正交異性鋼橋面板構造細節改進的探討

趙佃龍，方 興，白 玲

(1.中國鐵建股份有限公司，北京 100855;2.中國鐵道科學研究院 鐵道科學技術研究發展中心，北京 100081)

正交異性鋼橋面板構造細節改進的探討

趙佃龍1，方 興2，白 玲2

(1.中國鐵建股份有限公司，北京 100855;2.中國鐵道科學研究院 鐵道科學技術研究發展中心，北京 100081)

鑒于正交異性鋼橋面板在鐵路橋梁上應用的增多及其疲勞裂紋的多發性，分析了正交異性鋼橋面板疲勞裂紋的成因，系統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、鋼橋面板現場連接形式、U型肋形式等構造細節的演變歷程及各國規范相關最新研究成果和規定。

正交異性鋼橋面板 構造細節 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，縱肋連續彈性固支于橫肋上，橫肋彈性固支于主梁腹板上，這種結構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用于橋梁已有60余年，雖然不斷出現疲勞裂紋，但是由于其具有自重輕等許多優點，而且即使產生多發性的局部裂紋，由于冗余構件的存在而不會造成橋梁的垮塌事故，所以正交異性鋼橋面板仍然是優選的橋面板形式。為了抑制疲勞裂紋，各國學者進行了持續的大量的試驗研究和實橋應用檢驗，已經有效地抑制了疲勞裂紋的產生，并將這些改進措施不斷地補充到再版的橋梁設計規范和制造規范中。

圖1 正交異性鋼橋面板典型構造(單位:mm)

我國正交異性鋼橋面板應用始于20世紀70年代的鐵路鋼箱梁橋[2]，20世紀末大量應用于公路橋梁，然而許多橋梁上已出現程度不同的疲勞裂紋，大大影響了結構的使用性和安全性，并引起了各方面的高度重視。當前，隨著我國鐵路建設的迅猛發展，這一結構形式在鐵路橋梁上的應用又逐漸增多，如京滬高速鐵路大勝關長江大橋、濟南黃河橋等均采用正交異性鋼橋面板。因此，本文系統地分析了正交異性鋼橋面板疲勞裂紋的成因，匯總了其構造細節的改進歷程，并列出各國規范關于正交異性鋼橋面板構造細節最新研究成果，以利于我國正交異性鋼橋面板的合理設計、制造并減少其疲勞裂紋的發生，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，可將正交異性鋼橋面板疲勞裂紋分為主應力引起的裂紋及面外變形產生次應力引起的裂紋。

1)主應力引起的疲勞裂紋。這類裂紋可通過疲勞檢算來避免其產生。如日本的《鋼構造物的疲勞設計指針·同解說》[3]、歐洲的 EC3[4]等規范已給出明確檢算方法。

2)次應力引起的疲勞裂紋。這類裂紋是一構件在輪載作用下產生撓曲變形，必然引起與之垂直的相鄰構件的面外變形，這些面外變形由于受到焊接連接的約束而產生較大的次應力，從而引發裂紋。這種次應力很難計算精確，所以難以通過疲勞檢算予以控制。但是，通過試驗研究和實橋驗證，從構造細節設計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等，使這類裂紋得到了有效的控制。下面就正交異性板構造細節的改進歷程和各國規范最新規定予以系統分析匯總。

2 正交異性鋼橋面板構造細節的改進

正交異性鋼橋面板在半個多世紀的發展應用過程中為提高其結構性能避免疲勞裂紋的產生，不斷進行構造細節的改進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、經濟性等因素的綜合影響，正交異性鋼橋面板縱肋的演變過程大致如圖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單、與橫肋及面板的連接構造簡單、工廠制造及現場連接比較容易等優點，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度較長，而且其剛度較小，要求布置有較密的橫肋，經濟性較差，同時開口截面縱肋壓屈強度較低。因此，在20世紀60年代后逐漸在行車道范圍內改為閉口截面縱肋。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，有較高的壓屈強度等優點。

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造及其現場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，所以無需考慮縱肋內表面的腐蝕問題。各國規范中一般規定縱肋厚度t≥6 mm。同時，對于屈服強度 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韌性產生過大影響，歐洲及美國規范規定U型肋內側半徑R≥4t，日本規范[5]規定 U型肋內側半徑 R≥5t。對于屈服強度 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造細節

1)橋面板與縱肋焊縫的改進

1966年建成通車的英國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年發現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研究中，發現當縱肋開坡口，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造細節能夠滿足使用要求。

以歐洲規范為例，目前其規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，具體構造要求如圖4(b)所示。

圖4 縱肋與面板焊接構造細節(單位:mm)

2)面板縱向對接焊縫處橫肋過焊孔的演變

面板縱肋對接焊縫處橫肋過焊孔以前寬度為100 mm，但實橋應用發現過寬開孔引起的面板局部削弱使得在局部輪載作用下，開孔處容易產生疲勞裂紋，所以目前過焊孔寬度取70 mm，如圖5。

2.3 縱肋與橫肋交叉部位構造細節

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鍵構造細節，特別是當采用閉口截面縱肋時，在這一部位應力傳遞復雜，如構造設計不當極易引起疲勞裂紋。根據縱肋與橫肋布置關系可分為縱肋不貫通橫肋及縱肋貫通橫肋兩種情況。

圖5 面板縱向對接焊縫處橫肋過焊孔的改進(單位:mm)

縱肋不貫通橫肋構造如圖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Severn橋即采用了這一構造形式。然而在輪載作用下，易引起橫肋面外變形，且橫肋橫向受力時在縱肋下翼緣角部有較大的應力集中(如圖6(b)所示)，在該處極易引起疲勞裂紋。1971年Severn橋即在該處發現了疲勞裂紋。

因此，目前各國規范規定，除特殊情況外(如橫肋高度很小時，且橫肋腹板需為Z向鋼)這一構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過焊孔，如圖7(a)所示。研究認為這一構造形式在輪載直接作用下過焊孔處的面板易產生過大應力集中而產生疲勞裂紋。因此，在最新的各國設計規范推薦的縱肋與橫肋交叉部位構造細節改進為橫梁腹板在縱肋與面板焊縫處不開設過焊孔，橫肋腹板與面板及縱肋的角焊縫連續施焊，如圖7(b)所示。上述過焊孔演變詳圖見圖8。

圖7 縱肋貫通橫肋焊接細節的改善

圖8 橫肋在面板與縱肋角焊縫處過焊孔的改進

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

圖9 縱肋貫通橫肋細節易產生疲勞裂紋位置示意

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

圖10 歐洲規范橫梁腹板弧形缺口構造示意

圖11 日本規范給出的弧形缺口細節與歐洲規范的對比

2.4 鋼橋面板現場連接形式

面板(有效寬度內)和縱肋可視為支承在橫肋上的多跨彈性支承連續梁。因此，為減小輪載作用下現場接頭處的彎矩，鋼橋面板現場接頭一般多設置在縱肋跨徑L/4(L為縱肋跨徑，即橫肋間距)的位置。鋼橋面板現場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，在面板對接焊接完成后，焊接縱肋嵌補段。如圖12所示。

U型肋嵌補段需采用鋼襯墊板對接焊，這種細節的疲勞強度較低，并且U型肋對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，延長工期。經過一段時間運營后，在這些焊接部位容易產生疲勞裂紋。

2)面板焊接，縱向加勁肋高強度螺栓連接

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。德國和日本將此方案納入其設計規范，并在1999年建成的日本來島大橋、明石海峽大橋和多多羅大橋中得到了應用。我國從南京長江二橋開始采用這一細節。

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，為防止鋪裝層的過早劣化及正交異性鋼橋面板的疲勞開裂，同時由于人工費用在總費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造。為縮短工期、減少制造費用、提高結構疲勞耐久性，正交異性鋼橋面板的構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展。

圖14給出了日本橋梁建設協會建議的合理化正交異性鋼橋面板的構造。

3 結語

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，因此應同時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力導致的疲勞裂紋。為此，本文系統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、鋼橋面板現場連接形式、U型肋形式等構造細節的演變歷程及各國規范相關最新研究成果和規定，以利于正交異性鋼橋面板這一結構形式在我國鐵路橋梁上的合理應用及健康發展。

圖14 日本橋梁建設協會建議的合理化鋼橋面板構造(單位:mm)

[1]方興.全焊鋼橋一些關鍵連接及構造問題的研究[D].北京:中國鐵道科學研究院，2007.

[2]白玲，方興，王輝，等.崇啟大橋大跨度連續鋼箱梁關鍵技術研究[R].北京:中國鐵道科學研究院鐵道科學技術研究發展中心，2009.

[3]日本鋼構造協會.鋼構造物の疲勞設計指針·同解說[M].日本東京:技報堂，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]日本道路協會.道路橋示方書·同解說[S].東京:丸善株式會社，2002.

U448.36;U443.31

A

1003-1995(2011)02-0024-05

2010-08-25;

2010-11-20

趙佃龍(1973— )，男，山西應縣人，高級工程師，碩士。

(責任審編 王 紅)