正交異性橋面板存在結(jié)構(gòu)疲勞的問題

（重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 重慶 400074）

正交異性橋面板存在結(jié)構(gòu)疲勞的問題

張 韜

（重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 重慶 400074）

隨著橋梁建設(shè)的快速發(fā)展，正交異性橋面板得到了較為廣泛地應(yīng)用。由于焊接工藝缺陷，施工質(zhì)量等因素，正交異性橋面板在運營時間不長的情況下產(chǎn)生了疲勞裂紋，嚴(yán)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(jié)構(gòu)疲勞，箱梁局部應(yīng)力集中的概念，研究現(xiàn)狀以及相關(guān)研究方法。

正交異性橋面板；結(jié)構(gòu)疲勞；箱梁；局部；應(yīng)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(jié)構(gòu)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(gòu)造上也具有各向異性的特點。隨著橋梁的不斷發(fā)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(yōu)點，在大、中跨徑橋梁中得到廣泛的應(yīng)用[2]。

荷載不斷作用在結(jié)構(gòu)構(gòu)件的過程中，結(jié)構(gòu)的材料性能會逐漸惡化、承載能力逐漸散失，我們把這種現(xiàn)象定義為疲勞。結(jié)構(gòu)構(gòu)件在長期的外荷載作用下，其應(yīng)力集中的區(qū)域?qū)a(chǎn)生裂紋或加快裂紋擴(kuò)展的速度，這種裂紋將直接減少構(gòu)件的有效承載面積；當(dāng)荷載作用達(dá)到一定次數(shù)時，這類裂紋引發(fā)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的突然破壞，我們稱之為“疲勞破壞”。

疲勞是結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裂紋從產(chǎn)生到發(fā)展再到破壞的過程，從結(jié)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(yīng)力處（也稱之為疲勞源），隨著交變應(yīng)力的作用，疲勞源由微觀裂紋逐漸發(fā)展為宏觀裂紋，直至構(gòu)件斷裂。對于疲勞破壞，疲勞源處的應(yīng)力往往低于材料的抗拉強(qiáng)度甚至屈服強(qiáng)度。

正交異性橋面板不僅直接承受車輪荷載的反復(fù)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(yīng)力循環(huán)次數(shù)過多，加之焊接缺陷、應(yīng)力集中影響，使鋼橋面板極易產(chǎn)生疲勞裂紋[3]。

2 研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)50年代德國開發(fā)了一種橋面結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，通過不斷地改進(jìn)橋面板的結(jié)構(gòu)構(gòu)造以求承載能力更大，用鋼量更小，緩解二戰(zhàn)后建筑鋼材緊缺的困境，在世界各國得到廣泛應(yīng)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(jì)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(fā)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(fā)現(xiàn)了3種焊接細(xì)節(jié)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(xiàn)了疲勞裂紋，此外，法國，美國，荷蘭等過也都發(fā)現(xiàn)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(xiàn)了疲勞裂紋[5]。

3 討論

3.1正交異形板結(jié)構(gòu)疲勞

經(jīng)過調(diào)查研究，絕大多數(shù)疲勞裂紋集中出現(xiàn)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(xù)開裂。正交異性板出線疲勞裂紋的機(jī)理比較復(fù)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(yán)重；（2）焊接細(xì)節(jié)的應(yīng)力影響線較短，在車輪反復(fù)作用下，造成多次應(yīng)力循環(huán)；（3）橋面板構(gòu)造中，次應(yīng)力分布復(fù)雜，應(yīng)力集中嚴(yán)重，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了抗疲勞強(qiáng)度[6]；（4）大多數(shù)現(xiàn)場施工的焊接質(zhì)量不易保證；（5）面板和橫梁的交接處連接復(fù)雜，幾何突變嚴(yán)重，應(yīng)力從交點中心向外擴(kuò)散，面板的橫向應(yīng)力比縱向應(yīng)力大，導(dǎo)致橋面板容易出現(xiàn)疲勞裂縫。

4 結(jié)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(xiàn)代橋梁中得到廣泛的應(yīng)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(rèn)為：（1）我國橋梁建設(shè)迫切需要一套完善的正交異性鋼橋面板設(shè)計規(guī)范，規(guī)范應(yīng)當(dāng)指出正交異性橋面板設(shè)計時相關(guān)的設(shè)計參數(shù)、構(gòu)造細(xì)節(jié)、制造工藝流程，還應(yīng)當(dāng)包含相關(guān)的研究成果和工程實踐經(jīng)驗；（2）超重車、交通量、橋面板焊接質(zhì)量和構(gòu)造細(xì)節(jié)是影響橋面板疲勞壽命的關(guān)鍵因素；（3）加強(qiáng)斷面縱肋正交異性橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)的研究。

[1]趙欣欣.正交異性橋面板設(shè)計參數(shù)和構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞研究進(jìn)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(xué)學(xué)報，2013,12（6）.

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

[4]項海帆.高等橋梁結(jié)構(gòu)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?zāi)Ｐ偷臄?shù)值分析 [D].碩士學(xué)位論文.西南交通大學(xué),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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