，全部更换为新桥面系。2004年元月发现纵横梁连接角钢疲劳裂纹已达500mm为梁高的5/8，服役仅3年。纵横梁体系开裂实例纵横梁体系开裂实例纵横梁体系开裂实例纵横梁体系开裂实例纵横梁体系开裂实例纵横梁体系开裂实例纵横梁体系开裂实例纵横梁体系开裂实例纵横梁体系开裂实例纵横梁体系开裂实例纵横梁体系开裂实例纵横梁体系开裂实例望望现场观察现场观察望望现场观察现场观察闻闻桥梁工作有无异响桥梁工作有无异响问问询问设计施工和运营情况询问设计施工和运营情况闻闻桥梁工作有无异响桥梁工作有无异响问问询问设计施工和运营情况询问设计施工和运营情况切切测试

10、测试治治采取加固措施采取加固措施回回监测监测老旧桥梁的“治疗”老旧桥梁的“治疗”切切测试测试治治采取加固措施采取加固措施回回监测监测老旧桥梁的“治疗”老旧桥梁的“治疗”结构疲劳损伤：结构疲劳损伤：缺陷（焊接缺陷和加工缺陷）腐蚀（应力腐蚀和其他腐蚀）残余应力（焊接和冷加工）初始变形（加工、运输和安装）钢桥疲劳开裂原因分析钢桥疲劳开裂原因分析钢桥疲劳开裂原因分析钢桥疲劳开裂原因分析车辆超载车辆超载载重量大大超过设计值车流量几何级数增加（经济发展）钢桥疲劳开裂原因分析钢桥疲劳开裂原因分析钢桥疲劳开裂原因分析钢桥疲劳开裂原因分析控制结构疲劳损伤：控制结构疲劳损伤：控制初始缺陷（缺陷）做好防腐工作（腐蚀

11、）栓接钢板（残余应力）提高强度和刚度（初始变形）钢桥疲劳开裂对策分析钢桥疲劳开裂对策分析钢桥疲劳开裂对策分析钢桥疲劳开裂对策分析限制车辆超载限制车辆超载限制过桥车重量分车道行驶钢桥疲劳开裂对策分析钢桥疲劳开裂对策分析钢桥疲劳开裂对策分析钢桥疲劳开裂对策分析1.连续焊接钢板梁桥腹板加固1.连续焊接钢板梁桥腹板加固建于1972年的美国联邦公路I-895桥是横向由7根焊接钢板梁组成的四跨钢桥，2003年3月发现两个主梁腹板开裂：一个在横联连接板处；另一个在横联附近加劲肋处。典型钢桥疲劳加固分析典型钢桥疲劳加固分析典型钢桥疲劳加固分析典型钢桥疲劳加固分析1.连续焊接钢板梁桥腹板加固连续焊接钢板梁桥腹板

12、加固1.连续焊接钢板梁桥腹板加固连续焊接钢板梁桥腹板加固主梁腹板裂纹顶端主梁腹板裂纹顶端主梁腹板裂纹主梁腹板裂纹1.连续焊接钢板梁桥腹板加固主梁腹板裂纹顶端连续焊接钢板梁桥腹板加固主梁腹板裂纹顶端主梁腹板裂纹底端主梁腹板裂纹底端横联构件的横向力、腹板不平整和横向加劲肋焊接过程都会在无加劲的腹板间隙区产生很高的局部应力。1.连续焊接钢板梁桥腹板加固连续焊接钢板梁桥腹板加固开裂原因：横联构件的横向力、腹板不平整和横向加劲肋焊接过程都会在无加劲的腹板间隙区产生很高的局部应力。1.连续焊接钢板梁桥腹板加固分析连续焊接钢板梁桥腹板加固分析采取加固措施：增大腹板间隙区高度，栓接钢板加固腹板。2.正交异性钢

13、桥面加固分析正交异性钢桥面加固分析采取加固措施：控制初始裂纹，减小局部荷载2.正交异性钢桥面加固分析正交异性钢桥面加固分析2.正交异性钢桥面加固分析正交异性钢桥面加固分析2.正交异性钢桥面加固分析正交异性钢桥面加固分析2.正交异性钢桥面加固分析正交异性钢桥面加固分析2.正交异性钢桥面加固分析正交异性钢桥面加固分析加固关键点：新旧连接构造的有效性和耐久性，不增加自重。加固关键点：新旧连接构造的有效性和耐久性，不增加自重。2.正交异性钢桥面加固分析正交异性钢桥面加固分析英国Severn桥加固3.拉索防腐研究拉索防腐研究1）直径5mm高强钢丝腐蚀疲劳研究研究表明，越深越尖锐的腐蚀坑，疲劳强度越低。研

14、究表明，越深越尖锐的腐蚀坑，疲劳强度越低。3.拉索防腐研究拉索防腐研究直径5mm平行钢丝防腐方法序号防护方法序号防护方法A-1没有防护没有防护A-2在表层钢丝涂以在表层钢丝涂以80m环氧树脂漆环氧树脂漆A-3在表层钢丝涂上在表层钢丝涂上50m富锌漆富锌漆A-4用含抑制剂的油涂在表层钢丝并填充缆索内部用含抑制剂的油涂在表层钢丝并填充缆索内部A-5涂环氧树脂漆在表层钢丝并填充缆索内部涂环氧树脂漆在表层钢丝并填充缆索内部A-6表层钢丝涂表层钢丝涂1mm厚锌膏厚锌膏A-7缆索内部除湿到相对湿度缆索内部除湿到相对湿度45%3.拉索防腐研究拉索防腐研究直径5mm平行钢丝防腐方法3.拉索防腐研究拉索防腐研究

15、钢绞线防腐方法序号防护方法序号防护方法B-1没有防护没有防护B-2在表层钢丝涂以在表层钢丝涂以80m环氧树脂漆环氧树脂漆B-3在表层钢丝涂上在表层钢丝涂上50m富锌漆富锌漆B-4用含抑制剂的油涂在表层钢丝并填充缆索内部用含抑制剂的油涂在表层钢丝并填充缆索内部B-5涂环氧树脂漆在表层钢丝并填充缆索内部涂环氧树脂漆在表层钢丝并填充缆索内部B-6表层钢丝涂表层钢丝涂1mm厚锌膏厚锌膏B-7缆索内部除湿到相对湿度缆索内部除湿到相对湿度45%3.拉索防腐研究拉索防腐研究钢绞线防腐方法3.拉索防腐研究小结拉索防腐研究小结实际桥梁采用各种尺寸和直径的缆索，一般环氧树脂填充法适用于悬索桥吊杆和斜拉桥拉杆，不适用于由超过30000根钢丝组成的悬索桥主缆。除湿法适用于悬索桥主缆而不适用于吊杆，主要是由于除湿法需要大型设备而环氧树脂填充法可用挤压装置。4.预应力预应力CFRP加固技术加固技术体外预应力+高强高性能材料1.加固体现桥梁全周期设计理念。加固体现桥梁全周期设计理念。2.重视新旧连接部设计，切忌“前门拒虎，后门进狼”重视新旧连接部设计，切忌“前门拒虎，后门进狼”3.分清疲劳裂纹的性质分清疲劳裂纹的性质4.区别加固，重视桥面区别加固，重视桥面5.加固与监测并重，加固应具有可检测性加固与监测并重，加固应具有可检测性6.推进新技术和新材料的使用推进新技术和新材料的使用结语及展望谢谢聆听，欢迎指教