军山长江大桥钢桥面板裂缝探测及处治工艺研究

1. 概述

武汉军山长江大桥主桥钢箱梁是由面板（行车道板）、底板、边纵腹板、中纵腹板、横隔板、锚箱及风嘴等组成单箱5室薄壁结构。钢箱梁高3m，桥面总宽38.8m，宽高比为12.93，为扁平流线型钢箱。钢箱梁结构采用Q345C钢，风嘴采用Q235B钢。钢箱梁制造分A～M共13种类型，87个梁段，梁段最大吊重约2100kN。各构件钢板厚度如表1所示。

军山大桥1998 年 12 月底开工，2001年 12 月 15 日建成通车，至今已经运营了 16年。2007年开始，钢箱梁内发现疲劳裂缝，并进行了焊接处治， 2015年裂缝数量已到达5688条，并且已修复裂缝重新开裂的情况严重，到2017年4月，箱梁内疲劳裂缝统计数量8139条，桥面板裂缝数量预计会达到1500条以上，情况已经非常严重。为此湖北省京珠高速公路管理处组织实施了2017年军山大桥专项养护工程，将桥面板铺装打开，对裂缝进行检测和处治。

2. 裂缝类型

根据疲劳裂缝产生的机理和发展规律，结合其他钢箱梁桥裂缝检测结果，桥面板裂缝主要起源于U形肋与桥面板角焊缝的焊根和焊脚的部位，裂向桥面板和U形肋。裂缝类型有：起源于角焊缝焊根裂向面板（UMJ—1），起源于面板侧焊趾裂向面板(UMJ—2)、起源于角焊缝焊根裂向U形肋与桥面板角焊缝（UMJ—3）和起源于U形肋侧焊脚裂向U形肋（UMJ—4）等几种，如图1所示。

在箱梁内进行检查时发现本桥存在另外两种与桥面板有关的裂缝。一种是起源于横隔板上的加劲肋与桥面板角焊缝端部焊脚，裂向桥面板的裂缝（M类，见图2）；另一种是起源于横隔板、U形肋和桥面板交叉部位过焊孔焊缝端部焊脚，裂向桥面板的裂缝（H类，见图3）。

（2）根据模拟仿真结果，发现以往习惯操作下的补浇冒口仅能起到补充首次浇注时钢液量的不足，如果想通过补浇实现增加冒口模数和减弱冒口下偏析的目的，则需要使用多次补浇方案并适当延长时间间隔，以及采取措施避免冒口顶层钢液过早凝结成壳。

经分析后可知,引发再出血的因素与首次胃出血量、是否实施内镜手术存在相关性,同时与患者自身血红蛋白水平和胃溃疡病情有着直接关系。

  

图1 UMJ类裂缝

 

表1 钢箱梁构件钢板厚度

  

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以上裂缝均裂向桥面板，目前尚没有其他合适的处治方法可以既修复裂缝又不会对桥面铺装施工产生不利影响。设计提出打开桥面铺装后采用焊接方式修复的方案，具体措施为从桥面板上方将裂缝和一部分桥面板采用碳弧气刨方法清除，然后在背面贴陶瓷衬垫后补焊修复。

3. 裂缝检测

桥面铺装打开后采用TOFT探伤方法对桥面板进行检测，检测对象为U形肋与桥面板角焊缝部位UMJ类裂缝，超声波衍射时差法（TOFD）采用一发一收两只探头，利用缺陷端点处的衍射信号探测和测定缺陷尺寸，可用于焊缝中缺陷的检测、定量和定位。检测时以U形肋中线为中心，发射探头和接受探头分列于扫查小车两侧，沿U形肋角焊缝中心线顺桥向行走，对角焊缝附近的缺陷进行扫查，通过对波形分析确定裂缝的深度和位置。

从结构变动度来看，至2016年，真正体现医务人员服务价值的费用项目，如手术费、护理费，这两项明细费用项目的构成比较往年有所增加并达到五年来的最高值，反映了该院在提升医者服务价值、提高医务人员积极性方面已有一定进步；但灰色关联数据显示，手术费及护理费两项指标的关联系数逐年下降，这说明二者与住院次均费用之间关系的紧密程度有所减弱。建议卫生管理者在制定完善医疗服务价格调整政策时，参考国内相关的标化价值方法学体系[11]，明确技术劳务、物资耗材等项目的价值构成，逐步理顺医疗服务价格，充分调动医务人员工作积极性；而医疗机构应继续提高医生业务收入中技术劳务性收入比重，进一步优化费用结构。

本次桥面板检测范围为上游幅打开桥面铺装的行车道和重车道，共发现裂纹4688条，裂纹长度合计629.422m。其中行车道纵桥向检测长度963m，U形肋角焊缝长度11626m，发现裂纹2733条，1mU形肋角焊缝的裂缝数量为0.235条，1mU形肋角焊缝的裂缝长度为30.7mm；重车道纵桥向检测长度883m，U形肋角焊缝长度为10596m，发现裂纹1955条，1m纵桥向长度上裂纹条数为0.184条，1mU形肋角焊缝上的裂缝长度为25.34mm。裂缝按照不同长度的统计结果如表2所示，按照不同高度的统计结果如表3所示。

4. 焊接工艺评定

裂缝处治前选择两种典型接头进行了焊接工艺评定，一组试件模拟起源于U形肋角焊缝焊根或焊趾裂向桥面板的裂缝（UMJ—1，UMJ—2）焊接处治，另一组试件模拟横隔板上过焊孔端部裂向桥面板的裂缝（H4），竖向加劲肋焊缝端部裂向桥面板（M型）的裂缝以及裂缝扩展造成桥面板开裂的焊接处治。

试验用钢板与实桥材质相同，为Q345C钢，符合《低合金高强度结构钢》（GB/T 1591—2008）的技术要求，钢板厚度为16mm和8mm。

为了提高焊缝金属的韧性，采用富氩气体（80%Ar+20%CO2）保护焊，同时选择Si、Mn含量相对较低的ER50—3焊丝，避免焊缝强度过高，焊丝化学成分和力学性能符合GB/T8110—2008的要求。

在农业现代化发展的背景下，肥料产业作为中国农业的强大支柱，对保障粮食安全做出了巨大的贡献。但是，近年来，在高投入、高产出的思想下，肥料的大量不合理施用造成了严重的土壤安全问题，肥料产品生产工艺的不规范、不合理使用添加剂等问题更是雪上加霜，由此带来的土传病害、土壤环境恶化、重金属沉积等问题，严重制约了农业的可持续发展，更是对人体健康带来了严重的威胁。肥料产品实现绿色升级，保障绿色农业的发展、改善土壤环境、促进优质农产品的产出，引发了业内的广泛思考和研究。

  

图2 M类裂缝

  

图3 H类裂缝

 

表2 U肋与面板焊缝裂纹数量（按裂纹长度统计）

  

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表3 U肋与面板焊缝裂纹数量（按裂纹高度统计）

  

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第一，从桥面上方将开裂的面板逐层刨除，每层气刨约2mm，当发现两端裂缝的尖端时再延伸刨出约50mm，确保清除裂缝尖端。气刨的同时刨出有利于焊接的坡口，坡口角度40°左右，裂缝端头刨出大约1∶5的斜坡。

（1）裂缝修复工艺 TOFT探伤结果显示军山大桥桥面板裂缝大多数是UMJ—1类裂缝，即起源于U形肋角焊缝焊根裂向桥面板的裂缝，少量UMJ—2类裂缝。

试件1由一块U形肋和一块面板组成，先将两块板按照U形肋角焊缝的焊接工艺组焊到一起，然后模拟桥上裂缝的位置，从面板上方用碳弧气刨将部分面板和焊缝清除，背面贴陶制衬垫后焊接。试件2用两块面板对拼组焊，模拟开裂的桥面板，用碳弧气刨将面板裂缝刨开，在背面贴衬垫后焊接。焊前将坡口及其周围打磨干净漏出金属光泽。施焊记录如表5所示。

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经过必选，试件1选择直径10mm圆棒形陶瓷衬垫，其外形可以与焊缝背面紧密贴合，能适应坡口大小的变化，有利于保证焊缝背面成形，试件2选择TG—2.0Z衬垫。焊接时打底焊道电流较小，避免对衬垫烧损过多造成背面成形不良，填充焊道电流较大，并须注意焊枪角度和摆动幅度，避免道间未熔合和夹渣等缺陷。

根据焊接工艺评定结果结合现场实际情况制定焊接工艺，施工过程中严格执行工艺，加强质量控制，工艺要点如下。

按照《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50—2011）的规定进行力学性能试验，试验项目包括接头拉伸、焊缝金属拉伸、接头侧弯、低温冲击试验和接头硬度试验，试验结果如表6所示。由表6可知，焊缝屈服强度、抗拉强度均高于母材标准值，屈强比在0.8左右，0℃低温冲击吸收能量均在100J以上，接头侧弯试验结果均为完好，焊缝力学性能良好。

每组试板按照《钢的低倍组织及缺陷酸蚀试验方法》（GB226）进行两个宏观断面酸蚀试验，焊缝成形良好，焊缝金属及热影响区硬度均≤350HV10。

 

表4 焊接工艺评定试验项目

  

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表5 施焊记录

  

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表6 力学性能试验结果

  

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5. 裂缝焊接修复及效果

开放运行容易遇到的问题 专业实验室在开放模式下面对的教师和学生人数多，容易出现一些新的问题，如仪器故障问题、试剂使用管理问题、实验室安全卫生问题等。这就要求制定有效策略来应对这些问题。

第二，用砂轮将坡口及两侧30mm范围内的油漆、铁锈、氧化皮清理干净，露出金属光泽，对刨开的部位进行磁粉检测，确认裂缝完全被清除后再焊接。

焊后对焊缝进行外观检查，没有裂纹、焊瘤、表面气孔、夹渣、弧坑裂纹、电弧擦伤及未熔合等缺陷，焊缝施焊24h后进行超声波检测，满足《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50—2011）I级要求。

试验项目、坡口形式及试板尺寸等如表4所示。

由于TOFT检测在横桥向存在一定的误差，不能精确判定裂缝与U形肋的相对位置，实际刨开发现，UMJ—1类裂缝距离U形肋内侧面很近，将裂缝清除后桥面板从U形肋内侧被刨穿，要在坡口背面贴陶瓷衬垫需要在U形肋底面开手孔。为避免开手孔破坏U形肋完整性和结构的连续性，对桥梁运行造成不利影响，采取了钢衬垫+陶瓷衬垫的方案，即先从桥面板上方送入可以活动的钢衬垫，然后以钢衬垫为托架支撑陶瓷衬垫，移动钢衬垫使陶瓷衬垫与面板贴紧后焊接（见图4）。

第三，用火焰加热的方法清除坡口及周围的水分。

第四，UMJ—3类裂缝、M类裂缝和H类裂缝，从箱梁内部贴陶瓷衬垫后焊接，UMJ—1类裂缝从面板上方贴钢衬垫+陶瓷衬垫后焊接。衬垫必须粘贴牢固，与桥面板贴合，避免背面成形不良。

第五，采用实芯焊丝富氩气体保护焊进行焊接，根部打底焊道采用较小的电流电压，避免将衬垫熔化过多造成根部成形不良，同时要注意根部熔合，填充和盖面焊道参数较大，焊道间须清理到位，避免道间未熔合。

1）选用抗病品种。建园时一定要选用抗病品种苗木，淘汰易感病劣质品种。要挑选健壮、无病虫害的苗木栽植，仔细检查并剪除越冬病芽，对苗木进行彻底消毒处理。

第六，焊后采用火焰加热方法将焊缝及其周围加热到100～150℃。

（2）焊后探伤效果 焊后进行外观检测，对超标的咬边、焊瘤等缺陷及时进行修补打磨，焊后24h进行超声波检测，验收标准为《公路桥涵施工技术规范》（JTG/ T F50—2011）II级合格。检测结果一次探伤合格率95%，缺陷主要类型为夹渣和道间未熔合，少量焊缝存在从端头向外延伸的裂纹缺陷，说明在成桥高应力状态下焊接存在微小裂纹扩展的现象。

  

图4

6. 结语

采用背面贴陶瓷衬垫单面焊双面成形的焊接方法可以修复桥面板裂缝，且具有施焊难度小，施工效率高的特点。对UMJ—1类裂缝采用钢衬垫+陶瓷衬垫的方式进行焊接修复，超声波检测一次合格率在95%以上，能够满足裂缝修复施工的质量要求。但是焊接会造成热影响区力学性能降低，成桥状态下焊接存在较大焊接残余应力，焊缝背面成形情况无法观察，桥面车辆的通行也影响焊接质量，这些因素对桥面板焊缝疲劳性能的影响还需要进一步研究。