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從英國賽文橋加固案例看鋼橋面板疲勞開裂問題

2021-02-24 13:24:15 作者：雷俊卿郭殊倫黃祖慰來源：北京交通大學土木建筑工程學院分享至：

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正交異性鋼橋面板（Orthotropic steel deck ）是用縱向與橫向互相垂直的加勁肋（縱肋和橫肋）連同橋面蓋板所組成的共同承受車輪荷載的結構。這種結構由于其剛度在互相垂直的兩個方向上有所不同，因而在結構受力特性上呈各向異性。

正交異性鋼橋面板除作為橋面板外，還是主梁截面的組成部分，它既是縱橫梁的上翼緣，又是主梁的上翼緣。傳統的分析方法把其分成以下三個結構體系加以研究：

（1）主梁體系

由蓋板和縱肋組成主梁的上翼緣，是主梁結構的一部分。

（2）橋面體系

由縱肋、橫梁和蓋板組成的結構，蓋板成為縱肋和橫梁的共同上翼緣。該體系支承在主梁上，僅承受橋面車輪荷載。研究證明，因具備相當大的塑性儲備能力，該結構體系的實際承載能力遠大于按小撓度彈性理論所求得的承載力。

（3）蓋板體系

僅指蓋板，它被視作支承在縱肋和橫梁上的各向同性連續板，直接承受車輪局部荷載，并把荷載傳遞給縱肋和橫梁。蓋板應力可呈薄膜應力狀態，蓋板具有很大的超額承載力。

鋼橋面板材料及性能

面板材料

國內外一些大跨度橋梁的鋼箱梁，其橋面板多為正交各向異性板。其鋼板厚度一般在 12～20mm之間，從強度方面考慮，鋼橋面板實際上只需6～8 mm 厚就可滿足需要，但由于薄鋼板剛度過小，在車輛荷載的集中力作用下會產生過大的局部變形，對橋面鋪裝層受力極為不利。因此鋼橋面板厚度都在１４mm以上，并且橋面板下部必須用密布的縱肋及垂直的橫肋或橫隔板來加勁。實際上，鋼橋面板厚度的增加對鋪裝層的受力是有利的。

增加鋼板的厚度可以很好地改善鋪裝層的受力狀態，明顯降低鋪裝層內部的最大橫向拉應力和剪切應力；并可以顯著增強整個橋面鋪裝體系結構的剛度，從而減小整個橋面體系的變形，有效地控制鋪裝層的開裂破壞和粘結層的滑動破壞。一方面鋼板厚度的增加會大幅度地改善鋪裝層受力，可以適當減薄鋪裝層厚度，減小自重，但另一方面鋼板厚度的增加會增加橋梁的自重，增大橋梁的荷載，對其整個結構產生不利影響。因此需要綜合分析正交各向異性橋面板與橋面鋪裝的共同作用。

橋面鋪裝問題

我國在大跨度懸索橋、斜拉橋等的鋼箱梁橋面的瀝青混凝土鋪裝方面，還有許多問題有待解決，諸如：材料的黏結性能與強度和變形性能、厚鋪裝或薄鋪裝、與鋪裝結構設計變量相關的正交各向異性橋面板的鋼板裸板厚度、Ｕ形加勁肋剛度（開口寬度、閉口寬度、間距、高度、厚度）、橫隔板間距等。由此帶來的鋪裝層最大拉應力、鋪裝層與鋼板間最大剪應力、鋼橋面板的撓跨比、鋼橋面板最大拉應力和最大剪應力等，仍需下功夫去做試驗研究和精細的計算分析。

橋面鋪裝一般會出現開裂、鋪裝材料與橋面板分離、車轍以及抗滑能力不足等問題，多數情況下都因鋪裝材料所致。

抗疲勞的力學特征

橋梁結構的荷載應力

橋梁結構中的應力脈動，主要由活載（車輛荷載、風載等）及其引起的橋梁振動所造成。當應力變動的幅度達到一定水平時，即使在平均應力遠小于屈服強度的情況下也能發生疲勞破壞。

（1）鐵路橋梁的車輛活載應力所占比重較公路橋梁大，列車引起的橋梁振動也較大，因此疲勞問題就更為突出。

（2）公路橋中某些應力變化較大的連接部位也要注意其疲勞破壞。斜拉橋的拉索及相關構造在風致振動作用下也可能出現疲勞破壞現象。

疲勞裂紋的產生

通過研究，疲勞裂紋通常發生在鋼橋的下列部位：

（a）焊縫根部或焊趾；

（b）倒角；

（c）沖孔或鉆孔；

（d）剪切處開邊或鋸開邊；

（e）高接觸壓力下的表面；

（f）張緊索的根部。

除了上述構造細部外，疲勞裂紋還可能由于機械損傷形成的刻痕或擦痕以及焊接缺陷而出現。此外，下列外因也會引起疲勞：

（1）荷載具有較高的動靜比；

（2）荷載頻繁作用；

（3）采用焊接：某些焊接細部具有較低疲勞強度；

（4）復雜接頭；

（5）環境影響。

疲勞破壞一般會經歷裂紋形成、裂紋擴展、疲勞斷裂三個階段。在交變荷載作用下，在結構有缺陷部位或有應力集中的部位，結構形成塑性變形晶粒，在晶界面之間滑移形成微裂紋，裂紋擴展再形成宏觀裂紋，隨之繼續擴展到一定程度，截面強度開始削弱，直至截面應力達到強度極限則瞬間斷裂。疲勞斷口則由疲勞源區、疲勞擴展區和瞬斷區三個區域構成。斷裂一般位于應力集中部位，如拐彎、軸臂的過渡處。

常見的正交異性板鋼橋面箱梁橫斷面，鋼板厚度14～20mm, 在早期設計中，有些厚度為10～12mm。公路橋鋼橋面板與U肋焊接容易產生疲勞開裂，裂紋主要出現在下列位置（如圖1所示）：

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圖1 正交異性鋼橋面板的主要疲勞病害示意圖

（a）縱肋腹板與蓋板連接的角焊縫開裂；

（b）Ｕ形縱肋下緣與隔板焊接處的縱向裂紋和橫向裂紋；

（c）縱肋與橫隔板之間開口處的焊縫連接處的裂紋；

（d）U肋嵌補段縱向對接焊縫的裂紋。

S-N曲線對鐵路橋或公路橋來說，應該是統一的。以英國的BS5400規范為例，它將鋼橋的典型構造細部分為九類。它的S-N曲線稱為“σr－N曲線”，表達式為：

lgN=lgk2-mlgσr

以F類構造為例，其應力分布參見圖2。

圖2 F類構造細部應力分布示意圖

鋼橋面板的應力特點

鋼橋面板的應力經計算分析后，具有以下一些特點：

（1）在一輛車加載時，主梁體系的應力很小，主要是橋面體系和蓋板中的應力。

（2）車輪荷載對鋼橋面板的應力起著決定性的作用，但輪荷載作用的影響范圍相當有限。

（3）對鋼橋面板的某一部位，一輛車通過一次所產生的應力循環次數與應力縱向影響線的長度和車輛軸距有關。

（4）蓋板平面的薄膜應力很小，主要起作用的為面外的彎曲應力。

（5）沿寬度方向按線性分布，還存在縱肋腹板平面外的彎曲應力和平面內的薄膜應力。

（6）橫梁下翼緣僅為平面內薄膜應力，且寬度方向分布均勻；橫梁腹板上的應力也主要是平面內的薄膜應力，僅在與縱肋腹板的連接附近的腹板處存在一定的平面外的彎曲應力。

（7）橫梁腹板上讓縱肋通過的開孔處的應力集中現象較為明顯。

鋼橋抗疲勞設計開孔處的應力特征與分布如圖３所示。

（a）板開孔腹處應力特征

（b）橫梁開孔底部圓弧邊緣的主應力分布（應力單位：MPa）

圖3 鋼橋抗疲勞設計開孔處的應力特征與分布

疲勞開裂問題及對策

正交異性鋼橋面板受力與變形

橋面板在局部輪載作用下繞U肋腹板反復彎曲轉動，由于其厚度較小，加之早期部分車輛超載通行，U肋與橋面板縱向角焊縫的焊趾及焊根位置容易因為局部應力幅過大產生裂紋，逐漸擴展并延伸至橋面。

疲勞裂紋形成的成因復雜，與多種因素相關，如弧形缺口形狀、橫隔板厚度、橋面板豎向剛度等。正交異性鋼橋面板疲勞問題的關鍵，在于縱肋與橫肋交叉部位縱肋與頂板焊接部位的連接細節。

疲勞問題主要對策

1.控制應力變化的幅值

疲勞的問題：Δσ=σ（高）–σ（低）

需要有效控制應力幅，設法讓應力在一定范圍內變化，可以采取以下幾種方法：

（1）U肋內外焊接，通過機器人焊接保證質量；

（2）單面焊雙面成型的全融透焊接；

（3）寬厚邊的U肋。

2.控制結構疲勞損傷及超載

（1）控制結構疲勞損傷，包括控制初始缺陷、做好防腐工作、利用栓接鋼板處理殘余應力、提高強度和剛度來抑制初始變形等措施。

（2）控制汽車車輛超載，包括限制過橋車重量，安排車輛分車道行駛并控制車軸重量和掛車軸重。

設計時考慮不同的荷載，作用到U肋的中部、U肋腹板上方附近或作用到U肋的兩邊等情況，可以結合BIM技術，并借助于軟件的分析，設法控制局部應力?？刂破囓囕v超載（不同的荷載模式）如圖４所示。

圖4 控制汽車車輛超載（不同的荷載模式）

內外雙面焊接技術

作為正交異性鋼橋面板內焊技術創新，機器人內焊接技術具有以下幾項特點：（1）雙面焊熔透率大于80%；（2）速度快，6根15mU肋并聯，焊接時間＜45min；（3）12根焊槍全部配備攝像頭，實時監控焊縫質量。

為了滿足內焊焊縫返修要求，相關企業研制了一套U肋內焊焊縫修磨機器人，可以從X、Y、Z三軸方向進行U肋內焊任意位置的焊縫修磨。

由該技術施焊形成的焊縫具有可焊可檢特性?？珊副硎綰肋的內外角焊縫都可進行焊接；焊縫的任何位置均可修磨補焊，具有可修復性?？蓹z是指磁粉檢測機器人可檢測U肋內焊縫任意位置，100%外觀檢查并在行業內首次實現存檔，通過常規超聲波和相控陣檢測可檢測內部質量。

2017年10月《公路橋梁正交異性鋼橋面板U肋雙面焊接技術指南》列入中國公路學會2017年標準編制計劃，通過了專家的大綱評審，該U肋雙面焊接技術指南，在2019年已進入公開征求意見階段；《公路橋梁正交異性鋼橋面板U肋雙面焊接技術指南》（T/CHTS 10029-2020）2020年11月在成都的ＷＴＣ論壇上正式發布。

典型疲勞損傷加固案例

鋼橋的管養檢測評估與加固

（1）監控?，F場監控可以獲得更多的關于結構當前狀態的信息，并根據最終目標荷載效應預測結果，為維修、改造或者重建提供依據?，F場監控的實施最終必須以應力范圍內的數據為準，并可靠地執行疲勞壽命評估。

（2）無損檢測。各種無損檢測方法被用于評估在役的結構完整性，常用的無損檢測方法包括目視檢測（VT）、磁粉檢測（MT）、著色滲透探傷（PT）、渦流檢測（ET）、超聲波檢測（UT）和X射線檢測（RT）。

對于連續焊接鋼板梁橋腹板，如發現較嚴重的裂紋，可以通過加鋼板及兩側加螺栓的方法來加固。

提高細節疲勞強度亦可采用冷改造措施，如在沿橋縱向的u肋，或橋面板裂縫較寬的位置使用角鋼、貼鋼板或碳纖維等方式。

英國賽文橋（SEVERN Bridge）加固案例分析

1966年，英國建成了世界上第一座采用流線型鋼箱梁為加勁梁的賽文橋。當時對于懸索橋或懸斜混合橋，均以鋼桁梁結構為主，英國率先在賽文橋上取得突破。隨著時間的推移，賽文橋也逐漸出現一些病害，英國的技術人員對涉及表2在內的多種加固方法進行了對比和分析，采用了例如添加鋼板，加輕型鋼桁梁再加混凝土橋面板，以及對U肋的加固方法，包括角鋼體系、倒U形體系、縱肋鋼板體系，或用底部兩個U肋進行加強等。典型鋼橋面板疲勞損傷加固示意圖如圖５所示。