正交異性鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)改進(jìn)的探討

趙佃龍，方 興，白 玲

(1.中國(guó)鐵建股份有限公司，北京 100855;2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081)

正交異性鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)改進(jìn)的探討

趙佃龍1，方 興2，白 玲2

(1.中國(guó)鐵建股份有限公司，北京 100855;2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081)

鑒于正交異性鋼橋面板在鐵路橋梁上應(yīng)用的增多及其疲勞裂紋的多發(fā)性，分析了正交異性鋼橋面板疲勞裂紋的成因，系統(tǒng)地匯總了正交異性鋼橋面板縱肋截面、縱肋與面板連接、橫肋與面板連接、縱肋與橫肋交叉部位、鋼橋面板現(xiàn)場(chǎng)連接形式、U型肋形式等構(gòu)造細(xì)節(jié)的演變歷程及各國(guó)規(guī)范相關(guān)最新研究成果和規(guī)定。

正交異性鋼橋面板 構(gòu)造細(xì)節(jié) 橫肋 縱肋

正交異性鋼橋面板由面板、縱肋和橫肋組成，三者互為垂直，焊接成一體而共同工作，如圖1所示[1]。正交異性鋼橋面板的面板四周彈性固支于縱橫肋上，縱肋連續(xù)彈性固支于橫肋上，橫肋彈性固支于主梁腹板上，這種結(jié)構(gòu)形式由于其剛度在相互垂直的方向上各不相同，因此造成受力行為上的各向異性，稱為正交異性板。

正交異性鋼橋面板應(yīng)用于橋梁已有60余年，雖然不斷出現(xiàn)疲勞裂紋，但是由于其具有自重輕等許多優(yōu)點(diǎn)，而且即使產(chǎn)生多發(fā)性的局部裂紋，由于冗余構(gòu)件的存在而不會(huì)造成橋梁的垮塌事故，所以正交異性鋼橋面板仍然是優(yōu)選的橋面板形式。為了抑制疲勞裂紋，各國(guó)學(xué)者進(jìn)行了持續(xù)的大量的試驗(yàn)研究和實(shí)橋應(yīng)用檢驗(yàn)，已經(jīng)有效地抑制了疲勞裂紋的產(chǎn)生，并將這些改進(jìn)措施不斷地補(bǔ)充到再版的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范和制造規(guī)范中。

圖1 正交異性鋼橋面板典型構(gòu)造(單位:mm)

我國(guó)正交異性鋼橋面板應(yīng)用始于20世紀(jì)70年代的鐵路鋼箱梁橋[2]，20世紀(jì)末大量應(yīng)用于公路橋梁，然而許多橋梁上已出現(xiàn)程度不同的疲勞裂紋，大大影響了結(jié)構(gòu)的使用性和安全性，并引起了各方面的高度重視。當(dāng)前，隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的迅猛發(fā)展，這一結(jié)構(gòu)形式在鐵路橋梁上的應(yīng)用又逐漸增多，如京滬高速鐵路大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋、濟(jì)南黃河橋等均采用正交異性鋼橋面板。因此，本文系統(tǒng)地分析了正交異性鋼橋面板疲勞裂紋的成因，匯總了其構(gòu)造細(xì)節(jié)的改進(jìn)歷程，并列出各國(guó)規(guī)范關(guān)于正交異性鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)最新研究成果，以利于我國(guó)正交異性鋼橋面板的合理設(shè)計(jì)、制造并減少其疲勞裂紋的發(fā)生，提高耐久性。

1 正交異性鋼橋面板疲勞裂紋類型

從疲勞裂紋的成因出發(fā)，可將正交異性鋼橋面板疲勞裂紋分為主應(yīng)力引起的裂紋及面外變形產(chǎn)生次應(yīng)力引起的裂紋。

1)主應(yīng)力引起的疲勞裂紋。這類裂紋可通過(guò)疲勞檢算來(lái)避免其產(chǎn)生。如日本的《鋼構(gòu)造物的疲勞設(shè)計(jì)指針·同解說(shuō)》[3]、歐洲的 EC3[4]等規(guī)范已給出明確檢算方法。

2)次應(yīng)力引起的疲勞裂紋。這類裂紋是一構(gòu)件在輪載作用下產(chǎn)生撓曲變形，必然引起與之垂直的相鄰構(gòu)件的面外變形，這些面外變形由于受到焊接連接的約束而產(chǎn)生較大的次應(yīng)力，從而引發(fā)裂紋。這種次應(yīng)力很難計(jì)算精確，所以難以通過(guò)疲勞檢算予以控制。但是，通過(guò)試驗(yàn)研究和實(shí)橋驗(yàn)證，從構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)和焊接制造要求等方面入手，如面板、縱肋、橫肋三者之間合理的剛度匹配，縱橫肋相交處橫肋腹板上合適的弧形缺口尺寸與焊縫端部圍焊要求，縱肋與面板角焊縫熔透深度要求，以及縱肋及面板工地連接的改進(jìn)等，使這類裂紋得到了有效的控制。下面就正交異性板構(gòu)造細(xì)節(jié)的改進(jìn)歷程和各國(guó)規(guī)范最新規(guī)定予以系統(tǒng)分析匯總。

2 正交異性鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)的改進(jìn)

正交異性鋼橋面板在半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展應(yīng)用過(guò)程中為提高其結(jié)構(gòu)性能避免疲勞裂紋的產(chǎn)生，不斷進(jìn)行構(gòu)造細(xì)節(jié)的改進(jìn)研究取得了大量的成果，形成了合理的縱向加勁肋的斷面形式及尺寸、橫梁(肋)間距、縱肋與面板、橫梁的連接構(gòu)造形式等。

2.1 縱肋截面

由于剛度、鋼橋面板加工、組裝和焊接、經(jīng)濟(jì)性等因素的綜合影響，正交異性鋼橋面板縱肋的演變過(guò)程大致如圖2所示。早期，采用開口截面(如板肋、球扁鋼等)，然而開口截面縱肋雖然具有形狀簡(jiǎn)單、與橫肋及面板的連接構(gòu)造簡(jiǎn)單、工廠制造及現(xiàn)場(chǎng)連接比較容易等優(yōu)點(diǎn)，但每根縱肋與面板的連接需要兩條角焊縫，單位面積所用焊縫長(zhǎng)度較長(zhǎng)，而且其剛度較小，要求布置有較密的橫肋，經(jīng)濟(jì)性較差，同時(shí)開口截面縱肋壓屈強(qiáng)度較低。因此，在20世紀(jì)60年代后逐漸在行車道范圍內(nèi)改為閉口截面縱肋。閉口截面縱肋與開口截面縱肋相比，具有焊接工作量小，抗彎抗扭剛度大，有較高的壓屈強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 縱肋的演變

考慮到各種閉口截面縱肋自身的制造加工性、與橫肋交叉部位的連接構(gòu)造及其現(xiàn)場(chǎng)接頭的施工性以及橋面板的撓曲剛度等因素，目前正交異性鋼橋面板中應(yīng)用最多的為U型肋。典型的U型肋截面如圖3。

閉口截面縱肋通常被焊接成密閉截面，所以無(wú)需考慮縱肋內(nèi)表面的腐蝕問(wèn)題。各國(guó)規(guī)范中一般規(guī)定縱肋厚度t≥6 mm。同時(shí)，對(duì)于屈服強(qiáng)度 σs≤345 MPa的鋼材，U型肋通常采用冷彎成形，為避免冷彎塑性變形對(duì)韌性產(chǎn)生過(guò)大影響，歐洲及美國(guó)規(guī)范規(guī)定U型肋內(nèi)側(cè)半徑R≥4t，日本規(guī)范[5]規(guī)定 U型肋內(nèi)側(cè)半徑 R≥5t。對(duì)于屈服強(qiáng)度 σs≥420 MPa，采用熱彎成形，以避免冷彎裂紋。

2.2 縱肋與面板、橫肋與面板連接的構(gòu)造細(xì)節(jié)

1)橋面板與縱肋焊縫的改進(jìn)

1966年建成通車的英國(guó)Severn橋，其正交異性鋼橋面板的縱肋壁厚為6.4 mm，縱肋與面板采用焊腳尺寸為6 mm的角焊縫連接，于1977年發(fā)現(xiàn)了縱肋與面板連接焊縫處的疲勞裂紋。在該橋加固方案的試驗(yàn)研究中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)縱肋開坡口，采用喉部高度不小于7.5 mm熔透角焊縫連接縱肋與面板的構(gòu)造細(xì)節(jié)能夠滿足使用要求。

以歐洲規(guī)范為例，目前其規(guī)定除人行道部分縱肋與橋面板可采用圖4(a)所示的角焊縫連接外，行車道處均需采用部分熔透的坡口角焊縫，具體構(gòu)造要求如圖4(b)所示。

圖4 縱肋與面板焊接構(gòu)造細(xì)節(jié)(單位:mm)

2)面板縱向?qū)雍缚p處橫肋過(guò)焊孔的演變

面板縱肋對(duì)接焊縫處橫肋過(guò)焊孔以前寬度為100 mm，但實(shí)橋應(yīng)用發(fā)現(xiàn)過(guò)寬開孔引起的面板局部削弱使得在局部輪載作用下，開孔處容易產(chǎn)生疲勞裂紋，所以目前過(guò)焊孔寬度取70 mm，如圖5。

2.3 縱肋與橫肋交叉部位構(gòu)造細(xì)節(jié)

縱肋與橫肋交叉部位是控制正交異性鋼橋面板耐久性的關(guān)鍵構(gòu)造細(xì)節(jié)，特別是當(dāng)采用閉口截面縱肋時(shí)，在這一部位應(yīng)力傳遞復(fù)雜，如構(gòu)造設(shè)計(jì)不當(dāng)極易引起疲勞裂紋。根據(jù)縱肋與橫肋布置關(guān)系可分為縱肋不貫通橫肋及縱肋貫通橫肋兩種情況。

圖5 面板縱向?qū)雍缚p處橫肋過(guò)焊孔的改進(jìn)(單位:mm)

縱肋不貫通橫肋構(gòu)造如圖6(a)所示，在兩橫肋間用角焊縫焊接縱肋與橫肋腹板。1966年建成通車的英國(guó)Severn橋即采用了這一構(gòu)造形式。然而在輪載作用下，易引起橫肋面外變形，且橫肋橫向受力時(shí)在縱肋下翼緣角部有較大的應(yīng)力集中(如圖6(b)所示)，在該處極易引起疲勞裂紋。1971年Severn橋即在該處發(fā)現(xiàn)了疲勞裂紋。

因此，目前各國(guó)規(guī)范規(guī)定，除特殊情況外(如橫肋高度很小時(shí)，且橫肋腹板需為Z向鋼)這一構(gòu)造方式一般不再采用，宜采用縱肋貫通橫肋的方式。

圖6 縱肋不貫通橫肋

在縱肋貫通橫肋的情況下，早期橫肋腹板在縱肋與面板焊縫處開設(shè)過(guò)焊孔，如圖7(a)所示。研究認(rèn)為這一構(gòu)造形式在輪載直接作用下過(guò)焊孔處的面板易產(chǎn)生過(guò)大應(yīng)力集中而產(chǎn)生疲勞裂紋。因此，在最新的各國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范推薦的縱肋與橫肋交叉部位構(gòu)造細(xì)節(jié)改進(jìn)為橫梁腹板在縱肋與面板焊縫處不開設(shè)過(guò)焊孔，橫肋腹板與面板及縱肋的角焊縫連續(xù)施焊，如圖7(b)所示。上述過(guò)焊孔演變?cè)攬D見圖8。

圖7 縱肋貫通橫肋焊接細(xì)節(jié)的改善

圖8 橫肋在面板與縱肋角焊縫處過(guò)焊孔的改進(jìn)

另外，在縱肋下翼緣處，需在橫肋上設(shè)置弧形缺口。若橫肋直接焊接到U型肋下翼緣上，在移動(dòng)輪載作用下，U型肋的撓曲變形將引起橫肋腹板的反復(fù)面外變形。該變形受到連接焊縫的約束，必然在焊趾處產(chǎn)生很大的彎曲次應(yīng)力而很快引發(fā)疲勞裂紋。開弧形缺口就是為了減小約束。而且，如果弧形缺口設(shè)計(jì)不當(dāng)，切割和焊接施工質(zhì)量較差，也會(huì)由于橫梁腹板面外變形及橫梁腹板面內(nèi)應(yīng)力在其與縱肋焊縫端部和局部突變處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在橫梁腹板與縱向加勁肋連接焊縫端部易產(chǎn)生疲勞裂紋，如圖9所示。

圖9 縱肋貫通橫肋細(xì)節(jié)易產(chǎn)生疲勞裂紋位置示意

為避免該處疲勞裂紋的萌生，各國(guó)在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上規(guī)定了橫肋腹板弧形缺口的構(gòu)造細(xì)節(jié)。圖10給出了歐洲規(guī)范推薦的弧形缺口詳細(xì)構(gòu)造細(xì)節(jié)，hT為縱肋高度。圖11給出了日本道路橋示方書[5]規(guī)定的弧形缺口細(xì)節(jié)、歐洲規(guī)范規(guī)定弧形缺口尺寸及兩規(guī)范的對(duì)比情況。由圖11(c)可知，兩規(guī)范給出的弧形缺口差別很小。

圖10 歐洲規(guī)范橫梁腹板弧形缺口構(gòu)造示意

圖11 日本規(guī)范給出的弧形缺口細(xì)節(jié)與歐洲規(guī)范的對(duì)比

2.4 鋼橋面板現(xiàn)場(chǎng)連接形式

面板(有效寬度內(nèi))和縱肋可視為支承在橫肋上的多跨彈性支承連續(xù)梁。因此，為減小輪載作用下現(xiàn)場(chǎng)接頭處的彎矩，鋼橋面板現(xiàn)場(chǎng)接頭一般多設(shè)置在縱肋跨徑L/4(L為縱肋跨徑，即橫肋間距)的位置。鋼橋面板現(xiàn)場(chǎng)連接主要有以下二種方式:

1)全焊連接(面板陶瓷襯墊單面焊雙面成型，縱肋嵌補(bǔ)段焊接)

面板采用陶瓷襯墊單面焊雙面成型工藝焊接，在面板對(duì)接焊接完成后，焊接縱肋嵌補(bǔ)段。如圖12所示。

U型肋嵌補(bǔ)段需采用鋼襯墊板對(duì)接焊，這種細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度較低，并且U型肋對(duì)接焊及其與面板的角接焊均處于仰焊位置施焊，仰焊工作條件惡劣，同時(shí)為防止熔化焊縫金屬滴落，需采用多道小線能量焊接，增加焊接材料消耗，延長(zhǎng)工期。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)營(yíng)后，在這些焊接部位容易產(chǎn)生疲勞裂紋。

2)面板焊接，縱向加勁肋高強(qiáng)度螺栓連接

面板采用陶瓷襯墊單面焊雙面成型工藝焊接，縱向加勁肋采用高強(qiáng)度螺栓連接，如圖13所示。

該方案克服了全焊連接和全部栓接的各自缺點(diǎn)。德國(guó)和日本將此方案納入其設(shè)計(jì)規(guī)范，并在1999年建成的日本來(lái)島大橋、明石海峽大橋和多多羅大橋中得到了應(yīng)用。我國(guó)從南京長(zhǎng)江二橋開始采用這一細(xì)節(jié)。

圖12 全焊連接

圖13 面板焊接縱肋栓接

2.5 大斷面U型肋的研究及應(yīng)用

目前，隨著公路交通荷載的增加及重載貨車載重量的上升，為防止鋪裝層的過(guò)早劣化及正交異性鋼橋面板的疲勞開裂，同時(shí)由于人工費(fèi)用在總費(fèi)用中所占比重的上升，而正交異性鋼橋面板焊接工作量大，是一種加工程度比較高的構(gòu)造。為縮短工期、減少制造費(fèi)用、提高結(jié)構(gòu)疲勞耐久性，正交異性鋼橋面板的構(gòu)造形式向增加面板厚度，加大縱向加勁肋斷面及間距，增大橫肋間距的方向發(fā)展。

圖14給出了日本橋梁建設(shè)協(xié)會(huì)建議的合理化正交異性鋼橋面板的構(gòu)造。

3 結(jié)語(yǔ)

正交異性鋼橋面板除作為主梁上翼緣參與主梁工作外，還要直接承受輪載的局部作用，因此應(yīng)同時(shí)具有足夠的局部剛度和整體剛度，避免橋面鋪裝層開裂，特別是要避免一個(gè)部件的撓曲變形引起的相鄰且與之垂直的部件處變形所引起的彎曲次應(yīng)力導(dǎo)致的疲勞裂紋。為此，本文系統(tǒng)地匯總了正交異性鋼橋面板縱肋截面、縱肋與面板連接、橫肋與面板連接、縱肋與橫肋交叉部位、鋼橋面板現(xiàn)場(chǎng)連接形式、U型肋形式等構(gòu)造細(xì)節(jié)的演變歷程及各國(guó)規(guī)范相關(guān)最新研究成果和規(guī)定，以利于正交異性鋼橋面板這一結(jié)構(gòu)形式在我國(guó)鐵路橋梁上的合理應(yīng)用及健康發(fā)展。

圖14 日本橋梁建設(shè)協(xié)會(huì)建議的合理化鋼橋面板構(gòu)造(單位:mm)

[1]方興.全焊鋼橋一些關(guān)鍵連接及構(gòu)造問(wèn)題的研究[D].北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2007.

[2]白玲，方興，王輝，等.崇啟大橋大跨度連續(xù)鋼箱梁關(guān)鍵技術(shù)研究[R].北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，2009.

[3]日本鋼構(gòu)造協(xié)會(huì).鋼構(gòu)造物の疲勞設(shè)計(jì)指針·同解說(shuō)[M].日本東京:技報(bào)堂，1993.

[4]European Committee for Standardization.BS EN1993-1-9:2005 Eurocode 3，Design of Steel Structures Part1-9:Fatigue [S].Brussels:European committee for standardization，2005.

[5]日本道路協(xié)會(huì).道路橋示方書·同解說(shuō)[S].東京:丸善株式會(huì)社，2002.

U448.36;U443.31

A

1003-1995(2011)02-0024-05

2010-08-25;

2010-11-20

趙佃龍(1973— )，男，山西應(yīng)縣人，高級(jí)工程師，碩士。

(責(zé)任審編 王 紅)