一种钢桥面板横隔板弧形切口处疲劳裂纹加固结构

1.本实用新型属于正交异性钢桥面板技术领域，涉及一种钢桥面板横隔板弧形切口处疲劳裂纹加固结构。


背景技术：

2.正交异性钢桥面板，因其自重轻、承载能力大、适用范围广、施工周期短等突出优点，常作为钢桥的桥面结构体系。由于经济日益发达产生的交通量增长，许多早期建设的大跨度钢桥的正交异性板都出现了疲劳破坏问题。这些疲劳破坏产生后，不但会诱发桥面铺装反射裂纹、坑塘等多种病害，还会在裂纹开展到一定程度时直接影响结构的使用安全。因此，对桥面板疲劳裂纹的修复与加固具有重大现实意义。
3.正交异性钢桥面板横隔板设置弧形切口的目的是为了释放纵肋挠曲带来的横隔板约束变形。但是这种弧形开口本身的几何性质同时也会导致应力集中，从而导致疲劳裂纹在此处产生。除本身的形状导致的应力集中之外，焊接时产生的残余应力也使得该部位更容易产生疲劳破坏。这些因素共同作用下将导致裂纹极易从横隔板的弧形切口处产生并扩展，直至横隔板断裂或顶板开裂，严重影响结构的正常运营，显著降低桥梁的寿命和安全性。研究显示，正交异性钢桥面板疲劳开裂现象普遍存在于各大桥梁中，而其中横隔板弧形切口处的疲劳损伤在总体疲劳病害中占有较高比例。
4.目前针对桥梁横隔板弧形切口处疲劳裂纹的修复方法，主要有止裂孔法、钢板补强法和裂纹焊合法等，以上方法虽然对裂缝损伤部位进行了修复或强化，但是现场需要进行打磨、钻孔和焊接等操作，施工过程较为复杂，且修复效果高度依赖于打磨、焊接、钻孔等施工质量，稳定性难以保证，且焊缝或螺栓开孔处也易于发生二次开裂。
5.因此，为了解决现有的大跨度钢结构桥正交异性板横隔板弧形切口处疲劳裂纹修复难题，亟待找到一种更加经济、简便、快捷，并具有足够强度和可靠性保证的修复技术方案。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的是提供一种钢桥面板横隔板弧形切口处疲劳裂纹加固结构。本实用新型使用形状记忆合金片作为补强板，配合使用止裂孔法，通过钻孔止裂与粘贴形状记忆合金片共同作用的冷修复方式进行加固，是一种施工简便、造价相对低廉、不对大桥正常交通运营产生影响的修复与加固方式。
7.本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
8.一种钢桥面板横隔板弧形切口处疲劳裂纹加固结构，所述的钢桥面板包括钢桥面板顶板、设置在钢桥面板顶板底部的纵向u肋以及多个间隔布设在钢桥面板顶板底部的横隔板，所述的横隔板的内侧开设有与纵向u肋相适配的弧形切口，所述的疲劳裂纹位于横隔板上，所述的加固结构包括开设在横隔板上的止裂孔以及设置在横隔板侧面的形状记忆合金片，所述的疲劳裂纹的内端与弧形切口相连，外端与止裂孔相连，所述的形状记忆合金片
同时覆盖疲劳裂纹及止裂孔。
9.优选地，所述的形状记忆合金为铁基形状记忆合金(fe-sma)。
10.进一步地，所述的疲劳裂纹由内端向外端延伸，并且所述的疲劳裂纹与横隔板的外边缘不相连。疲劳裂纹并未延伸至横隔板的外边缘。
11.进一步地，所述的形状记忆合金片与横隔板侧面之间设有结构胶，并通过结构胶粘贴在横隔板侧面。
12.进一步地，所述的形状记忆合金片包括无胶区及有胶区，所述的有胶区通过结构胶粘贴在横隔板侧面，所述的无胶区覆盖疲劳裂纹及止裂孔。
13.进一步地，所述的形状记忆合金片的两端均为有胶区，中部为无胶区。有胶区含有结构胶，用于粘贴锚固；无胶区不含结构胶，用于加热回复。
14.进一步地，所述的有胶区与横隔板侧面之间设有多个玻璃珠。
15.进一步地，所述的玻璃珠的直径为0.3-2.0mm。
16.进一步地，所述的形状记忆合金片设置在横隔板的单侧或双侧。根据实际裂纹开裂状况和强度要求，形状记忆合金片通过结构胶粘贴于横隔板的单侧或双侧。
17.进一步地，所述的形状记忆合金片的厚度为1-3mm。
18.一种基于所述的钢桥面板横隔板弧形切口处疲劳裂纹加固结构的加固方法，该方法包括以下步骤：
19.1)在横隔板上钻出止裂孔。止裂孔应打在疲劳裂纹延伸方向端部，起到阻止裂纹进一步开裂的作用。止裂孔尺寸应在不过度影响整体强度的条件下尽可能大。
20.2)将形状记忆合金片预拉伸后，贴合在横隔板侧面，并进行养护。
21.3)对形状记忆合金片进行加热以产生预应力。利用热风枪或其他加热技术加热形状记忆合金片中间的回复区域，引入预应力。
22.具体过程如下：
23.1)钻止裂孔：在弧形切口处的疲劳裂纹开裂区域先判断出裂纹特征，打孔前先标记出裂纹尖端和止裂孔中心位置。然后先用小直径的钻头打定位孔，再用规定直径的钻头进行钻孔，直至贯穿钢板。
24.2)表面处理：对横隔板两侧弧形切口疲劳裂纹处进行表面处理，即进行钢板打磨除锈处理，后将形状记忆合金片表面擦拭干净。
25.3)粘贴形状记忆合金片：在形状记忆合金片两端的表面均匀涂抹结构胶，并在结构胶上均匀放置多颗小直径(0.3-2.0mm)的玻璃珠以控制胶层厚度，然后将形状记忆合金片与横隔板进行充分粘贴。粘贴前，形状记忆合金片在常温下进行预拉伸，一般使其产生约为4％的应变，也可根据实际情况选择预拉伸长度。确保形状记忆合金片的中间不进行粘贴锚固的回复区完全覆盖疲劳裂纹以及裂纹端部的止裂孔。
26.4)固定养护：利用夹具将形状记忆合金片固定在横隔板上，待养护到结构胶形成一定强度后拆卸夹具。
27.5)通电加热：在形状记忆合金片的中部加热区域布置热电偶以监测加热温度。使用玻璃纤维棉和铝箔胶带对加热区域四周进行包裹，以避免结构胶粘贴区域受高温影响。最后使用热风枪对形状记忆合金片中间的回复区进行加热，使其产生恢复变形，从而引入预应力，起到加固横隔板、阻止裂纹扩展的作用。
28.本实用新型也可用于对存在疲劳开裂风险的横隔板进行加固。疲劳开裂风险区域一般位于横隔板上的弧形切口外轮廓区域。发生疲劳破坏时，疲劳裂纹一般由该弧形切口处向外延伸。存在疲劳开裂风险或已有疲劳裂纹的区域位于形状记忆合金片的中部，并且形状记忆合金片应完全覆盖裂纹区域，并使其处于形状记忆合金片中间部位。这种设计的优点在于：第一，疲劳裂纹受力时，形状记忆合金片能更好地发挥功效；第二，加热形状记忆合金片引入预应力时，能减少对两侧的扰动。
29.利用形状记忆合金(sma)作为补强板施加预应力能够避免机械方法的不足，同时增强局部结构刚度。fe-sma材料拥有独特的热机械响应，在常温下，当其形状被改变之后能够保留较大的残余应变，一旦被加热到一定的跃变温度，又可以恢复到变形前的形状。通过抑制这种形变的恢复，可用于对结构构件施加预应力。因此，通过利用将预变形的片状铁基记忆合金作为补强板，即可通过加热的方法引入预应力实现主动加固，操作过程简单，无损伤，产生的预应力均匀且适用于小范围或各类特殊部位的加固。
30.具体在实施时，本实用新型在横隔板上疲劳裂纹的外尖端处钻出止裂孔，再将预拉伸的形状记忆合金片的两端粘贴于疲劳裂纹及止裂孔所构成的区域两侧，并且形状记忆合金片的中部完全覆盖疲劳裂纹及止裂孔，中间留出一部分无胶区作为待加热区域。通过加热该中段区域，利用形状记忆合金片形成自应力起到主动加固结构并达到遏制疲劳裂纹扩展的目的。本实用新型通过钻孔止裂与粘贴形状记忆合金片共同作用的冷修复方式，不引入焊接残余应力，显著提升横隔板弧形切口处的疲劳寿命，且具有加固方式简单、相对造价较低、施工难度低、安装方便快捷等优点。
31.与现有技术相比，本实用新型具有以下特点：
32.1)本实用新型采用止裂孔与形状记忆合金片补强结合使用的方式，不仅降低了疲劳裂纹端部应力集中的影响，同时保证了结构的整体强度。
33.2)本实用新型利用形状记忆合金片引入预应力，利用结构胶进行锚固粘贴，避免了锚固装置及重型张拉设备，降低了施工难度和施工过程对大桥运营引起的负面影响。
34.3)本实用新型在锚固工程中使用结构胶粘贴的方式，避免了焊接、铆接等方式对桥体造成的二次伤害。
35.4)本实用新型采用的形状记忆合金片外型小巧，便于运输，且修复完成后不会对桥体外观造成过大改变。
附图说明
36.图1为实施例中横隔板上止裂孔的结构示意图；
37.图2为实施例中将形状记忆合金片贴合在横隔板上时的示意图；
38.图3为实施例中加固完成后的钢桥面板结构示意图；
39.图中标记说明：
40.1—钢桥面板顶板、2—纵向u肋、3—横隔板、4—弧形切口、5—疲劳裂纹、6—止裂孔、7—形状记忆合金片。
具体实施方式
41.下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型
技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
42.实施例：
43.如图1、图2、图3所示，钢桥面板包括钢桥面板顶板1、设置在钢桥面板顶板1底部的纵向u肋2以及多个间隔布设在钢桥面板顶板1底部的横隔板3，横隔板3的内侧开设有与纵向u肋2相适配的弧形切口4，疲劳裂纹5位于横隔板3上。
44.一种钢桥面板横隔板弧形切口处疲劳裂纹加固结构，包括开设在横隔板3上的止裂孔6以及设置在横隔板3侧面的形状记忆合金片7，疲劳裂纹5的内端与弧形切口4相连，外端与止裂孔6相连，形状记忆合金片7同时覆盖疲劳裂纹5及止裂孔6。
45.其中，疲劳裂纹5由内端向外端延伸，并且疲劳裂纹5与横隔板3的外边缘不相连。形状记忆合金片7与横隔板3侧面之间设有结构胶，并通过结构胶粘贴在横隔板3侧面。形状记忆合金片7包括无胶区及有胶区，有胶区通过结构胶粘贴在横隔板3侧面，无胶区覆盖疲劳裂纹5及止裂孔6。形状记忆合金片7的两端均为有胶区，中部为无胶区。有胶区与横隔板3侧面之间设有多个玻璃珠。玻璃珠的直径为0.3-2.0mm。
46.形状记忆合金片7设置在横隔板3的单侧或双侧。形状记忆合金片7的厚度为1-3mm。
47.基于上述加固结构的加固方法包括以下步骤：
48.1)如图1所示，在横隔板3上疲劳裂纹5发展方向端部钻出止裂孔6。具体过程为：确定包括钻孔孔径、钻孔孔位及钻孔方向等孔参数，用马克笔标记出疲劳裂纹5尖端和止裂孔6圆心位置，画出预打孔；在预打孔上贴约10mm厚的橡胶保护层，用以起到防止碎屑破坏钢材、又稳定钻头的作用；先采用小直径钻头进行定位孔布置，然后采用规定直径的短柄阶梯式麻花钻钻头进行打孔。
49.2)如图2所示，将形状记忆合金片7预拉伸后，贴合在横隔板3侧面，并进行养护。具体过程为：取尺寸为75
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270mm、厚度为1.5mm的片状fe-sma(铁基记忆合金)在常温下进行预拉伸，使其产生约为4％的应变；将预拉伸的片状fe-sma两端各60mm作为粘贴锚固区，使用结构胶粘在待修复横隔板3上，中间空出150mm完全覆盖疲劳裂纹5与止裂孔6，作为加热回复区；对粘贴区域持压并高温养护7天。
50.3)如图3所示，对形状记忆合金片7进行加热以产生预应力。具体过程为：利用热风枪将片状fe-sma中间的回复区加热至170℃使其产生恢复变形，从而引入预应力，起到加固横隔板3、阻止疲劳裂纹5扩展的作用。
51.需要说明的是，形状记忆合金片7与止裂孔6共同构成的对横隔板3的弧形切口4处的疲劳裂纹5的加固结构包括但不限于本实施例中的片状fe-sma与垂直疲劳裂纹5的横向覆盖模式；结构胶粘贴锚固方式也可替换为结构胶-机械辅助锚固、机械锚固等锚固形式。
52.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。