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正交异性钢桥面板疲劳问题与解决措施 [复制链接]

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weixinyu 发表于 2016-1-19 16:54:55 |显示全部楼层 |          |
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瑕瑜互见 扬长避短——正交异性钢桥面板疲劳问题与解决措施

文/吴冲


, N/ y' Y5 c1 L+ z, c       上世纪90年代开始,我国在大跨度桥梁建设中逐步采用了正交异性钢桥面板结构。由于闭口U形加劲肋可以提供较好的横向刚度和抗扭刚度,而且闭口肋采用冷弯成型,生产效率高,适合大批量施工,被普遍采用作为钢桥面板的纵向加劲。但是,近年国内外有不少关于闭口肋钢桥面板出现疲劳病害的报道,造成钢桥面板的疲劳寿命远小于桥梁主体要求的设计使用年限。本文简要介绍钢桥面板常见疲劳病害、疲劳强度与疲劳荷载,以及目前常用的抗疲劳措施。
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钢桥面板常见疲劳病害特点

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       闭口肋钢桥面板较为典型的疲劳病害,可归纳为以下6种类型。" w( C6 N1 o" d8 _. L& }0 S
       1. 顶板与闭口肋焊缝处的顶板纵向裂缝, O/ {) W$ G" M, U: j% F% Y1 V, S
       顶板纵向裂缝的特征是,裂缝位于车辆的轮迹线处,沿着闭口肋与顶板焊缝方向发展。裂缝位置主要有以下几种:①位于闭口肋与顶板和横隔板的交叉处,该类裂缝还可以观察到两条并排的裂缝;②位于横隔板之间的中间位置处,该裂缝一般较难发现,如果裂缝贯通则裂缝很长;③位于箱梁节段工地连接处。裂缝深度方向有两种发展形式:①从闭口肋内侧由下至上发展,该类裂缝很难由肉眼发现,从顶板采用无损检测可以比较容易发现;如果裂缝贯通桥面,雨水会进入闭口肋,容易造成闭口肋和顶板腐蚀,大多数裂缝属于这一类。②从闭口肋外侧由下至上发展,该类裂缝从钢箱梁内可以观察到,沿裂缝往往有锈迹,该裂缝数量不多。
, }3 g; M3 L& D, m& K       经验表明,顶板与闭口肋焊缝处的裂缝数量多、危害大、修复困难。产生这种疲劳裂缝的原因有可能是,由于闭口肋加劲只能从外侧单面施焊,普遍采用75%~85%的部分熔透焊,留下15%~25%的未熔合部分(大约1~2mm),这1~2mm的未熔合部分应力集中,形成初始裂纹,成为疲劳裂缝源,在车轮荷载反复作用下,导致顶板与闭口肋焊缝处容易产生疲劳裂缝。
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正交异性钢桥面板常见细部疲劳细节的疲劳强度

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图1 车辆荷载调轴重分布实例

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                                                               (a) 细节A              (b) 细节E          (c) 细节B

图2 超载影响分析构造细节

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       2.闭口肋与顶板焊缝的纵向裂缝

       该裂缝的特征是,裂缝沿着闭口肋与顶板焊缝方向发展,该类裂缝贯通后往往从钢箱梁内可以观察到,该类裂缝发现的数量很多,在闭口肋采用角焊缝的结构中尤其多见。产生这种疲劳裂缝的原因主要是,在闭口肋与顶板焊缝处未熔合部分应力集中,形成初始裂纹,焊缝有效喉高不足时,裂纹向焊缝发展,导致焊缝开裂。

       3.闭口肋下端过焊孔处横隔板裂缝

       该裂缝的特征是,闭口肋下端过焊孔处横隔板出现焊缝,该类裂缝数量很多,往往从钢箱梁内可以观察到。裂缝的发展方向有:①沿闭口肋与横隔板焊缝延伸;②沿横隔板水平方向延伸;③沿横隔板倾斜向上方向延伸。

       产生这种疲劳裂缝的原因主要是,由于闭口肋加劲处横隔板不连续,过焊孔处刚度变化大,在移动车轮荷载作用下,过焊孔处横隔板不仅要承受面内应力的作用,而且还存在面外应力,横隔板在过焊孔处应力集中,受力复杂。过焊孔的形状对疲劳有较大影响。

       4.闭口肋对接焊缝处裂缝3 _( V  N0 u0 D9 p
       该裂缝的特征是,在闭口肋对接焊缝处,裂缝沿着接缝发展,主要集中在闭口肋的嵌补焊缝处。在桥面板疲劳裂缝的嵌补维修焊缝处也发现该类裂缝,在钢桥面板的维修中应该引起重视,避免二次裂缝的出现。) z* i* e' o; D3 l+ Y9 {: G
       对接焊连接结构简洁、受力明晰、经济性好,但不可避免的出现仰焊和立焊,特别是闭口肋普遍采用钢衬垫熔透焊接,由于钢衬垫与闭口肋难以密贴,现场焊接质量难以保证,闭口肋现场焊接处容易产生疲劳裂缝。采用高强螺栓连接可以改善钢桥面板纵向加劲肋连接的抗疲劳性能,而且高强螺栓连接便于修复,日本原则上要求采用高强螺栓连接。
+ [4 R6 x3 y* ?6 w1 l       5.闭口肋上端过焊孔处闭口肋的裂缝; b4 `- Y4 G, U& ?( I; y
       该裂缝的特征是,闭口肋上端过焊孔横隔板与闭口肋焊缝处,闭口肋局部出现裂缝,一般裂缝长度很短。该类裂缝贯通后从钢箱梁内可以观察到,沿裂缝往往有锈迹,该裂缝数量不多。产生疲劳裂缝的主要原因是过焊孔处应力集中,目前通常采用堆焊方法将过焊孔熔透,在过焊孔处形成连续焊缝结构。, A- m6 q0 a2 S  o
       6.腹板竖向加劲肋与顶板焊接处的顶板裂缝4 e0 ^$ i$ X" U3 h! v* Y% O
       该裂缝的特征是,腹板竖向加劲肋的端部顶板局部出现裂缝,一般裂缝长度很短,该类裂缝贯通后从钢箱梁内可以观察到。产生疲劳裂缝的主要原因是,竖向加劲肋与顶板焊接处刚度突变导致应力集中,竖向加劲肋与顶板留出适当的间隙可以避免这种疲劳裂缝的发生。
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疲劳强度与疲劳荷载


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疲劳强度

       钢结构疲劳破坏是反复荷载作用下,结构中的初始裂纹不断扩展,最终导致断裂的一种破坏现象。决定疲劳开裂与断裂的内因是钢材韧性、加工制作和腐蚀等引起的结构内部与表面的缺陷、结构构造引起的应力集中等。大量疲劳试验结果表明,钢结构的疲劳寿命与荷载应力幅、裂纹处的应力集中程度等密切相关。
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图3 热加工厚边倒梯形加劲肋

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图4 开口加劲肋和闭口加劲肋过焊孔处及顶板焊缝处应力比较


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       疲劳等级取决于疲劳开裂的内因,由于各国钢材的材质不同、加工制作水平不同,各国规范规定的疲劳强度等级也不相同。AASHTO和EUROCODE规定的钢桥面板常见构造细节的疲劳强度等,尽管是同一种构造细节,规定值也有所不同。我国关于公路钢桥面板疲劳试验资料较少,相应的疲劳强度等级规定主要参照欧洲规范制定。$ R8 n7 f8 O- A0 g

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疲劳荷载

       产生钢桥面板疲劳的外因是反复作用荷载的大小、次数以及不同大小荷载的加载顺序等。图1为江阴大桥、虎门大桥、南京二桥和南京三桥四座桥梁车辆荷载调查得到的轴重分布,由图可知我国公路桥梁的超载现象非常严重。
; H+ A1 n  k, f3 Q7 X       荷载应力幅的增加会大大减小钢结构的疲劳寿命,两者近似于负的(3~5)次方指数函数关系。以某桥为例,调查得到的前轴、中后单轴、双联轴、三联轴的超载车数量分别为24.4%、16.8%、28.8%和30.8%。采用Miner累计损伤准则对图2所示的A、E、B三种构造细节的疲劳累计损伤度进行分析,结果表明,超载车轴对疲劳的影响分别达到97.2%, 98.5% 和98.3%。
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钢桥面板抗疲劳措施

       荷载应力幅和疲劳强度等级的变化,对疲劳寿命的影响程度很大,减小荷载应力幅和提高疲劳强度可以大大提高疲劳寿命。主要措施归纳如下。
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增加顶板厚度和铺装刚度

       增加顶板厚度和提高铺装的刚度,可以有效减小车轮荷载作用下纵向加劲肋与顶板焊缝处的应力幅。辽宁营口辽河大桥计算结果表明,如果疲劳强度等级大于71MPa、顶板厚度大于20mm,纵向加劲肋与顶板焊缝处疲劳寿命可以3 C( g! O- c1 J" W' @5 U
满足设计要求。1 Y. q5 H: h  X' R+ |5 V8 s0 |
       日本首都高速横滨湾大桥二期桥面采用了75mm厚的钢纤维混凝土铺装,混凝土与钢桥面之间设置环氧树脂粘结层和间距为300mm的9mm焊钉连接。荷兰Van Breinenoord桥也采用了类似的铺装进行钢桥面板抗疲劳加固。日本阪神公团采用橡胶乳液(rubber latex)聚合物改性水泥砂浆(PSM)铺装,不设剪力连接件。这些结构大大降低了钢桥面顶板应力,有些桥梁运营多年后结构良好,但是也有出现混凝土铺装开裂严重的现象。为改善铺装受力,广东马房北江大桥钢桥面维修时采用了超高韧性混凝土(STC)铺装,STC层厚为50mm,上面有沥青磨耗层20mm,2011年12月完工通车至今工作状况良好。该结构体系可以有效减小闭口肋与顶板焊缝处应力和纵向加劲肋的弯曲应力。但是,为了减小超高韧性混凝土的早期收缩变形,需要采用3 \+ M3 y7 W" d7 Q8 L
蒸汽养生,质量难以控制,而且STC中焊钉多、钢筋密,造价高。/ u1 |& r! Y. J& E* R
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确保闭口肋与顶板焊缝熔深

       早期的钢桥面板与顶板一般采用角焊缝,但是有不少钢桥面板角焊缝出现了疲劳裂缝。为确保闭口肋与顶板焊缝熔深可以改善焊缝的抗疲劳能力,欧洲、美国、日本等很多国家的设计规范规定了焊缝最小熔深,通常要求不小于加劲肋板厚的70%~80%。我国开发了热加工厚边倒梯形加劲肋,可以增加加劲肋与顶板焊缝尺寸,改善焊缝的抗疲劳能力。

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开口加劲肋钢桥面板

       以重庆东水门长江大桥和千厮门嘉陵江大桥为工程背景,对开口加劲肋和闭口加劲肋的受力进行了计算比较。其中,扁钢加劲肋厚16mm、高200 mm 、间距350 mm;闭口加劲肋厚8mm、中心间距600 mm。计算结果如图4所示,在相同轮载作用下,开口加劲肋过焊孔及顶板焊缝的应力明显小于闭口加劲肋。开口加劲肋构造简单、顶板与纵肋
4 q: G& k2 h. P0 {9 @采用双侧焊接,可以大大提高焊缝处的抗疲劳性能。  \, |: {3 L( Y# D. |, W

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纵肋高强螺栓连接和控制横肋或横隔板间距
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       纵肋全熔透对接焊构造简单,在我国被大量采用。但是,由于安装误差和焊接质量难以控制(如图5),严重影响连接的抗疲劳性能。特别是闭口加劲肋,焊缝质量难以检查,未熔透焊缝的疲劳强度低,容易出现疲劳断裂。闭口加劲肋尽可能采用高强螺栓连接,质量容易控制,拼接板便于维修和更换,闭口加劲肋尽可能采用高强螺栓连接。减小横肋或横隔板间距可以有效降低纵肋应力幅,提高连接的疲劳寿命。


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优化过焊孔形状和制作工艺

       纵肋过焊孔处空间小、应力集中,不同形状过焊孔的制作难度和应力集中程度有很大的影响。应选用便于制作和应力集中小的闭口肋与开口肋过焊孔形状,采用焊接质量容易控制和焊缝打磨的制作工艺。

       正交异性钢桥面板自重轻、静力强度高,在大跨度钢桥中有广泛的应用价值。但是,近年国内外闭口肋钢桥面板出现疲劳病害,疲劳问题得到国内外广泛关注。钢桥面板疲劳的内因主要是加工制作和腐蚀等引起的结构内部与表面的缺陷、结构构造引起的应力集中等。选用应力集中小、焊接质量容易控制的构造细节和制作工艺是防止钢桥面疲劳的关键。产生钢桥面板疲劳的外因是反复作用荷载的大小、次数以及不同大小荷载的加载顺序等。荷载应力幅的增加会大大减小钢结构的疲劳寿命,两者近似于负的(3~5)次方指数函数关系。我国公路桥梁的超载现象非常严重,控制超载特别是轴重可以大大提高钢桥面板的疲劳寿命。

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图5 纵肋全熔透对接焊


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(作者单位:同济大学桥梁工程系)

(编辑:陈晨)

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