基于高分子-金属板材的正交异性钢桥面板及U肋裂纹的修补方法
技术领域
本发明属于钢桥疲劳裂纹修复技术领域，涉及一种基于高分子-金属板材的正交异性钢桥面板及U肋裂纹的修补方法。
背景技术
正交异性钢桥诞生于20世纪50年代，由于其具有结构自重轻，跨越能力强等无可比拟的优越性，因此得到了大量的应用。限于桥梁建设时期的科技水平，对钢桥面板的研究不够透彻，受计算理论和方法的限制，以及疲劳理论和试验手段的限制。在此背景下，大量采用正交异性钢桥面板的桥梁，在使用一段时间后，陆续产生了疲劳裂纹。当疲劳裂纹扩展，就会对桥梁的自身安全产生威胁。因此，有必要对国内外常见的正交异性钢桥产生的裂纹，进行分类总结，同时采取相应的处置措施和对策。
CN110939077A提出一种正交异性钢桥面板闭口加劲肋疲劳裂缝修复方法，将产生有疲劳裂缝的焊缝所对应的闭口加劲肋与构件之间通过连接件相互铆接为一体；该钢桥包括至少一个闭口加劲肋和与其连接的构件，每个闭口加劲肋与其连接的构件分别通过若干个铆接部件与连接件相互铆接为一体。其存在的问题为：铆接处会出现局部缺陷，服役过程中会产生应力集中，影响使用寿命。
正交异性钢桥一旦出现裂纹，就必须进行维修加固。鉴于钢桥疲劳问题的复杂性，少数桥梁在采取维修加固措施后不久这些修补措施就失效，甚至在加固件连接焊缝处出现新的裂纹。因此，应当通过目视检查和无损检测等手段查明各类疲劳裂纹的位置和大小，判断其劣化等级及其对结构机能的影响程度，同时采取相应的处置措施和对策。另一方面，需要彻底消除裂纹和裂纹的影响，应对裂纹修补后再进行加固。最后，维修加固设计应合理选材，具有结构形式简单、重量轻、施工周期短的特点。
发明内容
本发明为克服现有技术的缺陷，特别是针对钢桥局部裂纹易扩展的缺陷，提出一种基于高分子-金属板材的正交异性钢桥面板及U肋裂纹修补方法。本方法先利用喷砂除锈，控制待修复位置的表面粗糙度；然后采用富氩气保护半自动焊对裂纹进行全熔透焊接，对含有裂纹缺陷的位置进行修复；然后在该区域焊接挡板以及垫块，制造灌注空腔，并对空腔密闭性和干燥性进行检测；检测合格后采用便携式混料注射设备，将高分子材料注入空腔；最后等待高分子材料固化后，切除注射口和排气孔的余料并焊接封闭注射孔和排气孔。从而实现了对正交异性钢桥面板及U肋裂纹的修复与加固，大大提高了正交异性钢桥面板及U肋的使用寿命，避免了由于铆接方式产生的局部缺陷，在更大程度上提高了原裂纹处的强度和刚度。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案：
一种基于高分子-金属板材的正交异性钢桥面板及U肋裂纹的修补方法。对于正交异性钢桥，面板及U肋裂纹处极易产生疲劳裂纹，针对于桥梁疲劳裂纹，该方法采用“裂纹止裂”+“板材加固”的修补方法对该类裂纹进行修补加固。其中，“裂纹止裂”采用焊接修补的方法，对原有裂纹进行修复；“板材加固”采用金属-高分子复合板材，使面板-U肋结构整体加固，降低焊接连接处由交通导致的应力并减少裂纹尖端的应力强度因子，防止裂纹扩展。针对具体典型裂纹的修补方法如下所示：
步骤1，喷砂除污/锈
对待修补的桥体面板及U肋外表面进行喷砂除锈处理，喷砂除锈标准需要达到Sa2级(彻底的喷射或抛射除锈，原桥体面板及U肋外表面无可见的油脂和污垢，并且氧化层/铁锈/油漆层等附着物已基本清除)，控制原桥体面板及U肋外表面的表面粗糙度为60um；
步骤2，制造灌注空腔：
a)采用富氩气保护半自动焊的方法，将全熔透角焊缝重新焊接，焊接材料采用ER50-3；既可以对原裂缝止裂，也防止后续高分子材料灌注时从裂缝处泄漏；
b)将5-15mm厚的框架结构置于面板和U肋的外侧，且将原裂缝置于框架结构置内部，裂缝距离框架结构的边缘不少于50mm；所述框架结构采用钢材或成型的高分子材料，其中，钢材连接方式为对角连续焊接，高分子材料连接方式为粘合剂粘接。所述框架结构为中空的板状结构。
c)采用粘合剂将5-15mm厚的圆形垫块均布在面板和U肋上，且位于框架结构内部，不与裂纹接触，起到支撑作用，所述圆形垫块厚度与框架结构厚度相同(圆形垫块厚度方向与框架结构厚度方向相同)。
d)在框架结构的底部侧面上钻注射孔，用于后续注入液态高分子材料，在框架结构的顶部侧面上钻排气孔。
e)将1-3mm厚的钢板覆盖在框架结构上，二者形成密闭空腔，所述钢板形状与框架结构相同。
步骤3，检测空腔密闭性：
将小型空压机与注射孔连接，在排气孔处连接压力传感器，向密闭空腔充入一定压力的洁净干燥气体，当压力传感器检测密闭空腔内压力达到预设值0.5MPa-0.7MPa后，关闭空压机及气阀，经过10min平衡时间后，对空腔密封性进行评估。
步骤4，检测空腔干燥性：
室温下，采用湿度检测仪从注射孔或排气孔深入密闭空腔内，检测湿度；若检测结果小于40％则认为合格；若湿度超过40％，则向空腔中通入干燥的压缩空气对空腔进行干燥。
步骤5，高分子材料灌注：
采用便携式混料注射设备，将高分子材料从注射孔注入密闭空腔；等待高分子材料固化后，切除注射孔和排气孔的余料，并焊接封闭注射孔和排气孔。
所述高分子材料夹层包括A组分高分子材料和B组分高分子材料；
所述A组分高分子材料包括如下重量份数的成分：蓖麻油30-40份、聚酯多元醇60-70份(所述聚酯多元醇包括但不限于聚己内酯二元醇、聚己内酯三元醇、聚四氢呋喃二醇中的一种或几种的混合)、小分子多元醇5-10份、偶联剂1-1.5份、助剂0.5-1份；
所述B组分高分子材料为多异氰酸酯。
所述A组分高分子材料与B组分高分子材料摩尔比为1：1～1.2。
本发明的有益之处：针对含有疲劳裂纹的正交异性钢桥面板及U肋结构提供了一种修补方法。采用“裂纹止裂+板材加固”的修补方法对该类裂纹进行修补加固，不仅相比单纯的焊接修复或者铆接加固使面板-U肋结构整体更加坚固，还可以降低焊接连接处由交通导致的应力并减少裂纹尖端的应力强度因子，防止裂纹扩展，从而能够彻底消除裂纹和裂纹的影响，另外选择金属-高分子复合板材作为加固材料，使得该方法具有结构形式简单、重量轻、易于施工以及施工周期短的特点。
附图说明
图1为正交异性钢桥面板和U肋中主要的疲劳裂缝形式图。
图2为钢桥疲劳裂纹修复流程图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
本发明针对含有疲劳裂纹的异性钢桥面板及U肋结构(图1)，提出了一种修复加固方法，具体步骤如下：
步骤1，喷砂除污/锈：
针对含有疲劳裂纹的位置，进行喷砂除锈，保证喷砂除锈标准应达到Sa2级(彻底的喷射或抛射除锈，原桥体面板及U肋外表面无可见的油脂和污垢，并且氧化层/铁锈/油漆层等附着物已基本清除)，在进行除锈的同时，控制原桥体面板及U肋外表面的表面粗糙度为60um左右。
步骤2，制造灌注空腔：
步骤如图2所示
a)针对桥体面板及U肋有疲劳裂纹裂纹的位置(图2(a))，采用富氩气保护半自动焊的方法，将全熔透角焊缝重新焊接，焊接材料采用ER50-3；既可以对原裂缝止裂，也防止后续高分子材料灌注时从裂缝处泄漏。
b)将10mm厚的框架结构置于面板和U肋的外侧(图2(b))，且将原裂缝置于框架结构置内部，裂缝距离框架结构的边缘55mm，外侧挡板采用钢材，连接方式为对角连续焊接。
c)采用粘合剂将10mm厚的圆形垫块均布在面板和U肋上，且位于框架结构内部，不与裂纹接触，其起到支撑作用。
d)在框架结构的底部侧面上钻注射孔，用于后续注入液态高分子材料，在框架结构的顶部侧面上钻排气孔；
e)将2mm厚的钢板覆盖在框架结构上，二者形成密闭空腔，所述钢板形状与框架结构相同；
步骤3，检测空腔密闭性：
将小型空压机连接到注射孔，在排气孔处连接压力传感器，向密闭空腔充入一定压力的洁净干燥气体，，当压力传感器达到预设值0.6Mpa，关闭空压机及气阀，经过10min平衡时间后，对空腔密封性进行评估。若发现有漏气现象，则重新进行步骤2，再进行步骤3重新检测，直至保证空腔密闭性良好，才可进行下一步检测；
步骤4，检测空腔干燥性：
用湿度检测仪对密闭空腔进行干燥性检测，在室温的检测结果小于40％可认为合格。
若湿度超过40％，可使用干燥机向空腔中通入干燥的压缩空气对空腔进行干燥。
再次检测，如果检测结果仍然大于40％，则需重复上述步骤，直至检测结果小于40％。
步骤5高分子材料灌注：
采用便携式混料注射设备，将高分子材料注入空腔；
所述高分子材料夹层包括A组分高分子材料和B组分高分子材料；所述A组分高分子材料与B组分高分子材料按摩尔比NCO/OH＝1:1比例混合。
所述A组分高分子材料包括如下重量份数的成分：蓖麻油35份、聚酯多元醇35份(所述聚酯多元醇为聚己内酯二元醇和聚四氢呋喃二醇的混合物)、小分子多元醇8份、偶联剂1.2份、助剂0.7份；所述B组分高分子材料为多异氰酸酯。
等待高分子材料固化后，切除注射口和排气孔的余料并焊接封闭注射孔和排气孔。
修补前后有限元分析结果对比：
以钢桥裂纹修补为例，裂纹尖端的应力强度因子K是判断裂纹是否继续扩展的力学参量，对未修补和粘贴修补的桥梁结构进行有限元分析，对比修补前后裂纹尖端的应力强度因子KI、KII的变化。相比于修补前的桥梁结构，修补后的结构KI降低最高可达54％，KII降低最高可达67％，其中，KI表示Ⅰ型裂纹尖端的应力强度因子，KII表示Ⅱ型裂纹尖端的应力强度因子。根据有限元分析结果，本专利能够大幅降低裂缝尖端的应力强度因子K，具有良好的抗疲劳性能，且对原结构不产生新的损伤和破坏，能够有效恢复并提升结构各项机能。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
