在役钢桥U肋仰位内焊加固技术

1、内焊加固技术研发情况

根据统计数据，我国已建成通车运营的正交异性钢结构桥梁数量已达220余座，受制于以往技术原因，U肋内侧无法焊接，在交通载荷的反复作用下，服役5～15年即发生疲劳开裂。部分情况下，甚至会造成桥面污水流入箱梁内部、桥面板下塌等疲劳灾害，严重危害桥梁结构和行车安全（如图1所示）。其中，U肋内侧向顶板扩展的裂纹隐蔽性强，根据某跨江大桥2017年检测数据，通过传统检测手段，统计的裂纹有8000多道，铲除铺装层后，加上U肋向顶板的裂纹多达20000多道。

针对在役钢桥疲劳裂纹，传统处治技术主要包括补焊法、打止裂孔、粘贴或者栓接钢板加强，桥面铺设UHPC等，返修需中断交通、铲除铺装层，成本较高，易再次产生开裂。导致此处疲劳问题依然呈现“普遍性、早发性、多发性、再现性”的特征，返修成本高、无法彻底消除。成为困扰钢桥可持续发展的世界性难题。

图1 在役正交异性钢桥面板U肋焊缝疲劳裂纹

试验和理论研究表明：增大U肋与顶板焊接细节的熔透率可以使主导开裂模式由Crack-III迁移到Crack-II，因此各国规范建议熔透率≥75%或80%。当熔透率≥75%时，焊根起裂往顶板厚度方向扩展（Crack-II）模式处于闭口U肋内部隐蔽部位，在裂穿顶板前，当前尚缺乏有效的检测技术（需要铲除铺装层）。

U肋与顶板双面焊焊接构造细节有效提高疲劳性能的关键在于：通过在U肋内侧引入焊缝显著降低Crack-II裂尖的应力集中程度和应力幅（内侧焊根位置的应力幅降低基本在70%以上），对于传统的在役正交异性钢桥面板单面焊U肋与顶板焊接构造细节，可以引入U肋仰位内焊技术对源于焊根的疲劳开裂进行加固。

结合理论分析与疲劳试验结果，对在役钢桥U肋与顶板内部施加一道焊缝，形成U肋双面角焊缝，消除U肋内部焊接缺欠和应力集中点，从而有效避免此类开裂现象，大幅提高在役钢桥这一关键构造细节的抗疲劳寿命。

锂鑫自动化经过多年的技术攻关，于2023年研发出在役桥梁U肋仰位内焊加固成套技术，攻克了U肋仰位自动化焊接技术、机器人自主行走技术、焊缝跟踪技术、远距离送丝技术、远距离控制系统、视频检测技术等U肋内焊加固的关键技术，并实现了多技术创新融合。

U肋仰位内焊加固技术充分考虑了开孔位置对原桥力学性能的影响，研究了U肋合理开孔位置及数量；通过实桥模拟实验，对U肋仰位内焊进行了热—结构间接耦合分析；研究了仰位焊接温度场、应力场的变化及焊接对桥面铺装的影响，论证了U肋内焊加固技术的可行性。

高度集成和自动化的仰位内焊设备，有效保障了高空、密闭环境作业的安全性和施工效率。通过有限元分析和疲劳性能对比实验数据（委托西南交通大学张清华教授团队进行的U肋内焊加固疲劳试验验证了该技术可以提高在役钢桥面板疲劳性能1.66-2.57倍以上），对在役钢结构桥梁进行U肋仰位内焊加固，可以极大提高在役钢桥面板系的抗疲劳性能，延长钢桥使用寿命。U肋仰位内焊加固技术为在役钢结构桥梁的维修提供了全新、高效、实用的技术解决方案。

（3）U肋内焊加固技术创新

在役钢桥需要在桥位实施内焊缝增补焊接，需要兼顾钢桥结构受力安全和仰位焊接质量要求，为此我们进行了一系列技术难点攻关，开发了模块化、可插接小型仰焊机器人，研制了专用的仰焊焊缝跟踪系统，实现了U肋变形情况下的机器人稳定行走控制，研究了适用于机器人仰位焊接的自动化焊接工艺，搭载有远程视频监控系统，实时观测仰位内焊缝外观质量情况。

针对U肋内侧焊瘤、焊渣难以处理的情况，我们研发了特殊的焊接处理工艺，来形成良好的焊缝外观，保障焊缝质量。

研发了高粘度、低飞溅的仰焊专用焊丝，形成了机器人仰焊工艺数据库，通过融合视觉识别系统，可以实现焊缝位置的精确追踪。

采用U肋开孔机器人开制施焊工艺孔和端封板切割；U肋修磨机器进行焊前修磨；U肋仰位内焊机器人进行仰位内焊缝增补；U肋仰位焊缝检测机器人进行磁粉探伤，检查焊缝质量；采用外部焊接机器人进行端封板和切割段U肋的补焊作业。全套完整的施工设备，保证了U肋仰位内焊加固技术的可靠性。

3、U肋仰位内焊加固工程案例