正交異性板鋼箱梁橋面結構及疲勞破壞概述

周鑫鑫 楊清塵 劉泰瑋

(重慶交通大學 重慶 400000)

正交異性板鋼箱梁橋面結構及疲勞破壞概述

周鑫鑫 楊清塵 劉泰瑋

(重慶交通大學 重慶 400000)

正交異性板箱梁橋面結構有著諸多的優點，但因結構本身和燥縫存在的初始缺陷以及直接承受車輪荷載反復作用的綜合影響，正交異性鋼橋面板是極易出現疲勞損傷的。本文通過總結概述，對其結構以及疲勞破壞的研究發展有一個初步的認識。

正交異性板；疲勞破壞；鋼箱梁

一、世界各國對正交異性板鋼箱梁橋面結構的運用

第二次世界大戰以前，在設計鋼主梁時，從滿足結構抗風和強度出發，懸索橋主梁一般采用鋼析架形式，如金門大橋、布魯克林橋;梁式橋主梁采用鋼板梁形式。第二次世界大戰后，當時的德國需要修復大量被戰爭毀壞的舊橋，另外也需新建大量的橋梁，但是材料短缺是一大難題。為了解決這個問題，工程師們研究出了一種新的橋面結構形式——正交異性鋼橋面板。它由縱橫向相互垂直的加勁肋(縱肋和橫肋)連同橋面蓋板共同組成。這種形式的橋面板同時充當主梁上翼緣，與主梁一起參與結構受力，這樣既減輕了自重，又節約了材料。德國的工程師們最先將這種正交異性橋面板應用于橋梁結構，隨后日本、南斯拉夫、奧地利、加拿大、美國等改建和修建了大量的正交異性橋面板橋梁結構。

1950年德國建成了Kurpfalz橋，該橋是世界上第一座鋼橋面板不但作為橋面系，同時還作為主梁的上翼緣參與主梁工作的橋梁，其建筑高度只有1.72m，用鋼量390kg/m2，僅為原址毀壞舊橋用鋼量的2/3，這充分體現了正交異性鋼橋面板的優越性。第一座擁有正交異性橋面板的懸索橋是跨越萊茵河于1951年建成的Cologne-Muelhein橋。1966 年英國修建了第一座采用流線型鋼箱梁為加勁肋的跨度 988 m 的懸索橋—塞文橋(Seven)。而之后修建的單跨 1 073 m 的博斯普魯斯橋，恒比爾橋(280 m+1 410 m+530 m)等均采用正交異性箱型加勁梁。日本著名的斜拉橋多多羅大橋(主跨 890 m)主梁采用的也是正交異性板鋼箱梁結構。

二、我國對正交異性板鋼箱梁橋面結構的運用

我國對正交異性板鋼箱梁和正交異性鋼橋面板的研究和應用較晚，直到20世紀80年代中后期才開始正式將正交異性鋼橋面板應用于橋梁結構中，到目前為止，我國幾十座大跨徑橋梁都是采用正交異性板鋼橋面結構形式。江陰長江大橋、南京長江二橋、潤揚長江公路大橋、廣東虎門大橋、南京長江第三大橋、蘇通長江大橋等，其加勁梁均為扁平流線型閉口肋鋼箱梁。

正交異性鋼橋面板是由互相垂直的縱橫向加勁助與橋面板一起構成的共同承受車輪荷載的結構。由于其具有自重輕、建筑高度低、極限承載能力大，使用壽命長，易于加工制造和安裝、結構連續、可釆用無斷縫路面等諸多優點，正交異性鋼橋面板在國內外的大、中跨度現代鋼橋中被越來越多運用。現在我國很多城市高架橋也開始大量采用正交異性板鋼箱梁結構。

三、疲勞破壞概述

正交異性鋼橋面板在具有上述的諸多優點的同時，也具有結構板件眾多、構造復雜等重要特性，再考慮到燥接工藝造成的殘余應力，結構本身和燥縫存在的初始缺陷以及直接承受車輪荷載反復作用的綜合影響，正交異性鋼橋面板是極易出現疲勞損傷的。德國早期建設的Haseltal橋和Sinntal橋在運營不久后就出現了疲勞損傷，日本、美國等國家也陸續在正交異性鋼橋面板橋梁上發現了疲勞損傷。我國對正交異性鋼橋面板的使用時間不長，但是由于車輛載重和交通量持續快速的增長，現已在諸如廣州虎門大橋、江陰長江大橋、廈門海滄大橋等多座橋梁的正交異性鋼橋面板中發現疲勞損傷。

疲勞破壞是鋼橋破壞中最為普遍的形式之一，它是指鋼材在等幅或者變幅荷載的反復作用下，由于鋼材存在瑕疵或者局部有細微裂紋產生進而不斷發展直到發生斷裂破壞的過程。正交異性鋼橋疲勞破壞的原因是多方面的，首先，正交異性鋼橋面板構造復雜，縱橫肋與橋面板之間多處焊縫由于焊接產生殘余應力；其次，結構本身的缺陷以及施工質量，車輪荷載反復作用，交通量及車輛軸重的增加；另外，鋼橋面板各部位的應力影響線較短，增加了輪載產生的應力循環次數。以上的這些因素都促進了正交異性鋼橋面板的疲勞破壞。在實際工程中，縱肋等多為現場焊接，接頭多，再加上對焊工的技術要求比較高，焊接質量不容易保證。此外，由于目前多采用閉口式縱肋斷面形式，不方便對鋼橋面板的疲勞裂紋進行檢查和修復，一旦出現疲勞開裂，修復起來十分麻煩，修復費用也非常昂貴。經過工程師們研究及大量模型和現場試驗顯示，閉口肋形式的正交異性板鋼箱梁疲勞裂紋主要出現在以下幾個關鍵部位：縱肋與橋面板的連接區域；縱肋與橫隔板的連接區域(即橫隔板弧形開口處)；鋼橋面板的橫向拼接區域(即U肋嵌補段)。

19世紀初，人們開始對疲勞現象有所重視。德國學者Wohler A最先對疲勞現象進行系統研究并設計制造了第一臺疲勞試驗機，對金屬試件進行了疲勞試驗。他在1871年發表的論文中，首次對疲勞極限的概念以及疲勞壽命和循環應力的關系進行了系統的論述，并且建立了兩者的關系曲線—S-N曲線，指出疲勞破壞的直接因素是應力幅。Wohler A被公認是疲勞的奠基人，他不僅開創了金屬疲勞的研究的先河，并且奠定了鋼橋面板的疲勞研究的基礎。前蘇聯人C.B.Cepehceh在20世紀40年代提出了常規疲勞設計，并推導出了常規疲勞的設計計算公式。疲勞壽命的設計方法分為有限壽命設計和無線壽命設計，其中根據S-N曲線的水平段進行的設計稱為無限壽命設計；根據S-N曲線的斜線段進行的設計稱為有限壽命設計。目前我們主要研究的是有限壽命設計，方法主要有：Miner線性累積損傷法則，雨流計數法，疲勞壽命的仿真計算等。其中，Miner線性累積損傷法則到今天為止仍然是鋼橋疲勞設計中十分重要且有效的法則。

目前，在國內外的正交異性鋼橋面板的橋梁中已觀察到不同程度的疲勞開裂，由于疲勞破壞造成的橋梁事故也越來越多，因此，歐洲、日本和美國開始對鋼橋面板的疲勞進行系統研究，從簡單的小尺寸模型試驗逐漸發展為足尺模型試驗，將鋼橋面板的設計、制造、安裝與疲勞綜合考慮并取得了一系列研究成果，并陸續納入到鋼橋設計規范中，比較完善的如英國規范BS5400，歐洲規范EURO CODE，美國規范AASHTO LRFD等等。

四、結語

綜上所述，正交異性鋼橋面板由于其獨特的優點，在大、中跨徑橋梁中得到廣泛應用，國外對正交異性鋼橋面板的疲勞性能有一定研究，但由于復雜的構造細節，與以往鋼橋主梁的疲勞性能研究相比還遠遠不夠，許多復雜問題還沒有研究清楚，對于有些問題研究甚至得出相悖的結論，因此目前仍有許多學者對其疲勞細節進行探討;我國對正交異性鋼橋面的研究才剛剛起步，對其疲勞性能的研究不夠充分，試驗所用試件少，得出的結論還缺乏可靠性，為了更好地促進正交異性鋼橋面板在我國的工程應用，亟待對正交異性鋼橋面板疲勞及設計參數理論進行系統研究。

周鑫鑫(1995.10-)，浙江衢州人，橋梁工程專業，重慶交通大學;楊清塵，重慶交通大學，地鐵及軌道工程專業;劉泰瑋，重慶交通大學，橋梁工程專業。