CN108103966A - 一种钢箱梁加固结构及其加固方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢箱梁加固结构及其加固方法，包括箱梁本体，该箱梁本体包括间隔设置的横隔板、在横隔板上开设的贯通的槽口，在槽口内的两侧边开有弧形缺口，在弧形缺口存在疲劳开裂风险或已有疲劳裂纹区域、且位于横隔板的侧面上设置有补强板。本发明通过对横隔板存在疲劳开裂风险或已有疲劳裂纹的区域进行加固，显著提高了弧形缺口部位横隔板的局部刚度，可抑制或延迟疲劳裂纹的萌生或有效抑制裂纹扩展，大幅提高疲劳寿命。而且，加固方法不对横隔板原结构造成新损伤，构造简单，施工方便。

Description

一种钢箱梁加固结构及其加固方法

技术领域

本发明属于桥梁工程技术领域，具体涉及一种钢箱梁加固结构及其加固方法。

背景技术

正交异性桥面钢箱梁广泛应用于大中型桥梁建设，钢箱梁的结构包括间隔设置的横隔板、顶板、底板、垂直于底板两端设置的竖向加劲肋、在横隔板上开设的贯通的槽口、固定于槽口内的U肋，所述横隔板固定设置于底板上且固定于两竖向加劲肋之间，所述顶板固定于U肋及竖向加劲肋顶部，在横隔板中部设有水平加劲肋。在槽口内的两侧边开有弧形缺口，弧形缺口的棱边与U肋之间留有间隙。通常情况下，U肋的两侧面是与槽口的两侧边上半部分焊接，下半部分不焊接，在下半部分位置处开设弧形缺口，开设弧形缺口的目的是为了不让U肋与槽口直接接触，以通过间隙容纳U肋受力后产生的变形。

然而，钢箱梁的疲劳问题是桥梁工程界一大世界难题。交通运输部调研结果显示，调研的19座悬吊体系钢箱梁桥中，15座存在钢箱梁疲劳问题。在钢箱梁各类疲劳病害中，横隔板弧形缺口处母材开裂所占比例颇高（约为60%～75%），对于其加固方法工程界仍未取得较为一致的结论。根据工程经验或有限元计算，弧形缺口存在疲劳开裂风险区域一般位于弧形缺口外轮廓区域。已经开裂后，疲劳裂纹一般是从弧形缺口外轮廓开始朝外延伸。

传统的加固方法包括：止裂孔法，裂纹填充法，改进几何形状法，以及栓接钢板法等。止裂孔法存在裂纹尖端位置较难确定，裂纹可穿过止裂孔继续发展等问题。裂纹填充法对填充材料的性能及施工工艺要求高，止裂效果良莠不齐。改进几何形状法可能降低结构的刚度和极限承载能力，对于长裂纹无法适用。栓接钢板法所增加的螺栓钻孔对横隔板造成新的损伤，增加重量较大，对裂纹尖端应力改善效果难以评估，需要针对不同裂纹走向逐一制定加固方案，给设计与施工带来极大的困难。新近研发的UHPC法虽能显著降低桥面板及其与U肋连接细节的疲劳应力，但对远离桥面的弧形切口部位横隔板母材应力幅改善不大，并且造价高昂。

本案涉及的专业术语解释如下：

UHPC：超高性能混凝土，简称UHPC(Ultra-High Performance Concrete)，是过去三十年中最具创新性的水泥基工程材料，实现工程材料性能的大跨越。

FRP：纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer/Plastic，简称FRP）。主要有三种：碳纤维增强聚合物（Carbon Fiber Reinforced Polymer，简称CFRP）、玻璃纤维增强聚合物（Glass Fiber Reinforced Polymer，简称GFRP）和芳纶纤维增强聚合物（AramidFiber Reinforced Polymer，简称AFRP）。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种施工方便，可有效抑制裂纹发展、大幅提高疲劳寿命的钢箱梁加固结构及其加固方法。

本发明解决问题的技术方案是：一种钢箱梁加固结构，包括箱梁本体，该箱梁本体包括间隔设置的横隔板、在横隔板上开设的贯通的槽口，在槽口内的两侧边开有弧形缺口，在弧形缺口存在疲劳开裂风险或已有疲劳裂纹的区域、且位于横隔板的侧面上设置有补强板。

上述所述的弧形缺口存在疲劳开裂风险区域是指位于横隔板上的弧形缺口外轮廓区域。开裂后，疲劳裂纹一般是从弧形缺口外轮廓开始朝外延伸。

上述方案通过对存在疲劳开裂风险或已有疲劳裂纹的区域进行加固，显著提高了弧形缺口部位横隔板的局部刚度。对还未产生裂纹的横隔板，显著改善弧形缺口周边应力集中状况，抑制或延迟疲劳裂纹的萌生；对已产生裂纹的横隔板，可显著改善裂纹尖端应力状态，有效抑制裂纹扩展。

根据实际情况，所述补强板通过胶粘剂粘贴于横隔板的两侧面或者其中一单侧面。

优选的，所述补强板为FRP单向板或层合板，其材料为CFRP、或GFRP、或AFRP。

由于层合板的横向抗拉性能更好，可做成任意的形状，因此采用层合板的效果更好。

进一步的，存在疲劳开裂风险或已有疲劳裂纹的区域位于补强板中部，所述补强板完全覆盖存在疲劳开裂风险区域或裂纹区域。这样设计的好处在于补强板和胶层的受力均衡，一旦裂纹产生，胶层受力，以裂纹为界，荷载势必会向裂纹两侧的补强板传递，如果位于补强板中部，则补强板与横隔板之间粘结界面不易失效。

之所以要覆盖存在疲劳开裂风险区域或裂纹区域，是因为越靠近裂纹的起始端，对裂纹扩展的抑制作用越好，若将其覆盖，则能最大限度的抑制裂纹扩展。

具体的，所述弧形缺口包括在槽口的侧边上横向扩展的上凸弧段、与上凸弧段连接的斜棱段、以及将斜棱段与槽口底边衔接的凹弧段。

优选的，所述补强板至少有一侧边与斜棱段重叠对齐；

在横隔板上弧形缺口区域未出现裂纹状态下，所述补强板的中部与弧形缺口的斜棱段上端点平齐；或/和

在横隔板上弧形缺口区域已出现裂纹状态下，裂纹位于补强板的中部位置。

这样设计的好处在于弧形缺口的斜棱段上端点区域是已知的裂纹容易产生的区域，一旦裂纹产生，胶层受力，以裂纹为界，裂纹上下的横隔板区域势必会对补强板施加不同步的力，如果裂纹位于补强板中部区域，则补强板的受力状态会更好，更牢固。

优选的，所述补强板为异形板，包括用于设置在两个相邻的弧形缺口之间的第一板、以及用于设置在弧形缺口单一侧的第二板；第一板的两侧边形状均与弧形缺口形状相吻合，第二板只有单一侧边的形状与弧形缺口形状相吻合。

进一步的，所述补强板和横隔板之间通过螺栓并配合钢垫片二次加固，钢垫片压在补强板上，且采用螺栓紧固于横隔板。

具体的，所述箱梁本体还包括顶板、底板、垂直于底板两端设置的竖向加劲肋、固定于槽口内的U肋，所述弧形缺口的棱边与U肋之间留有间隙，所述横隔板固定设置于底板上且固定于两竖向加劲肋之间，所述顶板固定于U肋及竖向加劲肋顶部，在横隔板中部设有水平加劲肋。

相应的，本发明还提供上述钢箱梁加固结构的加固方法，包括如下步骤：

a）表面处理；对弧形缺口存在疲劳开裂风险或已有疲劳裂纹的区域、且位于横隔板侧面的位置进行表面处理，完成除漆和除锈，然后擦拭干净，晾干；之后，将补强板表面擦拭干净，晾干；

b）固定补强板；在补强板表面均匀涂抹胶粘剂，在胶粘剂上均布多颗等直径标准钢珠或玻璃珠，均匀施力使胶粘剂与横隔板充分接触，挤出多余胶粘剂；

根据实际需要，补强板粘贴于横隔板的两侧面或者其中一单侧面；

c）固定与养护；用夹具将补强板夹持固定在横隔板上，养护至胶粘剂达到标准强度，然后去除夹具。

上述步骤a）中，未出现裂纹前需要设置补强板的情况下，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，这些都是解决钢箱梁疲劳问题的惯用手段。

实际操作中，在步骤a）中，对存在疲劳开裂风险的区域进行表面处理时，处理的区域面积大于补强板的面积；

在步骤c）之后，还包括步骤d）将补强板未覆盖的、已经进行过表面处理的弧形缺口周围区域进行防锈处理。

优选的，所述钢珠或玻璃珠布置有6～12颗，其直径范围为0.3～2.0 mm。

本发明的显著效果是：

1.通过对存在疲劳开裂风险或已有疲劳裂纹的区域进行加固，显著提高了弧形缺口部位横隔板的局部刚度。对于还未产生裂纹的横隔板，显著改善弧形缺口周边应力集中状况，抑制或延迟疲劳裂纹的萌生；对于已产生裂纹的横隔板，可显著改善裂纹尖端应力状态，有效抑制裂纹扩展。

2.所用的加固结构及方法避免了对横隔板原结构实施钻孔、热切割，不会对原结构造成新的损伤，外贴补强板也不会在周边产生明显的应力集中，从而避免引入新的疲劳风险源。

3.构造简单轻质，不会对原结构增加过大的重量，无需针对不同的裂纹长度与不同的裂纹走向逐一制定加固方案，通用性良好，给加固设计与施工带来极大的方便，因此也节约了成本。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为实施例1钢箱梁结构示意图。

图2为实施例1钢箱梁加固结构示意图。

图3为实施1横隔板结构示意图。

图4为循环荷载下未设置补强板与设置补强板后横隔板裂纹发展示意图。

图5为循环荷载下未设置补强板的弧形缺口附近横隔板表面应变变化示意图。

图6为循环荷载下设置补强板后的弧形缺口附近横隔板表面应变变化示意图。

图7为实施例2钢箱梁加固结构示意图。

图8为实施例3钢箱梁加固结构示意图。

图9为实施例3Ⅰ的局部放大图。

图10为实施例4钢箱梁加固结构示意图。

图中：1-补强板，2-横隔板，3-顶板，4-U肋，5-水平加劲肋，6-弧形缺口，7-竖向加劲肋，8-底板，9-裂纹，10-第一板，11-第二板，12-第一作用点，13-第二作用点，14-钢垫片，15-螺栓，21-槽口,61-上凸弧段，62-斜棱段，63-凹弧段，100-箱梁本体。

具体实施方式

为了便于描述，各部件的相对位置关系（如：横向、纵等）的描述均是根据说明书附图的布图方向来进行描述的，并不对本专利的结构起限定作用。

实施例1

如图1～3所示，一种钢箱梁加固结构，包括箱梁本体100，该箱梁本体100包括间隔设置的横隔板2、顶板3、底板8、垂直于底板8两端设置的竖向加劲肋7、在横隔板2上开设的贯通的槽口21、固定于槽口21内的U肋4。所述横隔板2固定设置于底板8上且固定于两竖向加劲肋7之间。所述顶板3固定于U肋4及竖向加劲肋7顶部，在横隔板2中部设有水平加劲肋5。

在槽口21内的两侧边开有弧形缺口6，弧形缺口6的棱边与U肋4之间留有间隙。所述弧形缺口6包括在槽口21的侧边上横向扩展的上凸弧段61、与上凸弧段61连接的斜棱段62、以及将斜棱段62与槽口21底边衔接的凹弧段63。

在弧形缺口6存在疲劳开裂风险或已有疲劳裂纹的区域、且位于横隔板2的侧面上通过胶粘剂粘贴有矩形补强板1。存在疲劳开裂风险或已有疲劳裂纹的区域位于补强板1中部。所述补强板1完全覆盖存在疲劳开裂风险区域或裂纹区域。

所述补强板1有一侧边与斜棱段62重叠对齐。

在横隔板2上弧形缺口6区域未出现裂纹状态下，所述补强板1的中部与弧形缺口6的斜棱段62上端点平齐。在横隔板2上弧形缺口6区域已出现裂纹状态下，裂纹位于补强板1的中部位置。这两种状态可择其一而实施，在没有裂纹时，可以预防性加固；或者，在出现裂纹后，可针对性修补。这两种状态也可能同时存在，例如，在没有裂纹时进行了补强板1加固，之后在使用过程中仍然在斜棱段62上端点开始萌生裂纹，在这种情况下，裂纹还是位于补强板1的中部位置。根据实际需要，补强板1粘贴于横隔板2的两侧面或者其中一单侧面。

所述补强板1为FRP板。更优选的，所述补强板1为单向板或层合板，其材料为CFRP、或GFRP、或AFRP。

相应的，本实施例还提供上述钢箱梁加固结构的加固方法，包括如下步骤：

a）表面处理。对弧形缺口6存在疲劳开裂风险或已有疲劳裂纹区域、且位于横隔板2侧面的位置进行表面处理，处理的区域面积大于补强板1的面积；可采用手持式砂轮打磨机进行打磨，也可以采用小型喷砂机进行喷砂处理，粗糙度Ra1.6，完成除漆和除锈。然后用酒精或丙酮擦擦拭干净，晾干。

之后，将补强板1表面用酒精或丙酮擦拭干净，晾干。

b）固定补强板1。在补强板1表面均匀涂抹胶粘剂。在胶粘剂上均布6～12颗等直径标准钢珠或玻璃珠，使补强板1的中部与弧形缺口6的斜棱段62上端点平齐，然后均匀施力使胶粘剂与横隔板2充分接触，挤出多余胶粘剂。优选的，所述钢珠或玻璃珠直径范围为0.3～2.0 mm。更优选的为1mm。

根据实际需要，补强板1粘贴于横隔板2的两侧面或者其中一单侧面。

c）固定与养护。用夹具将补强板1夹持固定在横隔板2上，养护至胶粘剂达到标准强度，然后去除夹具。

d）将补强板1未覆盖的、已经进行过表面处理的弧形缺口6周围区域进行防锈处理。

为了测试加固效果，实施足尺模型疲劳试验，对加固效果进行了评定。采用与实施例1相同的结构与方法进行加固，对比试件的横隔板未设置补强板1进行加固。试验情况如下：

一、测试仪器

美国产MTS/50 t液压伺服疲劳加载系统；日本产TDS-150静态应变采集系统；游标卡尺。

二、加固效果评定试验

1、试件参数

箱梁本体100总长6.31 m，宽1.8 m，高1.026 m。顶板3为厚16 mm、长6.31 m、宽1.8 m的钢板。横隔板2为厚10 mm、宽1.78 m、高1 m的钢板。横隔板2间距为3 m。U肋4厚10 mm，长6.31 m，上口宽300 mm，下口宽170 mm，相邻U肋4之间的中心间距为60 cm。水平加劲肋5为厚10 mm、长1.78 m、宽0.1 m的钢板。竖向加劲肋7为厚10 mm、宽0.2 m、高1 m的钢板。底板8为厚10 mm、长1.8 m、宽0.2 m的钢板。补强板1为厚3 mm、长30 cm、宽10 cm的FRP单向板。补强板1粘贴于横隔板2的其中一单侧面。胶层厚度为1.0 mm。钢材为Q345qC，弹性模量2.06×105 MPa，

在未开裂横隔板2的弧形缺口6斜棱段62上端点处采用机械法开深度2 mm、张口宽2 mm的三角形切口 ，以模拟初始缺陷，然后在横隔板2外侧粘贴FRP单向板进行加固。

2、试验装置与加载步骤

试件及加载装置如图1所示。试件的底板8两端用螺栓固定于垫梁上，垫梁与地面完全固定。疲劳荷载通过分配梁平均分配至两个作用点，分配梁中点作用的总荷载上限值为280kN，下限值为10 kN，加载频率为3Hz，作用点处通过30 cm×30 cm×8 cm的钢垫板将荷载传递至顶板3。两点加载间距1.2 m，其中第一作用点12纵向位于试验横隔板2的正上方，横向位于U肋4的腹板正上方，第二作用点13与试验横隔板2纵向距离为1.2 m，横向位置与第一作用点12相同。试验中，荷载每循环若干万次，停机进行裂纹长度测量和分级静力加载。分级加载与卸载过程为：0 kN→70 kN→140 kN→210 kN→280 kN→210 kN→140 kN→70 kN→0 kN，测试各加载阶段测点应力。

3、试验结果与分析

循环荷载下未设置补强板与设置补强板后横隔板裂纹9发展示意图如图4。图中横隔板2内侧指远离第二作用点13的横隔板2表面，横隔板2外侧指靠近第二作用点13的横隔板2表面。由于试件的横隔板2外侧表面粘贴了补强板，无法观测裂纹长度，因此仅示出横隔板2内侧的裂纹9发展曲线。由图4可知，随着荷载循环次数的增加，对比试件横隔板2裂纹逐渐增长，循环200万次的横隔板2内、外侧裂纹长度分别约39 mm和49 mm，并且呈继续增长的趋势。相比之下，荷载循环40万次左右的设置补强板的试件横隔板2内侧裂纹9只有6 mm，此后裂纹9不再发展，可见，裂纹9扩展得到抑制。

循环荷载下设置了补强板与未设置补强板的弧形缺口附近横隔板表面应变变化示意图分别如图5、图6所示。应变的测点位于横隔板2表面弧形缺口6的上凸弧段61与斜棱段62交界处的法线上、且距离斜棱段62上端点15mm。应变片方向与法线垂直。由图5与图6可知，荷载循环次数达到22万次以后，未设补强板的试件应变值突然急剧增大，说明该处材料因裂纹发展出现显著的应力集中，并且该测点的荷载-应变关系不再满足线性关系，说明该处材料因疲劳裂纹扩展而出现显著的塑性变形。相比之下，随着荷载循环次数的增加，直至循环200万次，设置有补强板的试件的测点的应变值并未增大，且荷载-应变关系均呈线性关系，说明该处材料一直处于线弹性状态，裂纹并未发展。另外，200万次循环荷载作用下，补强板及胶层均未发现任何损坏。

综上所述，采用单面粘贴3 mm厚补强板对弧形缺口6附近横隔板2进行加固后，200万次循环荷载作用下补强板及胶层均未出现任何损坏，试件的疲劳裂纹仅能扩展6 mm，此后无法继续扩展，裂纹扩展得到有效抑制，结构疲劳寿命得到大幅提高。

实施例2

如图7所示，重复实施例1，所不同的是：所述补强板1为异形板，且为层合板，包括用于设置在两个相邻的弧形缺口6之间的第一板10、以及用于设置在弧形缺口6某一侧的第二板11。第一板10的两侧边形状均与弧形缺口6形状相吻合。第二板11只有某一侧边的形状与弧形缺口6形状相吻合。

第一板10适用于两相邻弧形缺口6附近横隔板2区域都需要加固的情况。第二板11适用于弧形缺口6附近横隔板2区域只有一处需要加固的情形。

实施例3

如图8-9所示，重复实施例2，所不同的是：所述补强板1和横隔板2之间通过螺栓15并配合环形钢垫片14二次加固，环形钢垫片14压在补强板1四角，且采用螺栓15紧固于横隔板2。

实施例4

如图10所示，重复实施例1，所不同的是：所述补强板1为矩形板，补强板1和横隔板2之间通过螺栓15并配合矩形钢垫片14二次加固，矩形钢垫片14压在补强板1两端，且采用螺栓15紧固于横隔板2。

Claims (10)

1.一种钢箱梁加固结构，包括箱梁本体（100），该箱梁本体（100）包括间隔设置的横隔板（2）、在横隔板（2）上开设的贯通的槽口（21），在槽口（21）内的两侧边开有弧形缺口（6），其特征在于：在弧形缺口（6）存在疲劳开裂风险或已有疲劳裂纹的区域、且位于横隔板（2）的侧面上设置有补强板（1）。

2.根据权利要求1所述的钢箱梁加固结构，其特征在于：所述补强板（1）通过胶粘剂粘贴于横隔板（2）的两侧面或者其中一单侧面。

3.根据权利要求1所述的钢箱梁加固结构，其特征在于：所述补强板（1）为FRP单向板或层合板，其材料为CFRP、或GFRP、或AFRP。

4.根据权利要求1所述的钢箱梁加固结构，其特征在于：存在疲劳开裂风险或已有疲劳裂纹的区域位于补强板（1）中部，所述补强板（1）完全覆盖疲劳开裂风险区域或裂纹区域。

5.根据权利要求1所述的钢箱梁加固结构，其特征在于：所述弧形缺口（6）包括在槽口（21）的侧边上横向扩展的上凸弧段（61）、与上凸弧段（61）连接的斜棱段（62）、以及将斜棱段（62）与槽口（21）底边衔接的凹弧段（63）。

6. 根据权利要求5所述的钢箱梁加固结构，其特征在于：所述补强板（1）至少有一侧边与斜棱段（62）重叠对齐；

在横隔板上弧形缺口区域未出现裂纹状态下，所述补强板（1）的中部与弧形缺口（6）的斜棱段（62）上端点平齐；或/和

在横隔板（2）上弧形缺口区域已出现裂纹状态下，裂纹位于补强板（1）的中部位置。

7.根据权利要求5或6所述的钢箱梁加固结构，其特征在于：所述补强板（1）为异形板，包括用于设置在两个相邻的弧形缺口（6）之间的第一板（10）、以及用于设置在弧形缺口（6）单一侧的第二板（11）；第一板（10）的两侧边形状均与弧形缺口（6）形状相吻合，第二板（11）只有单一侧边的形状与弧形缺口（6）形状相吻合。

8.根据权利要求1所述的钢箱梁加固结构，其特征在于：所述补强板（1）和横隔板（2）之间通过螺栓（15）并配合钢垫片（14）二次加固，钢垫片（14）压在补强板（1）上，且采用螺栓（15）紧固于横隔板（2）。

9.一种如权利要求1～8任一项所述的钢箱梁加固结构的加固方法，其特征在于包括如下步骤：

a）表面处理；对弧形缺口（6）存在疲劳开裂风险或已有疲劳裂纹的区域、且位于横隔板（2）侧面的位置进行表面处理，完成除漆和除锈，然后擦拭干净，晾干；之后，将补强板（1）表面擦拭干净，晾干；

b）固定补强板（1）；在补强板（1）表面均匀涂抹胶粘剂，在胶粘剂上均布多颗等直径标准钢珠或玻璃珠，均匀施力使胶粘剂与横隔板（2）充分接触，挤出多余胶粘剂；

根据实际需要，补强板（1）粘贴于横隔板（2）的两侧面或者其中一单侧面；

c）固定与养护；用夹具将补强板（1）夹持固定在横隔板（2）上，养护至胶粘剂达到标准强度，然后去除夹具。

10. 根据权利要求9所述的加固方法，其特征在于：所述钢珠或玻璃珠直径范围为0.3～2.0 mm。