钢桥面板的设计、制造、安装与疲劳()

1、钢桥面板地设计 . 制造.安装与疲劳- 兼谈钢桥面板无限寿命设计法史永吉 1 方兴 1 王辉 2 白玲 1(1 中国铁道科学研究院 2 北方工业大学建筑工程学院)内容摘要近十几年中 , 我国建设了许多大跨度钢箱梁悬索桥 .斜拉桥 ,然而 ,服役不久 ,正交异性钢桥 面板即产生了不同程度地早发性 .多发性 .再现性裂纹 .这给我们留下了二大课题： 今后新建 桥梁 ,如何正确设计 .制造和现场安装钢桥面板 ,确保其疲劳耐久性； 现已产生疲劳裂纹地钢 桥面板 ,如何正确进行加固 ,恢复其运营功能 .本文概要介绍了钢桥面板地发展 ,实桥疲劳裂纹 事例 ,以及德国 .日本等国关于钢桥面结构设计 .制造

2、.现场安装最新理念和要求 ,供我国各方面1 引言近十几年来 ,我国建成了许多采用钢箱梁地悬索桥 .斜拉桥 .然而,这些钢桥服 役不久 ,钢桥面板即产生了不同程度地疲劳裂纹 ,并呈现早发性 .多发性 .再现性状 态.这给我们留下了两大课题：(1) .今后新建桥梁中 ,如何正确地设计 .制造 .安装钢桥面板 ,避免疲劳裂纹地发 生 ,确保其耐久性 .(2) .现已产生疲劳裂纹地钢桥面板 ,如何进行正确加固 ,消除裂纹病害 ,恢复其 运营功能 .本文从钢桥面板初始地研发 .应用 ,到产生许多疲劳裂纹 ,然后经过长期不间 断地研究 .改进和实桥检验 ,直到现在 ,特别是德国和日本 ,把钢桥面板地结构设

3、计 制造和安装与构造细节疲劳设计地综合考虑方法 ,这与通常用疲劳应力检算来确 保结构耐久性地思路有很大地不同 .我国钢桥面板应用稍晚 ,但一下子用量很大 尤其需要研究这方面地经验和教训 ,使我国钢桥面板地设计 .制造安装更健康地发 展.2. 钢桥面板地发展上世纪 30 年代 ,德国首先开始研发用钢桥面板代替混凝土桥面板 ,谋求减轻自重 .延伸跨长和经济性 .1934 年建成了世界上第一座钢桥面板连续板梁桥Feldcoeg桥跨长8.0m+2x12.5m+8.0m该桥桥面板结构如图1所示.图1德国Feldcoeg桥钢桥面板二次世界大战后，德国正式把钢桥面板既作为主梁翼缘地一部分而参与主梁共同工作，

4、又作为桥面板直接承受交通荷载,于1950年建成了 kurpfalz桥，三跨连续钢板梁桥，跨长56.1m+74.8m+56.1m见图2用钢量390kg/m2,与原址老桥（1940 年建成，战争中被破坏）585kg/m2相比，经济性显而易见.此后，钢桥面板被应用于连续梁桥.桁梁桥.拱桥.斜拉桥和悬索桥.图2德国Kurpfalz 桥很快，钢桥面板被世界各国引进，日本于1954年在东京建成了第一座下承式 钢板梁桥跨长17.2m,随后建成了各种桥式地桥梁.英国于1966年建成了 Severn 桥（悬索桥，主跨988m），首次用扁平钢箱梁作为悬索桥地主梁.美国从1970年代开 始,在早期建设地大跨度悬索桥

5、改造中，用钢桥面板更换已损坏地混凝土桥面板.我国于1970年代初，开始引进钢桥面板技术，第一座钢桥面板桥是潼关黄河 铁路桥,简支箱梁，跨长32m.1976年建成了汉江斜腿钢桥,铁路钢箱梁,全长226m.1982年建成了北江公路桥,14 64m简支钢桁桥.1987年建成了胜利黄河公 路桥，钢箱梁斜拉桥，主跨288m.上世纪末至今，已建成了近百座大跨度钢箱梁悬索 桥斜拉桥.3.钢桥面板地疲劳裂纹3.1钢桥面板地结构特征及受力行为钢桥面板是由较薄地面板.纵向肋和横向肋组成，三者互为垂直，焊接成一体 而共同工作，由于在相互垂直方向上地刚度各不相同，在受力行为上呈现各向异性 故称为正交异性板（Ortho

6、tropic Plate）.钢正交异性板作为承受汽车轮载地局部 受力构件时 ,面板可视为四周边弹性固支在纵横肋上 ,纵肋是连续弹性支承在横肋 上 ,横肋是弹性支承在主梁上 .钢正交异性板在均布荷载作用下有很大地极限承载力 ,然而在集中荷载作用 下会产生局部“锅底状”变形 ,而且 ,任一部件地竖向挠曲变形都将引起与之相邻 部件地面外挠曲变形 ,在焊缝约束处产生次应力 .再者 ,由于构件影响线长度很短 , 一个汽车轮载或相邻两个轮载（轴距约小于 2.0m 时）就产生一次应力循环 ,在桥 梁设计寿命内 ,轮载作用次数往往达到 107108次以上 ,这是正交异性板易产生多 发性疲劳裂缝地主要原因之一

7、.另外 ,钢正交异性板地构造复杂 ,焊缝数量多 ,施焊难度大 ,工厂制造和现场地 组装精度和焊接质量要求较高 ,特别是 U 肋角焊缝地熔深性 .咬边和其他焊接 .焰 切缺陷 ,也是潜在地疲劳裂缝源 .基于以上原因 ,钢桥面板是疲劳裂纹易发部位 .3.2 钢桥面板疲劳裂纹地类别及事例3.2.1 桥面板地疲劳裂缝类别从钢桥面板疲劳裂纹地成因出发 ,可以将正交异性钢桥面板疲劳裂纹分为主 应力（正应力）引发地裂纹及面外变形产生次应力引发地裂纹 . （1）主应力引发地裂纹主应力引起地裂纹主要是选用了疲劳强度较低地连接细节和残留地焊接缺 陷.典型地例子是纵向 U 肋嵌补段地现场钢衬垫板对接接头 . （2）

8、面外变形引发地裂纹正交异性钢桥面板面外变形引起地疲劳裂纹主要集中在以下位置： 面板与纵肋间地角焊缝位置 . 纵肋下翼缘与横肋交叉部位地弧形切口处 .（熔深 <0.7t 时起始于焊根地裂 纹,U肋嵌补段仰焊角焊缝起始于焊根和焊趾地裂纹） 横肋在纵肋与面板间纵向焊缝处设置过焊孔处 .3.2.2 钢桥面板疲劳裂缝示例 以下列举几座桥梁地钢桥面板疲劳裂纹实例（1）德国地 Porta 桥建于1954年，三跨连续钢桥面板箱梁桥，跨长106.2+77.88+63.72=247.8m单箱,两侧带悬臂板，全宽14.2m,单箱宽5.9m高3.5m桥面板纵向肋为半圆形闭口断面, 横肋为倒T形截面，横肋腹板贯通

9、，纵肋横肋连接采用钢衬垫板全熔透焊接.尽管 该细节由德国国立材料研究所做了模型式样地拉 一拉疲劳试验，当时认为疲劳性 能是安全地，但是当该桥运营后，在该处出现多发性裂纹，可见这种小试样地疲劳试验不反映实际焊接施工和受力状态a）纵断面b)横断面图 4 Porta桥纵.横肋连接细节215M应力循环3-10kg/mni 2X10fi次循环不破坏， 其中一个试样，3 1 ninf, 2X 10"次循环时 在焊缝上出现裂纹fl图5 Porta桥钢衬垫板焊接试样及试验结果（2）德国 Haseltal桥建于19591961年,7跨连续钢板梁桥，跨长76.2+5X 101.6+76.2=660.4m

10、桥面全宽29.0m,工字形主梁中心距18.52m梁高3.7 5.0m纵向肋为三角形封闭断面,横肋为倒T形断面，间距2.31m,横肋腹板贯通，纵肋与横肋连接采用钢衬垫板全熔 透焊接.投入运营后，产生了多发性裂纹，该桥于19851987年针对这些裂纹病害进行 了加固，加固费1.05X 107马克，扣除物价上涨指数，约相当于原建设费地21.8%.-4 /f-41;11一 114-141!1irl:111© Am砒图6 Haseltal桥裂纹部位(3) 英国地Severn桥建于1966年，跨长 304.9+987.55+304.8=1597.15m钢桥面板中，面板厚 11.4mm,U肋尺寸3

11、05X 229X 6.4mm,横肋贯通,U肋与横肋腹板采用钢衬垫板熔 透角焊缝.运营后不久，钢桥面处产生大量地裂缝，19811983年进行了加固，加固 费约为当初建设费地2.5倍.(4) 各种裂纹地汇总图7汇集了各国钢桥面板裂纹类别及发生部位.。面板纵向对接焊缝裂纹 纵肋现场钢衬垫对接焊缝处裂纹 纵肋与面板间地角焊缝焊趾处裂纹纵肋与面板间地角焊缝焊跟处裂纹横肋与面板间角焊缝焊趾处裂纹迪横肋与纵肋交叉处，弧形缺口母材处裂纹纵肋与横肋角焊缝处横肋焊趾处裂纹横肋与角撑角焊缝处裂纹竖向加劲肋与角撑板角焊缝处裂纹端横梁与纵肋角焊缝处裂纹面板与竖向加劲肋角焊缝端部焊趾处裂纹面板与竖向加劲肋侧面角焊缝焊趾处

12、裂纹面板与角撑板间角焊缝焊趾处裂纹横肋下翼缘与腹板角焊缝端部裂纹横肋下翼缘与主梁腹板竖向加劲肋角焊缝处裂纹横肋与纵肋交叉处，横肋侧焊趾处裂纹箱内横撑节点板处裂纹图7钢桥面板各种裂纹地汇总我国钢桥面板设计.制造和现场安装上地认识误区我国钢桥面板出现地疲劳裂纹裂纹类别与国外基本相同 ，从已发生地疲劳裂 纹病害(今后仍将陆续出现)状态来看，在设计制造和安装等方面存在许多值得 思考地问题.(1)正交异性钢桥面板地结构和构造细节设计从裂纹地普遍性来看，目前还没有很全面地认识正交异性钢桥面板地结构特 点及其受力行为，也没有系统地吸收国外国内地经验和教训，特别是对面外变形产 生次应力而引发地疲劳裂纹认识不足

13、，因此设计中难免出现偏差，例如： 不考虑面板.纵肋刚度.横肋间距之间地匹配性.当发现源于U肋与面板间 地角焊缝裂纹并裂穿面板时，就过分增大面板厚度；当发现横肋弧形切口处裂纹 时就增大横肋腹板厚度或不适当地增大弧形切口尺寸 . 错误地认为： 桥面板工地接头处 ,纵向 U 肋之间连接采用嵌补段钢衬垫全 熔透对接焊地疲劳强度比摩擦型双面拼接高强度螺栓连接要好 . 在横肋连接处 ,两块板单元之间采用“嵌补”肋 ,相互之间不连接 . 横隔板采用搭接焊连接 .（2）钢桥面板地制造和现场安装 钢桥面板地制造和现场安装是非常细致又要求很高地作业,然而常常忽略了一些基本问题 . 组装精度地控制 焊接坡口加工精度

14、及焊接接头组装精度是确保焊接质量地前提条件,如不满足设定地精度标准 ,不仅可能造成焊接缺陷 ,并增大了焊接变形地离散性 . 组装定位焊纵向角焊缝端部约 200mm 长留待现场桥位焊接 ,甚至设计图纸上明确给 出这一要求 ,这是不允许地 .U 肋钢衬垫板全熔透现场对接焊时 , 采用间断定位焊或把定位焊设在衬 垫板地外侧等 ,都是不正确地 .在隐蔽部位采用钢衬垫板全熔透焊接 ,原则上是不允许地 . 在钢箱梁连续匹配组装 .焊接时 ,纵向对接焊和角焊缝端部忽略设置引弧 板. 不合理地分割 组装钢箱量时设置横肋 “嵌补块” .横隔板中横肋与腹板搭接连接地方法 等是不合适地 .采用所谓整体横隔板 ,使横

15、隔板与面板 .纵肋之间地焊缝处于仰位置焊接 , 这是有百害而无一利地做法 . 过分依赖 UT.RT.MT 等探伤焊后地 UT.RT 探伤无疑是保证焊缝质量地重要而必不可少地手段之一 ,然而 , 如果过分依赖它（目前有 23 次独立探伤：制造商 ,监理 ,行政质量监管部门） , 反而容易忽视制造方地责任 ,如制造质量地全过程控制 .工艺地妥当性和焊缝外观 地检测等 . 深化制造合理化地研究，以谋求制造质量地稳定性，减少材料.能源地消耗, 缩短工期，降低成本；研发计算机信息化管理地数控（NC）作业法,谋求提高钢桥 制造技术升级等，是急需开展地工作4钢桥面板结构和构造细节地疲劳设计受汽车轮重地离散性

16、横向行走位置地不定性桥面铺装层刚度地影响，钢桥 面板需评定细节在汽车荷载作用下产生地应力难以精确计算特别是次弯曲应力,要想基于设计计算求得地应力幅和各相应构造细节地疲劳抗力，进行准确地疲劳评定是很困难地.各国学者针对钢桥面板各种类型地疲劳裂纹进行了不间断地研 究和构造细节地改进，并通过实桥应用加以验证，使钢桥面板地疲劳耐久性得以极 大地改善.这些成果体现在欧盟规范（Euro Code）和日本桥梁规范地最新版本中, 这里做一简要介绍.4.1正交异性钢桥面板地结构设计（1）钢桥面板地刚度轮载Of钢桥面板应具有足够地局部和整体刚度，避免桥面铺装层产生裂纹，如图8所亠七-口 PVTP弋S < 0

17、.4mmRA 2/aa局部度b）b局整体應/图3钢桥面板局部刚度及板整体刚度限值nr（2）纵向肋型式及设置直梁原则上行车道部分设置 U型肋，人行道部分可设置球扁钢肋或板式肋，曲 梁通常设置板式肋.（3）各部件地匹配性为了使钢桥面板具有必要地强度和刚度，降低面外变形引起地次应力，并便于 组装和焊接，确保其疲劳耐久性和合理地经济性，面板地厚度.U肋地断面尺寸和刚 度.横肋间距之间应有合理地匹配性，见表1及图9.表1面板.U肋.横肋间地匹配性部件Eurocode 3（2005 年）日本道路桥示方书（2002 年）日本钢道路桥疲劳设计 指针（2002年）大断面U肋地 推荐值面板厚度t d（mm）重车道

18、： 当沥青混凝土铺装层厚度：> 70mm t d> 14> 40mm t d> 16纵肋腹板间距e与td之比：e/t w25,建议 e = 300（平面曲线桥,e可增加5%,） 人行道和维修车道：td > 10,e/t w 40,e w 600,12mnw t dw 16mm18-19mm纵向肋 断面（mr）常用断面：U-300 X 280 X 8过去常用断面：U-320 X 240 X 6U-320 X 260 X 6 近期常用断面：U-320 X 240 X 8U-320 X 260 X 8U-440 X 330 X 9横肋横肋间距：2.5m w L w 3.

19、5m 横肋间距与纵肋弯曲刚度关系见 附图横肋腹板厚度10mm纵肋高度/ 横肋高度w 0.4横肋间距：Lw 2.5m横肋间距：10005000100001500020000纽向加劲肋惯性距兀KmJ|注：曲线A适用于行车道地所有纵肋，但除外. 曲线B适用于主梁腹板附近1.2m范围内，且是重车道上地纵肋 该图适用于行车道地所有形式地纵肋图9纵向U肋与横肋间距地关系4.2钢桥面板构造细节地疲劳设计421 U型肋与面板间地纵向角焊缝应确保必要地焊缝喉高不小于肋板厚度，熔透深度0.75肋板厚度.U肋与面板间纵向角焊缝地改进尿薛高度"鮎横肋/横隔板与纵肋和面板交叉处图11为该交叉处构造细节地改进.

20、 原则上纵肋贯穿横肋/横隔板（端横隔板除外）.纵肋与面板之间为连续角 焊缝,横肋处不设过焊孔. 横肋与面板.纵肋之间组装间隙应w 1.0mm,焊接时角部不得起熄弧.图11横肋/横隔板与纵肋和面板交叉处构造细节地改进横肋与纵肋下翼缘相交处地弧形切口尺寸构造细节在轮载作用下，纵向U肋地竖向挠曲在横肋/横隔板支撑处引起转动，导致横 肋/横隔板地腹板地面外变形，受到焊缝在连接处地约束产生次应力，所以，在横肋/ 横隔板上开弧形切口，意在降低次应力.但是，如弧形切口过大，将会降低桥面板地 整体刚度.图12为弧形切口推荐尺寸及构造细节.c)大断面U型肋a)日本U肋b） Eurocode U 肋idh n_L

21、 黠端部由两鵬儒 mats.否则应打磨; 切口处麒删；e) A大样图12横肋/横隔板与纵肋下翼缘相交处弧形切口构造细节424钢桥面板地现场横向接头(1) 桥面板地现场横向接头地位置不应设在横肋间距地1/2处,宜设在1/5地位置.(2) 纵向U肋地现场接头原则上以摩擦型高强螺栓连接为标准不宜采用嵌补 段钢衬垫板全熔透对接焊连接面板横向焊缝应采用陶瓷衬垫全熔透对接焊，纵肋 接头地弧形切口长度应w 80mm (建议取70mm).图13为该处接头地改进注：接头处应考虑 U肋断面缺损地影响，采用双面拼接，拼接板厚9mm图13 纵向U肋现场横向接头地改进4.2.5横肋地连接及竖加劲肋地设置(1) 在轮载地

22、正下方位置，原则上应避开横肋地接头(2) 横肋地接头处，为了便于面板陶瓷衬垫对接焊而设置地弧形切口时，长度应w80 mm （建议 70mm）（3）横肋接头可采用摩擦型高强度螺栓连接或全熔透焊接见图14.横肋地连接对接悍帥b）全熔透对接焊连接（立焊）（4）横肋/横梁腹板上需设置竖向加劲肋时，不得焊接到桥面板上，构造设计见图15.横陇板竖向臧肋图15横肋腹板上竖加劲肋构造426纵梁/纵隔板大型货车轮载地正下方，原则上不得设置纵梁/纵隔板，应设置在两车道间地 车道线下方附近不得已设置时，纵梁腹板应采用坡口全熔透角焊缝，并且,纵梁腹 板上竖加劲肋不得焊接到桥面板上，间隙35mm.427纵肋与端横隔板相交处构造细节.纵肋与端横隔板垂直相交处地构造细节如图 16所示.纵向U肋与端横隔板地连接 采用钢衬垫板坡口全熔透角焊缝，需满足以下条件：U肋与钢衬垫板组装间隙三0.5mmU肋与端横隔板地组装间隙为45mm （钢衬垫板全熔透角焊缝）面板面板J J1U肋低/止图16纵向U肋与端隔板连接地构件细节6.结束语钢桥面板地疲劳是一项涉及范围很广地课题，基于正交异性钢桥面板地特点 和受力行为.疲劳裂纹地类型和特征，以及国外国内长期实践经验和研究成果，