正交異性橋面板存在結構疲勞的問題

（重慶交通大學 土木工程學院 重慶 400074）

正交異性橋面板存在結構疲勞的問題

張 韜

（重慶交通大學 土木工程學院 重慶 400074）

隨著橋梁建設的快速發展，正交異性橋面板得到了較為廣泛地應用。由于焊接工藝缺陷，施工質量等因素，正交異性橋面板在運營時間不長的情況下產生了疲勞裂紋，嚴重影響了橋梁的安全性和耐久性。本文著重介紹了正交異性橋面板結構疲勞，箱梁局部應力集中的概念，研究現狀以及相關研究方法。

正交異性橋面板；結構疲勞；箱梁；局部；應力集中

1 引言

正交異性鋼橋面板由面板、縱肋、橫肋組成，三者互相垂直，共同承受車輪荷載[1]。這種結構在縱向和橫向都具有很大的剛度，且在互相垂直的兩個方向上有所不同，因而構造上也具有各向異性的特點。隨著橋梁的不斷發展，正交異性橋面板憑借其承載能力大，自重輕，施工周期短等優點，在大、中跨徑橋梁中得到廣泛的應用[2]。

荷載不斷作用在結構構件的過程中，結構的材料性能會逐漸惡化、承載能力逐漸散失，我們把這種現象定義為疲勞。結構構件在長期的外荷載作用下，其應力集中的區域將產生裂紋或加快裂紋擴展的速度，這種裂紋將直接減少構件的有效承載面積；當荷載作用達到一定次數時，這類裂紋引發結構或構件的突然破壞，我們稱之為“疲勞破壞”。

疲勞是結構構件的裂紋從產生到發展再到破壞的過程，從結受力分析的角度來說，疲勞破壞過程起源于材料初始缺陷處或最大拉應力處（也稱之為疲勞源），隨著交變應力的作用，疲勞源由微觀裂紋逐漸發展為宏觀裂紋，直至構件斷裂。對于疲勞破壞，疲勞源處的應力往往低于材料的抗拉強度甚至屈服強度。

正交異性橋面板不僅直接承受車輪荷載的反復作用，且作為主梁的一部分共同參與受力，從而造成局部承受應力循環次數過多，加之焊接缺陷、應力集中影響，使鋼橋面板極易產生疲勞裂紋[3]。

2 研究現狀

20世紀50年代德國開發了一種橋面結構，即正交異性橋面板，具有材料利用率高、適用范圍廣、承載能力大、行車舒適性佳、結構高度低、施工周期短等特點。自鋼橋面板誕生起，德國工程師致力于尋求更好的鋼橋面板結構，通過不斷地改進橋面板的結構構造以求承載能力更大，用鋼量更小，緩解二戰后建筑鋼材緊缺的困境，在世界各國得到廣泛應用。到目前為止，北美、日本、歐洲分別建成了100、250、1000余座正交異性板橋。我國自20世紀70年代開始研究正交異性板，起步較晚，目前建成超過30座正交異性板橋梁[4]。

疲勞破壞是一種脆性破壞，一旦發生就會引起巨大的破壞，正交異性橋面板最突出的缺點是容易疲勞開裂，最早報道的是英國Seven橋，該橋于1966年建成，但在1971年和1977年發現了3種焊接細節疲勞開裂。德國的Haseltal橋和Sinntal橋同樣在投入使用后不久就出現了疲勞裂紋，此外，法國，美國，荷蘭等過也都發現了鋼橋面板疲勞開了事例，我國許多橋梁的鋼橋面板中也出現了疲勞裂紋[5]。

3 討論

3.1正交異形板結構疲勞

經過調查研究，絕大多數疲勞裂紋集中出現在焊縫位置；橋面板開裂后，維修工作十分困難，維修費用高，且維修后很難有效地抑制橋面板繼續開裂。正交異性板出線疲勞裂紋的機理比較復雜，主要有以下幾點：（1）交通量每年逐漸增大，重載車輛所占比例較高且超載嚴重；（2）焊接細節的應力影響線較短，在車輪反復作用下，造成多次應力循環；（3）橋面板構造中，次應力分布復雜，應力集中嚴重，遠遠超過了抗疲勞強度[6]；（4）大多數現場施工的焊接質量不易保證；（5）面板和橫梁的交接處連接復雜，幾何突變嚴重，應力從交點中心向外擴散，面板的橫向應力比縱向應力大，導致橋面板容易出現疲勞裂縫。

4 結語

正交異性板鋼箱梁橋具有抗扭剛度大，傳力性能好，整體性能高的特點，在現代橋梁中得到廣泛的應用，但提高正交異性橋面板的抗疲勞性能仍有巨大的研究價值。，過歸納分析，本文認為：（1）我國橋梁建設迫切需要一套完善的正交異性鋼橋面板設計規范，規范應當指出正交異性橋面板設計時相關的設計參數、構造細節、制造工藝流程，還應當包含相關的研究成果和工程實踐經驗；（2）超重車、交通量、橋面板焊接質量和構造細節是影響橋面板疲勞壽命的關鍵因素；（3）加強斷面縱肋正交異性橋面板構造細節的研究。

[1]趙欣欣.正交異性橋面板設計參數和構造細節的疲勞研究進展 [J].Steel Construction.2010(8),Vol.25,No.136.

[2]陶永亮，張俊平，黃海云.新型正交異性橋面板疲勞性能分析 [J].廣州大學學報，2013,12（6）.

[3]朱勁松，郭耀華.正交異性鋼橋面板疲勞裂紋擴展機理及數值模擬研究 [J].振動與沖擊，2014,33（14）.

[4]項海帆.高等橋梁結構理論[M].北京：人民交通出版社，2013：283.

[5]何楊昆.正交異性橋面板疲勞試驗模型的數值分析 [D].碩士學位論文.西南交通大學,2013年5月.

[6]張允士，李法雄，熊峰,等.正交異性剛橋面板疲勞裂紋成因分析及控制 [J].公路交通科技，2013,30（8）

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