正交異性鋼橋面板疲勞細(xì)節(jié)優(yōu)化方案探討

張劍峰，李軍平，車 平

（中鐵寶橋集團(tuán)有限公司，陜西寶雞721006）

0 前言

正交異性鋼橋面板廣泛應(yīng)用于大跨度橋梁中，該類結(jié)構(gòu)在運(yùn)營過程中出現(xiàn)大量疲勞裂紋，受到廣泛的關(guān)注。近20年來，國內(nèi)多家機(jī)構(gòu)對正交異性鋼橋面板的疲勞問題進(jìn)行了大量研究，取得了一定的成果。目前，針對該結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)提出多項(xiàng)創(chuàng)新優(yōu)化方案，其中部分方案已應(yīng)用于新建項(xiàng)目，在此對各優(yōu)化方案進(jìn)行探討。

1 正交異性鋼橋面板疲勞裂紋成因

正交異性鋼橋面板的疲勞是一個系統(tǒng)問題，外因是反復(fù)作用的汽車荷載，內(nèi)因是構(gòu)造細(xì)節(jié)和焊接缺欠的影響，外因和內(nèi)因的共同作用下萌生裂紋。針對正交異性鋼橋面板的疲勞裂紋，國內(nèi)外多個機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，此結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋可分為由荷載引起的開裂和面外變形引起的開裂，前者也稱為主應(yīng)力引起的開裂，后者也稱為次應(yīng)力引起的開裂[1]。

1.1 主應(yīng)力引起的疲勞裂紋

正交異性鋼橋面板由主應(yīng)力引起疲勞裂紋的部位較少，主要是U肋嵌補(bǔ)段對接焊部位，原因是現(xiàn)場仰焊難以保證焊縫質(zhì)量且背面貼鋼襯墊的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)其疲勞等級較低，在車輛荷載作用下，該對接焊縫很容易萌生疲勞裂紋。目前已將該部位的連接方式由焊接改成高強(qiáng)度螺栓連接，實(shí)橋應(yīng)用情況良好，其疲勞問題已得到解決，在此不予討論。

1.2 面外變形引起的疲勞裂紋

正交異性鋼橋面板疲勞裂紋主要集中在U肋與橫隔板交叉部位下端（即橫隔板弧形缺口），以及U肋與面板的焊縫部位，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，以上兩類疲勞開裂分別約占疲勞裂紋總數(shù)的38.2%和18.9%[2]。此兩類裂紋均屬于面外變形引起的疲勞開裂。

1.2.1 U肋與面板焊縫的裂紋

正交異性鋼橋面板直接承受輪載反復(fù)作用，面板產(chǎn)生如圖1所示的結(jié)構(gòu)變形，U肋與面板連接處承受相互平衡的3個彎矩的共同作用，焊縫兩側(cè)力矩交替變化，于是在焊根和焊趾處產(chǎn)生彎曲次應(yīng)力，疲勞裂紋由焊趾和焊根處萌生擴(kuò)展。在輪載反復(fù)作用下，焊根處的面板進(jìn)行反復(fù)面外變形，即不停地開合，由于焊根處為一個天然缺口，應(yīng)力集中較為明顯，大幅降低了疲勞強(qiáng)度。在內(nèi)焊設(shè)備未開發(fā)出來前，焊縫內(nèi)部無法焊接，焊根處可通過增加焊縫厚度以減小其應(yīng)力峰值，相關(guān)規(guī)范均要求焊縫的熔透率不低于75%，且有效厚度大于U肋板厚。試驗(yàn)表明，只要達(dá)到要求，疲勞性能基本能滿足要求，但在生產(chǎn)中往往很難100%達(dá)到。

圖1 局部輪載下面板的面外變形示意

1.2.2 U肋與橫隔板交叉部位的裂紋

面板和U肋可視為彈性連續(xù)支承在橫隔板上的連續(xù)梁，在縱向移動的汽車輪載作用下，U肋反復(fù)撓曲變形迫使橫隔板產(chǎn)生反復(fù)面外變形，當(dāng)該面外變形受到約束時，將產(chǎn)生很大的次彎曲應(yīng)力，約束剛度越大，次彎曲應(yīng)力越大。為此，需在U肋下翼緣的橫隔板上開適當(dāng)?shù)幕⌒稳笨趤頊p少這種約束。

橫隔板作為鋼箱梁的橫梁，在汽車荷載的作用下將產(chǎn)生豎向撓曲變形，弧形缺口周邊將產(chǎn)生較大的面內(nèi)彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力[1]。

在以上兩種次應(yīng)力循環(huán)作用下，橫隔板弧形缺口處會引發(fā)疲勞裂紋，且此類裂紋數(shù)量最多。研究表明，U肋高度較小、橫隔板厚度偏小和橫隔板間距較大時，交叉部位的面外變形很大，引起的彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力也更大，疲勞問題更突出。

圖2 輪載作用下橫隔板的面外變形及畸變示意

1.3 面外變形的根源

正交異性鋼橋面板是由面板、U肋、橫隔板組成，三者互為垂直并焊接成一體而共同作用的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造形式和設(shè)計參數(shù)的合理匹配直接影響其抗疲勞性能。設(shè)計參數(shù)主要有：面板厚度、橫隔板厚度、橫隔板間距、U肋尺寸等，如圖3所示。在港珠澳大橋國家科技支撐計劃子課題“連續(xù)鋼箱梁正交異性鋼橋面板抗疲勞性能優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)”中對其進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究，結(jié)果表明，上述參數(shù)的合理與否直接影響正交異性鋼橋面板的抗疲勞性能[2]。在港珠澳大橋上將橫隔板間距減小至2.5 m，重車道面板厚度為18mm，橋面剛度大幅提高，疲勞試驗(yàn)效果改善明顯。

1987年建成通車的的東營勝利黃河大橋和1999年建成通車的汕頭礐石大橋均采用了較密的橫隔板間距設(shè)計，間距約為2.75 m，面板厚度均小于16mm，但是，該類密橫隔板間距設(shè)計橋梁的面板與U肋焊縫至今均未開裂。而出現(xiàn)大量裂紋的多座大橋，橫隔板間距達(dá)到3.75 m甚至4 m，其面板通常較薄，面板的剛性不足，在車輛荷載作用下，面外變形特別突出，這是該類焊縫大量開裂的結(jié)構(gòu)根源。細(xì)節(jié)根源在于當(dāng)時U肋只能單面焊接，無法約束焊根部位的頻繁開合變形，在焊根處產(chǎn)生較大的彎曲次應(yīng)力。同時，在加工制造環(huán)節(jié)，焊縫根部容易產(chǎn)生焊接缺欠，由缺欠引起的應(yīng)力集中也會降低該細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度。

目前行業(yè)內(nèi)更多關(guān)注的是U肋與面板的焊縫，但如何真正解決其疲勞問題尚需全面考慮，尤其建議各方更多關(guān)注面板的剛度等，以求系統(tǒng)性地解決上述兩類疲勞病害。

圖3 正交異性鋼橋面板設(shè)計參數(shù)

2 幾種U肋與面板優(yōu)化思路的探討

2.1 鐓邊U肋方案

某大橋鋼箱梁采用了鐓邊U肋，U肋與面板的焊接邊局部由8mm加厚至12mm，焊接坡口在輥軋設(shè)備上一次成形，U肋尺寸如圖4所示。該方案U肋寬度由300mm改為280mm，面板的跨/厚比=280/16=17.5，小于Eurocode 3規(guī)定的25，也小于國內(nèi)規(guī)范推薦的21.4，面板的橫向剛度較大。在該U肋加工過程中，局部成形將使板邊存在附加應(yīng)力，由于U肋為非對稱結(jié)構(gòu)，應(yīng)力分布使U肋的尺寸精度較差，同時，在組裝過程中，需要施加強(qiáng)力措施才能組裝到位，也增加了結(jié)構(gòu)附加內(nèi)應(yīng)力。

圖4 某大橋鐓邊U肋尺寸

鐓邊U肋方案與一種熱軋U肋構(gòu)思有相同之處，該構(gòu)思將U肋的上緣由8mm局部加厚至11mm，將U肋的下緣加厚至20mm，肋高度增加至380mm，寬度增加至400mm，采用熱軋制造，如圖5所示。該構(gòu)思同時將面板加厚至18mm，橫梁（橫隔板）的間距增加至8～10 m，達(dá)到減少U肋和橫梁數(shù)量的目的[3]。但由于該方案大幅增加了U肋開口尺寸和橫梁間距，面板和橫隔板弧形缺口處的面外變形會加大，帶來的疲勞問題仍比較突出。

上述方案是通過增加U肋的焊縫厚度、減小焊縫相對板厚的偏心度來提高焊縫的抗疲勞性能。該焊縫的疲勞屬于面外變形引起的次應(yīng)力疲勞，而非焊縫的強(qiáng)度不夠所引起。雖然增大了焊縫厚度，但沒有改變單面坡口的接頭形式，焊根部位的開合變形仍然存在，在原理上與傳統(tǒng)U肋沒有本質(zhì)上的差別，焊根部位的疲勞等級也沒得到提高。

圖5 熱軋U肋示意

2.2 U肋內(nèi)焊方案

U肋內(nèi)焊方案是采用專用設(shè)備進(jìn)入U肋，內(nèi)側(cè)焊接K6角焊縫，然后在外側(cè)采用傳統(tǒng)工藝方法焊接坡口角焊縫，U肋內(nèi)焊示意如圖6所示，其焊趾處的過渡角較大，疲勞性能得到提高。該接頭細(xì)節(jié)中，U肋內(nèi)外采用角焊縫焊接后，在汽車荷載作用下，面外變形引起的焊根頻繁開合得到約束，根部未熔化的鈍邊被周圍彈塑性較好的母材和焊縫包圍，原焊根部位由面外變形引起的拉應(yīng)力大幅降低，改善了該處的次應(yīng)力分布和應(yīng)力集中情況，因而疲勞性能得到大幅改善。焊接時應(yīng)重點(diǎn)控制焊接工藝參數(shù)，以防止在焊趾部位產(chǎn)生咬邊等缺欠而降低疲勞性能，如圖7所示。該方案具有較好的可實(shí)現(xiàn)性，目前已在武漢沌口長江大橋等項(xiàng)目中部分實(shí)施[4]。

圖6 U肋內(nèi)焊示意

圖7 焊趾咬邊缺欠示意

為了提高經(jīng)濟(jì)性，建議對外側(cè)坡口焊縫的熔深進(jìn)行研究，在滿足疲勞性能的前提下，應(yīng)盡量減小外側(cè)焊縫的熔深要求，通過較系統(tǒng)的對比疲勞試驗(yàn)來確定。

2.3 U肋熔透方案

U肋與面板熔透焊接是采用內(nèi)側(cè)貼陶質(zhì)襯墊、外部用大線能量埋弧焊單面焊雙面成形，焊接時用雙絲埋弧船位焊接，前絲采用直流電源熔透根部鈍邊并成形，后絲采用交流電源填充坡口并實(shí)現(xiàn)較好的焊縫外觀成形，國內(nèi)某單位采用該方案進(jìn)行了開拓性試驗(yàn)研究[5]。U肋熔透焊接后，其焊根部位的天然缺口得以消除，但采用大線能量焊接時，U肋熱影響區(qū)晶粒粗大和材料軟化情況明顯，其熱影響區(qū)的沖擊韌性下降。同時，大線能量焊接會引起焊接變形，也將引起局部次應(yīng)力，從而降低疲勞強(qiáng)度，且變形對疲勞強(qiáng)度的影響比殘余應(yīng)力更大[6]。同時，該方案生產(chǎn)效率較低，不適宜工業(yè)化大批量生產(chǎn)，如果因批量生產(chǎn)時U肋組裝偏差或內(nèi)側(cè)襯墊不密貼而出現(xiàn)漏焊、成型不良等缺陷時，修復(fù)較為困難。

要求熔透的必要性究竟有多大？是否能真正解決正交異性鋼橋面板的疲勞問題？需通過相關(guān)研究來回答和驗(yàn)證。當(dāng)然，有些橋梁按75%～80%熔深要求而實(shí)際未全部達(dá)到這一要求，至今基本未出現(xiàn)問題的情況也值得思考。

此外，法國巴黎焊接研究所在20世紀(jì)80～90年代花費(fèi)十多年時間研究焊縫成形及根部未熔透對T形接頭疲勞行為的影響。大量的試驗(yàn)結(jié)果證明，當(dāng)根部未熔透Ⅲ處P≤0.4t時，承受疲勞載荷的T形接頭不會從根部未熔透Ⅲ處發(fā)生失效（見圖8），表明T形接頭根部未熔透對疲勞影響不大。

圖8 T形接頭疲勞裂紋敏感區(qū)

2.4 提高面板剛度方案

鑒于國內(nèi)外對正交異性鋼橋面板疲勞的認(rèn)識，橋面板的疲勞裂紋始于面外變形在焊根和焊趾處的局部應(yīng)力集中，其應(yīng)力峰值起決定性作用。采取一定的設(shè)計措施降低結(jié)構(gòu)的應(yīng)力峰值是提高結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)疲勞壽命最有效的方法。

面板厚度和橫隔板間距對結(jié)構(gòu)整體剛度、面外變形有重要影響。為此，在確?，F(xiàn)有U肋熔透率大于等于75%t（t為U肋板厚）的情況下，可通過適當(dāng)增加面板厚度、縮小橫隔板間距的方法提高面板的整體剛度。面板剛度提高后，輪載作用下的面外變形減小，相應(yīng)次應(yīng)力也將降低。同時，橫隔板間距縮小后，U肋下?lián)弦鸬霓D(zhuǎn)角減小，U肋與橫隔板連接部位的彎曲次應(yīng)力也會減小。

大量疲勞試驗(yàn)的研究結(jié)果表明：在現(xiàn)有橋面板整體設(shè)計的情況下，U肋熔透率大于等于75%t（t為U肋厚度），焊縫有效厚度不小于U肋厚度時，U肋與面板焊縫的疲勞性能良好。早期的密橫隔板設(shè)計（間距小于3 m）的橋梁具有較好的抗面外變形的能力，此類結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)至今營運(yùn)效果良好。港珠澳大橋鋼箱梁設(shè)計時將隔板間距縮小至2.5 m，同時，將重車道面板厚度增加至18mm，面板的整體剛度大幅增加。

在橫隔板構(gòu)造上，建議將隔板分成上下兩部分，如圖9所示，上部分接板略厚，以降低腹板的面內(nèi)應(yīng)力，其厚度取約14mm較可靠，更厚的隔板其剛度增加，反而造成更大的應(yīng)力幅[7]，在板單元生產(chǎn)時焊接在頂板單元上。下部分隔板較薄，其上端設(shè)置水平板。在鋼箱梁總拼時，上部接板通過角焊縫與下部隔板連接。這樣，既適當(dāng)增加了隔板厚度，隔板材料的總量又并未增加太多，且該構(gòu)造方便焊接，容易保證焊縫質(zhì)量。

3 結(jié)論

目前，行業(yè)內(nèi)非常關(guān)注鋼箱梁正交異性鋼橋面板的抗疲勞性能，特別是U肋與面板之間的焊縫，提出多種創(chuàng)新方案，進(jìn)行了不同程度的試驗(yàn)研究，但還未經(jīng)過實(shí)橋驗(yàn)證。為確保方案的有效性、可行性和經(jīng)濟(jì)性，建議相關(guān)機(jī)構(gòu)針對不同方案進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，以取得權(quán)威數(shù)據(jù)，為方案的選擇提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

圖9 隔板構(gòu)造示意

參考文獻(xiàn)：

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