鋼橋面板接頭構造細節及其試驗分析

摘要：大型公路鋼箱梁正交異性橋面板工地接頭即箱梁節段之間的連接，過去均采用全焊或高強度螺栓連接。各國實橋運營經驗表明，這兩種連接方式各有不足。所以，隨著施工技術的不斷進步，鋼橋面板工地接頭構造細節也在演變。本文介紹了大型公路鋼箱梁正交異性橋面板工地接頭構造細節的演變，并通過兩個足尺試件的靜載和疲勞試驗，以及有限元分析，證明正交異性橋面板工地接頭采用焊栓連接具有足夠的剛度、承載力和耐久性。

關鍵詞：鋼箱梁 正交異性橋面板 工地接頭 試驗

1 鋼橋面板工地接頭構造細節的演變歷程

1.1 鋼橋面板的構造細節 對于大跨度懸索橋和斜拉橋，鋼箱梁自重約為PC箱梁自重的1/5～1/6.5。正交異性鋼板結構橋面板的自重約為鋼筋混凝土橋面板或預制預應力混凝土橋面板自重的1/2～1/3。所以，受自重影響很大的大跨度橋梁，正交異性板銅箱梁是非常有利的結構形式。制造時，全橋分成若干節段在工廠組拼，吊裝后在橋上進行節段間的工地連接。通常所有縱向角焊縫（縱向肋和縱隔板等）貫通，橫隔板與縱向焊縫、縱肋下翼緣相交處切割成弧形缺口與其避開。

1.2 正交異性鋼橋面板的疲勞及其工地接頭構造細節的改進 鋼橋面板作為主梁的上翼緣，同時又直接承受車輛的輪載作用。如上所述，鋼橋面板是由面板、縱肋和橫助三種薄板件焊接而成，在焊縫交叉處設弧形缺口，其構造細節很復雜。當車輛通過時，輪載在各部件上產生的應力，以及在各部件交叉處產生的局部應力和變形也非常復雜，所以鋼橋面板的疲勞問題是設計考慮的重點之一。

改進后的構造細節既克服了工地接頭縱向U形肋嵌補段的仰焊對接，從而改善了疲勞性能，又避免了面板栓接拼接對橋面鋪裝層的不利影響。

2 試件設計和制造

根據《美國公路橋梁設計規范》，用于計算正交異性鋼橋面板剛度和恒載引起的彎曲效應時，與縱肋共同作用的鋼橋面板的有效寬度取縱肋間距。鋼箱梁工地接頭處橋面板采用單面焊雙面成型焊接工藝，面板內側需貼陶瓷襯墊，因此焊縫下面的U形肋側壁須開缺口以便襯墊通過。缺口寬度過小不便于施工，寬度過大易導致附近局部應力增加。

3 試驗的簡要概況分析

3.1 加載方案 我國《公路橋梁設計通用規范》（JTJ021-89）規定汽車-超20級荷載中550kN的重車后軸重力為2*140kN，后輪著地面積為寬*長=600mm*200mm。本試驗中加載點的接觸面積參考該規范選定，考慮試件為單肋，故將本試驗的加載寬度折減為400mm，即介于單輪與雙輪寬度之間。試驗中以一塊寬*長*厚=420mm*200mm*12mm的鋼板模擬橋面鋪裝層，以寬*長*厚=400mm*300mm*50mm的橡膠塊模擬車輪進行加載，試驗機為MTS300kN電液伺服試驗機，加載頻率為300次/min。

3.2 測點布置 為研究缺口附近面板上的應力分布情況，在缺口附近面板上密集布置測點，其中面板焊縫附近的12個測點貼雙向應變片測量縱、根雙向應力。除了缺口附近布置測點外，在試件跨中及與試件焊栓接頭對稱的位置，也相應地布置了測點。

3.3 靜載試驗 兩個試件都作靜載試驗。靜載試驗分兩種加載方案，一種是在焊栓接頭處加載，另一種是在跨中加載。根據有限元計算，當試件跨中作用140kN的荷載時，試件最大應力處（跨中U形肋下表面）的應力達到設計容許應力200MPa，試驗中考慮到較實際受力情況更不利的狀態，將最大靜載加到175kN，為實際軸重力的 2.5倍，使試件的最大計算應力達到鋼材流動極限的75％。加載等級分四級和五級。

3.4 疲勞試驗 選取試件Ⅰ進行疲勞試驗，疲勞試驗加載位置為焊栓接頭處，荷載范圍40～90kN，循環次數為200萬次。根據有限元計算，試件跨中加40kN荷載時，試件跨中U形肋下表面的最大應力與橋梁恒載作用下產生的最大應力相當，當加90kN荷載時，其最大應力與橋梁恒載、活載共同作用下產生的最大應力相當，故選取以上疲勞試驗加載范圍。

4 試驗結果分析

4.1 豎向撓度 實測各測點在不同荷載等級下的豎向撓度。可以得出以下結論：①各測點的撓度與作用荷載的大小基本上呈線性關系。②實測值與計算值基本接近，表明實測值基本可信。③在跨中作用荷載時，有限元計算結果顯示，焊栓接頭處的撓度比對稱于焊栓接頭的部位的撓度稍小，這是由于焊栓接頭部位U形肋的兩側腹板上通過高強度螺栓連接各外夾了兩塊拼接板，這相當于將U形肋每側局部的腹板厚度增加了兩倍，而且可以與面板上的焊接接頭共同工作，從而增加了焊栓接頭部位的剛度，盡管該部位U形肋下面開了一個施工進手孔，但并不影響試件局部的剛度。④同樣在焊栓接頭處加載時，試件Ⅰ接頭處和跨中部位的撓度比試件Ⅱ對應部位的撓度稍大，這與高強度螺栓的擰緊程度有關。但是從有限元計算結果可以看出，兩個試件對應部位的撓度完全一致，這說明缺口的大小對試件的剛度沒有影響。

4.2 局部應力

4.2.1 實例應力基本上隨著荷載的增加而呈線性增加，而且基本上與計算值相吻合。

4.2.2 在外加荷載作用下，兩個試件的大多數對稱測點的實測應力基本對稱。

4.2.3 當在焊栓接頭處加載時，將兩個試件的實例應力進行比較，就會發現：①試件IU形助圓弧缺口附近面板上的橫向應力比試件Ⅱ大，但數值較小，在其他測點，兩個試件面板上的實測橫向應力基本上一致，在試件中心線與焊栓接頭中心線的交點附近，兩個試件面板上的橫向應力都較大，但也不超過設計容許應力；②試件Ⅱ焊栓接頭附近面板上的縱向應力比試件I大，在其他測點，兩個試件的實測縱向應力基本上一致；③試件IU形肋圓弧缺口附近的應力比試件Ⅱ大，但數值均較小。這表明圓弧缺口的大小對試件應力的影響僅限于U形肋圓弧缺口附近，而且U形肋圓弧缺口寬度為50～100mm都是安全的。

5 有限元分析

5.1 計算模型 計算采用4節點板單元，假定焊栓接頭處的拼接板與U型助之間不產生滑動，即作為整體共同工作，不考慮橋面鋪裝層的影響。

5.2 計算結果分析

①在兩種輪載作用下，圓弧缺口處的變形。在U型肋與面板的連接處，U型助產生向外的面外變形。

②面板下表面焊栓接頭線上的縱向應力。在兩種輪載作用下，試件Ⅱ的縱向應力比試件I的大，但應力的數值都較小，在對稱輪載作用下，試件I和試件Ⅱ的縱向應力最大值分別為14.6MPa和 20.5MPa，在偏心輪載作用下，試件I和試件Ⅱ的縱向應力最大值分別為25.6MPa和30.9MPa。除了在焊栓接頭中心線與U型肋的交線附近有差別外，兩個試件縱向應力分布的規律大體一致。

③對稱輪載和偏心輪載作用下兩個試件面板下表面焊栓接頭中心線上的主應力分布。共同特點是，當輪載靠近和離開圓弧缺口時，最大主應力基本上相同，當輪載離開圓弧缺口時，最小主應力比靠近圓弧缺口時稍大；當兩種輪載正好壓在圓弧缺口上面時，兩個試件的最大主應力達到極值，且數值基本上相同。

正交異性鋼橋面板工地接頭中面板采用全熔透對接焊、U形肋在兩側肋板采用摩擦型高強度螺栓拼接后，通過兩個足尺試件的靜載和疲勞試驗以及有限元分析，結果表明U形肋圓弧缺口寬度分別為50mm和100mm的兩種構造細節均有可靠的連接剛度，實測局部應力都小于設計容許應力，疲勞強度也滿足規范要求，因此，兩種構造細節都有可靠的工作性能。在滿足施工要求的條件下，建議U形肋圓弧缺口不要過大，實際結構上U形助圓弧缺口寬度為70mm。