今日关注:
首页 >> 管理之窗 >>
悬索桥钢桁梁高强螺栓破坏分析
供稿人:张申申     发布时间:2017/11/14 17:28:30     阅读人数:3986

内容摘要:针对沪渝高速四渡河特大桥钢桁梁高强螺栓断裂现状,统计高强螺栓断裂的相关数据,并对断裂位置、断裂发生时间等进行对比,从而进行高强螺栓破坏原因的初步分析,为四渡河大桥钢桁梁后期的养护维修和研究提供参考。

关 键 词:钢桁梁 高强螺栓 断裂 养护

四渡河特大桥位于沪渝高速K1282+907处,全长1100米,塔顶至峡谷谷底高差达 650 ,桥面距谷底 560 米,主桥为900m单跨双铰钢桁架加劲梁悬索桥,加劲钢桁梁由主桁架、上下平联、横向桁架组成。主桁架采用华伦式,桁高6.5米,桁宽26.0m,小节间长度6.4m,大节间(即一个标准节段)长度12.8m,在每小节处均设横向桁架。主桁片上、下弦杆、横梁上、下弦杆采用箱形截面,腹杆及上、下平联均采用工字型截面。钢桁架采用整体节点新技术,各杆件均为工厂组焊件,为减少钢桁梁杆件的现场拼装连接,将弦杆连同一个或两个节点在工厂焊接成整体,现场用高强螺栓连接成桁架其中M24高强螺栓307708套,M20高强螺栓94848套,一共402556套。高强螺栓性能等级10.9S级,材质为20MnTiB.

           

            图1 四渡河大桥全景图                    图2钢桁梁局部图

1 高强螺栓断裂的情况

四渡河大桥高强螺栓断裂情况,从2013-20171030日共发现断裂264套,而且每年都有高强螺栓断裂的情况。断裂位置及时间统计情况见下表。

             表1四渡河大桥高强螺栓断裂情况统计表

名称

材质

断裂时间及数量

位置

备注

2013

2014

2015

2016

2017

高强螺栓

20MnTiB

24

40

15

98

87

四分跨至跨中区域


 

随着大桥后期运营年限的延长、行驶车辆数量的剧增尤其是重载货车的增加,高强螺栓断裂的数量出现了增加。通过对近两年高强螺栓出现断裂的时间进行分析,发现20166-8月(夏季高温)出现断裂50颗,占全年断裂总数的51%20172-4月份(冬季寒冷)断裂39颗,20177-9月(夏季高温)断裂39颗,占全年断裂总数的89%。由此可见,高强螺栓断裂还与温度变化有关,同时与钢桁梁受力情况有关.(见下图3、图4)。

  图3加劲梁节点板底部高强螺栓缺失

      

         图4加劲梁节点板侧面高强螺栓缺失

2 高强螺栓断裂原因初步分析

2.1 外部环境的影响

四渡河大桥地处巴东县野三关镇,海拔1100米,气候湿润,常年多雨,这样的气候极易使钢结构出现锈蚀,影响高强螺栓的使用寿命。另外当温度发生较大变化时,钢桁梁出现较大竖直位移,横风荷载作用下,钢桁梁出现明显横向位移。无论是竖直位移还是水平位移,都会使跨中区域高强螺栓出现应力增加,从而加快受力疲劳速度,容易出现剪断的情况。

2.2原材质因素造成缺陷

通常,高强螺栓材质自身的缺陷也会造成延迟断裂。高强螺栓的原材料中存在非金属杂物,冶炼过程中一旦各种介质(特别是氢元素)的侵入,导致冶炼过程中出现原始缺陷,这些都可能成为日后高强螺栓断裂的诱因。

2.3施工误差引起的延迟断裂

为防止高强螺栓后期锈蚀,国内通常采用对螺栓表面防腐处理,在表面涂抹润滑剂,虽然防腐,但是也导致预拉力无法有效控制,出现超拧问题。高强螺栓施工主要采用扭矩扳手进行控制,施拧质量主要依靠工人,工人劳动强度大,无法实现扭矩精准控制,一旦出现超拧,将是高强螺栓延迟断裂的主因。大桥运营后期,如果出现高强螺栓断裂补装,就必须采用节点板同型号同材质的高强螺栓,且保证预拉力保持一致,因此对施工精准度要求相当高,一旦出现施工误差,可能会引起受力不均,出现应力集中,引起断裂。

2.4 应力集中造成自身破坏

对于钢结构而言,连接破坏是结构破坏的最重要因素,结构应力集中是导致高强螺栓出现断裂的最重要原因之一。长期的汽车等活载反复作用,加上温度升高、横向风荷载等因素的影响,导致四分跨至跨中区域局部出现应力集中,高强螺栓出现剪切破坏。以主跨648m的沪昆高速上的北盘江大桥(悬索桥)为例,通过建立有限元模型,并通过软件对大桥运营阶段的温度及风荷载工况影响分析(如下图5、图6、图7)。

 

在活载作用下,加劲梁跨中区域拉应力比其他位置较大;在温度升高25℃,加劲梁竖向变形能力高于主缆变形能力,且变形最大值位于跨中区域;受横向风荷载外力作用下,主缆与加劲梁均发生横向位移变形,变性最大值也位于跨中区域附近,这就造成了跨中区域附近容易产生应力集中现象,容易导致高强螺栓剪切破坏。

3 高强螺栓缺失对节点板传力性能的影响

作为连接接头的重要部件,高强螺栓的断裂会导致连接接头滑移,严重者导致主体结构失稳。

四渡河大桥加劲梁节点板上高强螺栓呈多排分布,在轴力作用下,各排螺栓传力比接近马鞍形分布,第一排和最后一排螺栓传力比最大,中间螺栓传力比较小,由两边向中间递减。一旦螺栓缺失后对其相邻的两排螺栓影响较大,对其余各排的螺栓的传力比影响不明显,说明螺栓缺失只对局部范围内的螺栓有影响。但若传力比比较大的螺栓排缺失数量达到一定程度时,极易使剩余螺栓传力比超过其抗剪承载力出现剪切破坏。

4 后期养护建议

高强螺栓断裂原因复杂,受影响因素很多,为减少高强螺栓的断裂或发生断裂情况下,确保桥梁结构运营安全,建议从以下几方面着手。

4.1 改善高强螺栓原材料性能

四渡河大桥高强螺栓采用20MnTiB材质,这种材质淬火控制要求较高,导致其加工与施拧难以控制在有效荷载范围内。依据南京大胜关长江大桥数据统计,大桥钢桁梁采用两种材质的高强螺栓,分别是20MnTiB35VB,但是发生断裂的20MnTiB高强螺栓占据断裂总数的87%,所以加劲梁节点板应采用35VB材质的高强螺栓连接副或其他使用性能更好的高强螺栓连接副。

4.2 加强日常维护管理

4.2.1加强巡查

按照桥涵养护规范及公路养护技术规范等国家标准,对桥梁每周日常巡查不少于2次,经常性检查每月不少于1次,在检查过程中要加强对高强螺栓的检查,及时发现断裂的高强螺栓,并进行补装,保证节点板整体处于正常受力状态。

4.2.2严格把关高强螺栓补装施工工艺

高强螺栓的更换要严格控制好扭矩,预拉力值应符合设计要求,四渡河大桥全桥采用的是M20M24高强螺栓,依据设计值,预拉力应分别为155KN225KN,禁止欠拧或超拧。

对于一个节点板,同时更换的数量不宜超过节点螺栓总数的8%,更换的螺栓全套的材质、规格、强度等级应与原桥的相同,不能混用。

湿度与温度对扭矩系数影响较大,因此雨雪天气、雾天等恶劣天气不得进行高强螺栓补装作业,高强螺栓补装后,对节点板四周裂缝进行封闭处理,对新补装的高强螺栓进行防锈涂装,并进行标记。

4.2.3加强原始资料收集

每次补装,都应及时做好相应资料,记录高强螺栓补装位置、时间、数量,积累高强螺栓断裂的原始数据,为后期的养护及科研提供数据参考。

5 结束语

大跨径钢桁梁在长期的汽车等反复荷载及外部作用力影响下,节点板位置处的高强螺栓容易产生疲劳破坏或应力集中而断裂,从而使剩余的高强螺栓受力特性发生变化,严重影响了主体结构的安全。因此在后期养护过程中,养护人员或技术人员要加强钢桁梁的巡查与养护,及时发现缺失的高强螺栓,并进行增补,确保桥梁的安全运营。

参考文献

[1]朱铭王荣辉黄永辉.钢桁桥长列高强螺栓群优选布置的有限元分析[J].长安大学学报,2009,29(4):59-62.

[2]李运生,王慧佳,张彦玲.钢桁梁桥高强螺栓连接的节点板局部受力性能分析[J].石家庄铁道大学学报,2013.9.

[3]张德莹王慧佳李运生.摩擦型高强度螺栓传力性能及缺失的非线性分析[J].广西大学学报.2015(2).10-1.

鄂公网安备 42011302000488号