正交異性鋼橋面板疲勞裂紋成因及對策

【摘 要】正交異性鋼橋面板由于具有自重輕、極限承載力大、使用壽命長等優點，目前廣泛應用于橋梁中。但由于其結構受力復雜且受焊接殘余應力影響較大，在受集中荷載作用和焊接部位易發生疲勞裂紋。本文介紹了正交異性鋼橋面板裂紋產生的原因以及在制造過程中針對疲勞裂紋采取的工藝措施。

【關鍵詞】鋼橋；橋面板；正交異性；疲勞裂紋

1 概述

正交異性鋼橋面板具有自重輕、極限承載力大、使用壽命長等特點，目前廣泛應用于跨徑橋梁中。高速鐵路鋼橋正交異性鋼橋面板橋面系由帶有縱向加勁肋的橋面板單元、縱梁、橫梁三個部分組成，如圖1所示。橋面板單元與縱梁蓋(腹)板、相鄰橋面板連接在拼裝場完成，橫梁腹板、底板及橋面板與主桁連接在橋位完成。通常，面板與主桁間采用焊接，橫梁腹板、底板與主桁以及縱向勁肋間接采用高強度螺栓連接。由于正交異性鋼橋面板結構直接承受橋面活載作用，受力復雜，在集中荷載作用下會局部變形，產生疲勞裂紋。此外，鋼橋面板構造復雜，焊縫數量多，施焊難度大，工廠制造和現場的組裝精度和焊接質量（特別是某些焊縫的熔深、咬邊和焊接缺陷）也是潛在的疲勞裂紋源，疲勞開裂將嚴重影響整個橋梁的安全。因此，高速鐵路鋼橋正交異性橋面板在制造過程中必須采取安全有效的措施來保證其質量。

2 正交異性板單元常見疲勞裂紋及成因

目前國內投入運營橋梁的正交異性板結構暴露出一些疲勞裂紋問題，主要表現部位和形式如下：

2.1 頂板與U肋焊縫處的縱向裂紋，嚴重的已經貫穿面板，如圖2、圖3所示。主要原因一是面板厚度較薄，造成橋面剛度較弱，在局部輪載直接作用下，U肋與面板連接處會產生裂紋；二是Ｕ形肋與面板的焊縫質量較差，熔深達不到設計要求，焊縫有效喉厚不足，或者焊趾部位存在咬邊等焊接缺陷，形成疲勞源，在活載的反復作用下產生裂紋。

2.2 U肋下端過焊孔處U肋與隔板間的裂紋，如圖4所示，主要原因是端頭圍焊部位焊縫質量差，打磨不徹底，導致應力集中現象。

2.3 橫梁腹板上Ｕ肋穿過的開孔部位的裂縫，如見圖5所示，主要是由于橫梁腹板開孔切割面存在切割缺陷和尖角，應力集中明顯；此外，橫梁腹板開孔部位是剛度陡變部位，抗橫梁腹板橫向變形的吸能區范圍小，易產生疲勞裂紋。

3 正交異性板單元常見疲勞裂紋對策

針對上述裂紋現象和產生原因，在制造過程中采取相應工藝措施如下：

3.1 增加面板的剛度，現行設計規范規定面板不應小于14 mm；

3.2 采取無碼組裝胎定位、壓緊工藝、組拼工藝，控制Ｕ形肋與面板的組裝精度，確保組裝間隙在0.5 mm以內，避免因間隙過大出現焊穿而造成不可修復的Ｕ形肋內部焊縫缺陷；

3.3 制定定合理的焊接工藝，通常采用船位焊接方法

3.4 在焊接橫梁腹板與U形肋的焊縫時，要選派優秀的焊工，盡可能避免在端頭圍焊的過程中出現冷接頭，同時焊后要細致打磨，確保焊縫外觀勻順；

3.5 橫梁腹板Ｕ形肋穿過開口的非焊接邊緣必須進行打磨，圓弧半徑不小于R2，確保切割邊緣無缺陷，去尖角，消除應力集中源。同時要將開口的尺寸進行調整，增大變形吸能區，如見圖7所示；

圖7 開口尺寸的改進

3.6 取消橫梁腹板與U形肋與面板之間的過焊孔，如見圖8所示。

圖8 過焊孔的改進

4 結束語

正交異性板橋面制造，采用無碼組裝胎定位、壓緊工藝，解決了U形肋組裝間隙超差；反變形技術保證坡口角焊縫的熔透深度和成形要求，避免了焊縫偏心，焊縫成形差、咬邊等缺陷；U形肋槽口的打磨和橫梁腹板與U肋焊縫的焊接順序和打磨要求，提供了抗疲勞性能。通過以上技術的應用，確保了正交異性板的組裝精度和焊接質量，提高抗疲勞的能力，確保高速鐵路鋼橋的運營安全。