正交异性钢桥面板构造细节改进的探讨

赵佃龙，方 兴，白 玲

(1.中国铁建股份有限公司，北京 100855;2.中国铁道科学研究院 铁道科学技术研究发展中心，北京 100081)

正交异性钢桥面板构造细节改进的探讨

赵佃龙1，方 兴2，白 玲2

(1.中国铁建股份有限公司，北京 100855;2.中国铁道科学研究院 铁道科学技术研究发展中心，北京 100081)

鉴于正交异性钢桥面板在铁路桥梁上应用的增多及其疲劳裂纹的多发性，分析了正交异性钢桥面板疲劳裂纹的成因，系统地汇总了正交异性钢桥面板纵肋截面、纵肋与面板连接、横肋与面板连接、纵肋与横肋交叉部位、钢桥面板现场连接形式、U型肋形式等构造细节的演变历程及各国规范相关最新研究成果和规定。

正交异性钢桥面板 构造细节 横肋 纵肋

正交异性钢桥面板由面板、纵肋和横肋组成，三者互为垂直，焊接成一体而共同工作，如图1所示[1]。正交异性钢桥面板的面板四周弹性固支于纵横肋上，纵肋连续弹性固支于横肋上，横肋弹性固支于主梁腹板上，这种结构形式由于其刚度在相互垂直的方向上各不相同，因此造成受力行为上的各向异性，称为正交异性板。

正交异性钢桥面板应用于桥梁已有60余年，虽然不断出现疲劳裂纹，但是由于其具有自重轻等许多优点，而且即使产生多发性的局部裂纹，由于冗余构件的存在而不会造成桥梁的垮塌事故，所以正交异性钢桥面板仍然是优选的桥面板形式。为了抑制疲劳裂纹，各国学者进行了持续的大量的试验研究和实桥应用检验，已经有效地抑制了疲劳裂纹的产生，并将这些改进措施不断地补充到再版的桥梁设计规范和制造规范中。

图1 正交异性钢桥面板典型构造(单位:mm)

我国正交异性钢桥面板应用始于20世纪70年代的铁路钢箱梁桥[2]，20世纪末大量应用于公路桥梁，然而许多桥梁上已出现程度不同的疲劳裂纹，大大影响了结构的使用性和安全性，并引起了各方面的高度重视。当前，随着我国铁路建设的迅猛发展，这一结构形式在铁路桥梁上的应用又逐渐增多，如京沪高速铁路大胜关长江大桥、济南黄河桥等均采用正交异性钢桥面板。因此，本文系统地分析了正交异性钢桥面板疲劳裂纹的成因，汇总了其构造细节的改进历程，并列出各国规范关于正交异性钢桥面板构造细节最新研究成果，以利于我国正交异性钢桥面板的合理设计、制造并减少其疲劳裂纹的发生，提高耐久性。

1 正交异性钢桥面板疲劳裂纹类型

从疲劳裂纹的成因出发，可将正交异性钢桥面板疲劳裂纹分为主应力引起的裂纹及面外变形产生次应力引起的裂纹。

1)主应力引起的疲劳裂纹。这类裂纹可通过疲劳检算来避免其产生。如日本的《钢构造物的疲劳设计指针·同解说》[3]、欧洲的 EC3[4]等规范已给出明确检算方法。

2)次应力引起的疲劳裂纹。这类裂纹是一构件在轮载作用下产生挠曲变形，必然引起与之垂直的相邻构件的面外变形，这些面外变形由于受到焊接连接的约束而产生较大的次应力，从而引发裂纹。这种次应力很难计算精确，所以难以通过疲劳检算予以控制。但是，通过试验研究和实桥验证，从构造细节设计和焊接制造要求等方面入手，如面板、纵肋、横肋三者之间合理的刚度匹配，纵横肋相交处横肋腹板上合适的弧形缺口尺寸与焊缝端部围焊要求，纵肋与面板角焊缝熔透深度要求，以及纵肋及面板工地连接的改进等，使这类裂纹得到了有效的控制。下面就正交异性板构造细节的改进历程和各国规范最新规定予以系统分析汇总。

2 正交异性钢桥面板构造细节的改进

正交异性钢桥面板在半个多世纪的发展应用过程中为提高其结构性能避免疲劳裂纹的产生，不断进行构造细节的改进研究取得了大量的成果，形成了合理的纵向加劲肋的断面形式及尺寸、横梁(肋)间距、纵肋与面板、横梁的连接构造形式等。

2.1 纵肋截面

由于刚度、钢桥面板加工、组装和焊接、经济性等因素的综合影响，正交异性钢桥面板纵肋的演变过程大致如图2所示。早期，采用开口截面(如板肋、球扁钢等)，然而开口截面纵肋虽然具有形状简单、与横肋及面板的连接构造简单、工厂制造及现场连接比较容易等优点，但每根纵肋与面板的连接需要两条角焊缝，单位面积所用焊缝长度较长，而且其刚度较小，要求布置有较密的横肋，经济性较差，同时开口截面纵肋压屈强度较低。因此，在20世纪60年代后逐渐在行车道范围内改为闭口截面纵肋。闭口截面纵肋与开口截面纵肋相比，具有焊接工作量小，抗弯抗扭刚度大，有较高的压屈强度等优点。

图2 纵肋的演变

考虑到各种闭口截面纵肋自身的制造加工性、与横肋交叉部位的连接构造及其现场接头的施工性以及桥面板的挠曲刚度等因素，目前正交异性钢桥面板中应用最多的为U型肋。典型的U型肋截面如图3。

闭口截面纵肋通常被焊接成密闭截面，所以无需考虑纵肋内表面的腐蚀问题。各国规范中一般规定纵肋厚度t≥6 mm。同时，对于屈服强度 σs≤345 MPa的钢材，U型肋通常采用冷弯成形，为避免冷弯塑性变形对韧性产生过大影响，欧洲及美国规范规定U型肋内侧半径R≥4t，日本规范[5]规定 U型肋内侧半径 R≥5t。对于屈服强度 σs≥420 MPa，采用热弯成形，以避免冷弯裂纹。

2.2 纵肋与面板、横肋与面板连接的构造细节

1)桥面板与纵肋焊缝的改进

1966年建成通车的英国Severn桥，其正交异性钢桥面板的纵肋壁厚为6.4 mm，纵肋与面板采用焊脚尺寸为6 mm的角焊缝连接，于1977年发现了纵肋与面板连接焊缝处的疲劳裂纹。在该桥加固方案的试验研究中，发现当纵肋开坡口，采用喉部高度不小于7.5 mm熔透角焊缝连接纵肋与面板的构造细节能够满足使用要求。

以欧洲规范为例，目前其规定除人行道部分纵肋与桥面板可采用图4(a)所示的角焊缝连接外，行车道处均需采用部分熔透的坡口角焊缝，具体构造要求如图4(b)所示。

图4 纵肋与面板焊接构造细节(单位:mm)

2)面板纵向对接焊缝处横肋过焊孔的演变

面板纵肋对接焊缝处横肋过焊孔以前宽度为100 mm，但实桥应用发现过宽开孔引起的面板局部削弱使得在局部轮载作用下，开孔处容易产生疲劳裂纹，所以目前过焊孔宽度取70 mm，如图5。

2.3 纵肋与横肋交叉部位构造细节

纵肋与横肋交叉部位是控制正交异性钢桥面板耐久性的关键构造细节，特别是当采用闭口截面纵肋时，在这一部位应力传递复杂，如构造设计不当极易引起疲劳裂纹。根据纵肋与横肋布置关系可分为纵肋不贯通横肋及纵肋贯通横肋两种情况。

图5 面板纵向对接焊缝处横肋过焊孔的改进(单位:mm)

纵肋不贯通横肋构造如图6(a)所示，在两横肋间用角焊缝焊接纵肋与横肋腹板。1966年建成通车的英国Severn桥即采用了这一构造形式。然而在轮载作用下，易引起横肋面外变形，且横肋横向受力时在纵肋下翼缘角部有较大的应力集中(如图6(b)所示)，在该处极易引起疲劳裂纹。1971年Severn桥即在该处发现了疲劳裂纹。

因此，目前各国规范规定，除特殊情况外(如横肋高度很小时，且横肋腹板需为Z向钢)这一构造方式一般不再采用，宜采用纵肋贯通横肋的方式。

图6 纵肋不贯通横肋

在纵肋贯通横肋的情况下，早期横肋腹板在纵肋与面板焊缝处开设过焊孔，如图7(a)所示。研究认为这一构造形式在轮载直接作用下过焊孔处的面板易产生过大应力集中而产生疲劳裂纹。因此，在最新的各国设计规范推荐的纵肋与横肋交叉部位构造细节改进为横梁腹板在纵肋与面板焊缝处不开设过焊孔，横肋腹板与面板及纵肋的角焊缝连续施焊，如图7(b)所示。上述过焊孔演变详图见图8。

图7 纵肋贯通横肋焊接细节的改善

图8 横肋在面板与纵肋角焊缝处过焊孔的改进

另外，在纵肋下翼缘处，需在横肋上设置弧形缺口。若横肋直接焊接到U型肋下翼缘上，在移动轮载作用下，U型肋的挠曲变形将引起横肋腹板的反复面外变形。该变形受到连接焊缝的约束，必然在焊趾处产生很大的弯曲次应力而很快引发疲劳裂纹。开弧形缺口就是为了减小约束。而且，如果弧形缺口设计不当，切割和焊接施工质量较差，也会由于横梁腹板面外变形及横梁腹板面内应力在其与纵肋焊缝端部和局部突变处的应力集中现象，在横梁腹板与纵向加劲肋连接焊缝端部易产生疲劳裂纹，如图9所示。

图9 纵肋贯通横肋细节易产生疲劳裂纹位置示意

为避免该处疲劳裂纹的萌生，各国在试验研究的基础上规定了横肋腹板弧形缺口的构造细节。图10给出了欧洲规范推荐的弧形缺口详细构造细节，hT为纵肋高度。图11给出了日本道路桥示方书[5]规定的弧形缺口细节、欧洲规范规定弧形缺口尺寸及两规范的对比情况。由图11(c)可知，两规范给出的弧形缺口差别很小。

图10 欧洲规范横梁腹板弧形缺口构造示意

图11 日本规范给出的弧形缺口细节与欧洲规范的对比

2.4 钢桥面板现场连接形式

面板(有效宽度内)和纵肋可视为支承在横肋上的多跨弹性支承连续梁。因此，为减小轮载作用下现场接头处的弯矩，钢桥面板现场接头一般多设置在纵肋跨径L/4(L为纵肋跨径，即横肋间距)的位置。钢桥面板现场连接主要有以下二种方式:

1)全焊连接(面板陶瓷衬垫单面焊双面成型，纵肋嵌补段焊接)

面板采用陶瓷衬垫单面焊双面成型工艺焊接，在面板对接焊接完成后，焊接纵肋嵌补段。如图12所示。

U型肋嵌补段需采用钢衬垫板对接焊，这种细节的疲劳强度较低，并且U型肋对接焊及其与面板的角接焊均处于仰焊位置施焊，仰焊工作条件恶劣，同时为防止熔化焊缝金属滴落，需采用多道小线能量焊接，增加焊接材料消耗，延长工期。经过一段时间运营后，在这些焊接部位容易产生疲劳裂纹。

2)面板焊接，纵向加劲肋高强度螺栓连接

面板采用陶瓷衬垫单面焊双面成型工艺焊接，纵向加劲肋采用高强度螺栓连接，如图13所示。

该方案克服了全焊连接和全部栓接的各自缺点。德国和日本将此方案纳入其设计规范，并在1999年建成的日本来岛大桥、明石海峡大桥和多多罗大桥中得到了应用。我国从南京长江二桥开始采用这一细节。

图12 全焊连接

图13 面板焊接纵肋栓接

2.5 大断面U型肋的研究及应用

目前，随着公路交通荷载的增加及重载货车载重量的上升，为防止铺装层的过早劣化及正交异性钢桥面板的疲劳开裂，同时由于人工费用在总费用中所占比重的上升，而正交异性钢桥面板焊接工作量大，是一种加工程度比较高的构造。为缩短工期、减少制造费用、提高结构疲劳耐久性，正交异性钢桥面板的构造形式向增加面板厚度，加大纵向加劲肋断面及间距，增大横肋间距的方向发展。

图14给出了日本桥梁建设协会建议的合理化正交异性钢桥面板的构造。

3 结语

正交异性钢桥面板除作为主梁上翼缘参与主梁工作外，还要直接承受轮载的局部作用，因此应同时具有足够的局部刚度和整体刚度，避免桥面铺装层开裂，特别是要避免一个部件的挠曲变形引起的相邻且与之垂直的部件处变形所引起的弯曲次应力导致的疲劳裂纹。为此，本文系统地汇总了正交异性钢桥面板纵肋截面、纵肋与面板连接、横肋与面板连接、纵肋与横肋交叉部位、钢桥面板现场连接形式、U型肋形式等构造细节的演变历程及各国规范相关最新研究成果和规定，以利于正交异性钢桥面板这一结构形式在我国铁路桥梁上的合理应用及健康发展。

图14 日本桥梁建设协会建议的合理化钢桥面板构造(单位:mm)

[1]方兴.全焊钢桥一些关键连接及构造问题的研究[D].北京:中国铁道科学研究院，2007.

[2]白玲，方兴，王辉，等.崇启大桥大跨度连续钢箱梁关键技术研究[R].北京:中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心，2009.

[3]日本鋼構造協會.鋼構造物の疲劳設計指针·同解說[M].日本东京:技报堂，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].东京:丸善株式会社，2002.

U448.36;U443.31

A

1003-1995(2011)02-0024-05

2010-08-25;

2010-11-20

赵佃龙(1973— )，男，山西应县人，高级工程师，硕士。

(责任审编 王 红)