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 米，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年-2017年10月30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

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2016年6-8月（夏季高温）出现断裂50颗，占全年断裂总数的51%；2017年2-4月份（冬季寒冷）断裂39颗，2017年7-9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20MnTiB和35VB，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M20及M24高强螺栓，依据设计值，预拉力应分别为155KN、225KN，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.