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weixinyu 发表于 2016-1-20 11:07:47 |显示全部楼层 |          |
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文/程小华

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       众所周知,正交异性桥面会经受直接车轮载荷,因此疲劳是设计与制造过程中需要解决的最关键问题之一。另外,由于该桥面系统薄板变形,另一个长期困扰桥梁业主的问题便是铺装层耐久性。迄今为止,在很多场合下都有观察到疲劳损伤现象的报告,其损伤均由于重载交通或运输振动条件下不适当的细节设计与制造缺陷引起。多年来,研究人员一直在进行无数的研究与疲劳试验,例如针对不同焊接细节的参数实验研究,及利用足尺大型试验体的验证试验。由于正交异性桥面焊接细节的复杂性、较高的初始成本、设计与制造方面较少的规范与经验,以及有些正交异性桥面过去在性能上的不良经验,正交异性桥面被视为一种独特且充满挑战性的技术,尤其是针对较大重载交通运输量。尽管正交异性桥面在最近的若干长大桥梁项目中取得了大量的经验和教训,但是由于其他多种类型轻量化桥面替代性选择的存在,在美国,许多桥梁业主(收费路桥业主除外)在选择桥面系统时还是较少优先考虑正交异性桥面。0 w/ E& R& o. E3 j( t- z  `3 G: Q
       然而,随着正交异性桥面研究、制造能力、最先进的设计与制造以及相关技术的快速发展,这一情况可能会发生变化。& p9 A) |+ k& e: I: S

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经验与教训

       自20世纪40年代发明正交异性桥面以来,全世界范围内已经建造了数以千计的正交异性桥面桥梁。在美国,当前在役的正交异性桥面桥梁不足100座。桥梁业主在使用正交异性桥面所面临的障碍包括:1)较高的初始成本与挑战性;2)过去的失败经验;3)由于焊接细节过多与资质较低的检验人员而导致发生质量问题和疲劳损伤引起的高风险检测、监测与维护的高成本;4)长期维护问题。! O5 C5 s* T# y% Y


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日本地区

       在日本,自20世纪60年代以来,大城市高速公路机构便建设了大量带有正交异性桥面的高架桥,降低转移至桥梁基础的恒载,以便适应较差的土壤条件。自20世纪70年代以来,跨海长跨桥建设(例如,本周四国联络桥)开始全面兴起,模块化正交异性桥面的使用达到了巅峰状态。20世纪80年代,许多桥梁的建设使用了连续箱形梁和整体化正交异性桥面,以便在国道系统中实现低主梁高度与快速施工的目的。为了将桥梁自重降至最低水平,早期桥梁中使用的正交异性桥面使用薄板进行施工(如12mm桥面板)。在桥梁重载交通量持续增加的情况下,由于薄板较差的焊接细节与局部变形,出现了疲劳裂纹现象。$ ^/ {8 Z7 h5 O2 ?2 P' K+ \  A
       研究人员对正交异性桥面的现状进行了系统性调查,调查结果显示,在经过20年使用寿命后,大城市、沿海与工业地区的重载交通公路上的正交异性桥面出现了疲劳问题与铺装层损坏现象(图1a)。主要原因之一是车辆超载与交通量超过设计标准。同时还发现了沥青铺装层损坏,以及桥面铺装层表面损坏与隐形焊接细节疲劳损伤的关系。了解疲劳损伤的位置与原因,将有助于工程师与桥梁业主对检测与养护活动进行更佳规划,并且将汲取的经验教训融入未来的设计当中。! A+ k8 G- T/ O+ L+ L
       当发现疲劳损伤时,在不考虑桥梁上总交通量的情况下,上述调查还确定了桥面使用寿命与货运交通量之间的关系(图1b)。调查结果显示,当货运交通量相对较小时,疲劳损伤可能发生在使用寿命的后期阶段;然而当货运交通量相对较大时,疲劳损伤可能会很快在开通后10年内发生,这取决于焊接细节。当使用正交异性桥面时,这种关系对于协助桥梁业主与工程师做出工程判断与决策方面比较重要。
' K* H6 x- g/ c% k4 {: o! J8 b       在过去的几十年间,研究人员取得了大量经验教训,并且开展了无数研究活动,旨在改善并优化焊接细节与铺装层。上述改善措施包括:(1)将桥面厚度从12mm增加至最低14mm;(2)肋板至桥面部分焊透焊缝需要达到75%焊透率;(3)改善和优化肋板至桥面横梁/横向加劲肋交叉点上的切口形状与高度;(4)减少纵向U形肋板及桥面板横向现场连接处以及横梁现场连接处的工艺孔尺寸;(6)使用新技术来提升工厂与现场焊接质量;(7)使用无损检验技术提升制造的质量控制(QC)与检验等。

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b)疲劳发生年份与货运交通量之间的关系(货车总数:(1)250万辆;(2)150万辆)

图1 日本地区正交异性桥面的一系列调查情况[日本桥建协JASBC 2005]


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美国地区

◆ Luling桥

       横跨路易斯安那州密西西比河的Luling-Destrehan大桥是美国第一座正交异性桥面索拉桥,该大桥于1983年开始开放使用。然而,桥梁检测结果显示,原始设计与施工并未使桥面系统实现“免维护”目标。由于斜拉索防护结构的各种临界破损,以及斜拉索主要拉伸组件的外露,桥梁钢索分别于2009年与2012年进行了更换。并且,最近的桥梁检测结果显示,疲劳裂纹从连接至桥面板的箱形梁竖向加劲肋处桥面板连接处的角焊缝开始出现,并且某些疲劳裂纹已经传播至桥面板(图2a)。这些裂纹仅出现在行车道外道下部的箱形梁的外腹板位置,全桥有超过800处这种焊接细节,其中出现了112个裂纹。分析结果发现,裂纹的主要原因为轮荷重直接作用下焊接细节处的应力集中。

       由于维修作业负担与维修或更换期间车道关闭带来的影响,铺装层损坏与更换一直是正交异性桥面最为棘手的问题之一。在Luling大桥的使用寿命期间,施工人员对钢桥面采用了若干种热拌沥青水泥(HMAC)类型铺装层系统,但是使用寿命只有10年左右,未展现出令人满意的效果。1999年后又试用了其他种类的铺装系统,包括钢纤维混凝土铺装,其性能效果较之其他铺装系统好很多,因此在最近的桥面铺装更换中采用了这种可以增强桥面刚度的3 ”(89mm)厚的钢纤维混凝土铺装系统。

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a)Luling大桥疲劳损伤   b)Polar Street大桥横截面

图2 美国地区正交异性桥面的经验

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◆ Poplar Street桥              密苏里州圣路易斯的Poplar Street大桥于1967年开放使用。为两架分离的上部结构组成的五跨连续箱形梁(图2b)。正交异性桥面板厚度为9/16”(14mm),封闭肋板壁厚5/16”(8mm),桥面横梁间距为15ft(5m)。原始铺装层包括环氧树脂粘结层与1-1/2”(38mm)橡胶沥青混凝土。在使用15年后,铺装层于1983年用同类型材料进行了更换,但是更换后的铺装层仅使用了不到3年时间。1986年使用在沥青层中带有玻璃纤维增强垫层的铺装层系统进行了重新更换。随后便发生了过量车辙与推挤(塑性变形)现象。纵向肋板与箱形梁腹板处也发现了横向与纵向裂纹。随后,铺装层于1992年进行了再次更换。同时,在正交异性桥面的U肋与桥面板的纵向焊缝处发现若干疲劳裂纹。最近在桥面铺装更换项目中,采用了桥面板上焊接剪力钢钉加钢纤维混凝土的技术。
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; B' w: p+ M6 M9 L7 M  Z2 G. W◆ 圣马特奥大桥- O/ D: Y5 `7 N0 ?, c
       尽管Luling大桥与Poplar Street大桥存在铺装层问题,但是圣马特奥大桥却显示出良好效果与经验。该大桥位于旧金山湾区,1967年开始开放使用。为满足抗震轻量化要求,该大桥包含两个连续箱形梁,以及与箱形梁结合的正交异性桥面。桥面板厚度为16mm(5/8”)或19mm(3/4”),使用2”(50 mm)环氧沥青铺装层。肋壁厚为16 mm(5/8”),桥面横梁间距为3.167m(10.4ft)。在经过将近50年使用寿命后,该大桥铺装层于近期使用2”(50mm)厚度的镀锌聚酯聚合物混凝土进行了更换,大桥车道仅关闭了两个周末。新更换的铺装层的使用寿命预期与原始铺装层的使用寿命一样长[维基百科2015]。值得注意的是,此桥正交异性桥面板厚度相对更大,桥面系统的刚度也更大,这有助于原始铺装层耐久性超过了48年而没有发生重大问题。: J; V  M, ]. f3 u7 v6 F$ I
       通过现有的典型正交异性桥面桥梁的钢疲劳及铺装层退化方面的讨论情况可以看出,正交异性桥面桥梁伴随的问题都有共同之处,这些问题带来了繁重的长期维护与管理难题。情况应该为:桥面系统板厚度越大,刚性则越大。许多新型的正交异性桥面桥梁施工已经开始采用这种设计策略。圣马特奥大桥的上述设计便是一个好的例子,令人振奋。桥梁业主与工程师应充分了解决策与设计初期阶段的潜在问题,确保在特定交通状况下的设计、制造与性能方面的需求与期望,以预防问题的发生。& k2 X  ^4 J& r1 [) I, i$ }

) ]; n5 _) ^$ v4 z$ W* c/ b7 b, b, e" g# @" x- I

设计的考虑因素

       由于正交异性桥面桥梁的复杂性,需要实现“免养护”或最低水平长期养护作业的目标。相比较其他类型的桥面系统而言,正交异性桥面施工的初始成本较高。然而,如果可以实现优化设计与正确制造、施工流程来提升性能,可以降低桥面系统使用期间的长期养护作业与管理成本。换言之,可以降低寿命周期成本(LCC)。一般而言,正交异性桥面系统的初步设计与详细设计应考虑下列因素——
# K) x0 B3 R0 w: j" K1 [% M       1. 轻量化:轻量化理念在于降低桥面系统的恒载,因此可以降低上部结构、下部结构与桥梁基础的荷载。对于现有桥面更换而言,降低的桥面恒载对其他结构部件的承重能力有益。然而,随着增强桥面系统刚度概念的兴起,依照增加桥面板厚度、改善焊接细节与铺装层类型与厚度而定,相比较其他类型的轻量化桥面而言,正交异性桥面的轻量化优势并非一直存在而“免养护”成为了桥面类型选择过程中最为优先考虑的因素。
/ F5 E- b& y& p, g) ~" j/ ]       2. 强度与稳定性:桥面的设计应考虑其承受的所有作用力,稳固且具有刚性。需要特别注意的是整体与局部变形要求。* E; @0 t. F4 w) o! G' y; v( Q7 u
       3. 易建性:易建性设计应考虑到制造设施可行性的制造细节,明确指定制造公差、质量控制/质量保证检验及无损检验技术的要求。结构装运与架设方法也会影响横截面设计(宽度与深度)与分段设计(长度、重量、装运支座/支撑等)。快速桥梁施工(ABC)需要将现场作业降至最低水平,会增加初始成本。9 ?+ ~& a1 u# H% j% V/ r6 v
       4. 使用可靠性与耐久性:需要保证长期性能来防止桥面疲劳与铺装层损坏;这一点对于桥梁业主而言尤其重要。铺装层应平整光滑,并且满足表面可行驶性要求;在必要情况下,桥面系统的设计细节需要考虑到简便的现场维修/加固/更换;在设计中对活载引起的变形加以限制;考虑与正交异性桥面系统相连的安全设施的设计细节(例如栏杆、中央路栏、人行道、救助通道等)。
  Z; @4 a  s4 O. b: s* v       5. 可检验性/可接近性:如有可能,应直接在桥面系统关键位置下设置检测通道,便于近距离检测,为专用检测设备进行桥面细节设计;结构涂料/涂层颜色应方便进行目测检验(易检出疲劳裂纹等);
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) O) y6 i; f8 E9 F: q4 Y8 v& o7 H1 u' w       6. 可维护性:方便日常运作、常规维护与维修、常规检测,并将重新喷涂作业降至最低水平(耐候钢、金属热喷镀、三层涂装系统等)。确保可进行上述作业与重新喷涂作业的通道。
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       7. 可更换性:如果存在严重损坏/退化,以及部分或整个结构需要进行更换,设计过程需要考虑到结构系统冗余度以易于杆件/部件的更换。  Q+ ?% \+ c, h, w3 v+ w& ]
       8. LCC:确保桥面使用寿命期间初始成本与维护成本达到较高成本效益。通过设计、制造与施工来确保实现“免养护”目标。" ?3 o* s: T% A$ M' Q8 `# n- ]
       上述所有(但不限于)因素应体现在长期LCC的评估中,并且从业主角度而言十分重要。为了确定设计考虑因素的优先顺序,正交异性桥面设计应侧重于改善并满足下列三项性能:(1)焊接细节的抗疲劳要求;(2)铺装层耐久性;(3)长期寿命周期成本(LCC)或“免养护”。这会成为正交异性桥面的现代化使用策略,比传统轻量化考虑因素具有更好的效果,并且应当尽早地在设计过程中考虑进去。
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新的尝试

       当前,新泽西州交通运输部(NJDOT)有一在建项目正在制造施工阶段,即Rt.7Wittpenn大桥项目。该大桥是一架横跨新泽西州Heckensack河上的升降式开启桥,升降桥孔长度为324英尺(99m),宽度为110英尺(34m),有三根箱形梁(用桥面横梁相连)和正交异性桥面结合。该大桥的设计使用寿命为100年。设计的货运交通量(ADTT)极高,也意味着无限寿命疲劳设计。在设计的初期阶段,设计人员进行了整体概念设计,在其他考虑的选项中选用了带有正交异性桥面系统的箱形梁上部结构。在正交异性桥面升降桥孔的设计过程中,设计人员学习和应用了许多从世界各地汲取的最为先进的研究结果、可用技术与实践经验。在详细设计期间,研究人员对纽约、旧金山地区(例如布朗克斯白石大桥、旧金山-奥克兰海湾大桥等)的若干悬索桥桥面更换工程开展了调查研究,最后采用了厚桥面板薄铺装层的理念,并且采用U肋与横梁交叉部不开切口的设计细节。另外,美国联邦公路署(FHWA)出版了《正交异性钢桥面桥梁设计、施工与维护手册》[美国运输部(USDOT)/联邦公路署(FHWA)2012]。同时,美国国家公路与运输协会(AASHTO)对正交异性桥面的设计要求进行了更新。设计人员与桥梁业主通力合作,确保对桥梁进行合理设计,并且出于基于性能与“免养护”考虑因素,对质量要求进行了明确与充分规定。由于桥址、桥面车道关闭、桥梁难以接近(升降桥孔使用位置高度距离河面高度有21m)等限制原因,人们希望可以实现“免养护”或最低程度长期养护这一目标。制造过程严格遵守设计要求,以便确保达到设计性能。由于制造方面存在的严格要求,因此具有成本效益的设计尤为重要。
$ E: h1 o9 ~$ m' d7 C       此外,NJDOT与理海大学合作进行了一项针对实际桥梁的研究项目,旨在模拟实际桥梁项目所推荐的最终设计与制造条件,利用足尺疲劳试验,以对疲劳强度和无限疲劳设计寿命进行验证。这个验证试验在AASHTO正交异性桥面设计荷载的2.25倍的荷载下运行了800万次循环。在模拟疲劳设计无限寿命的试验结束时,没有发现可以检测到的疲劳裂纹。
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业主的权衡

       由于其轻量化、快速模块化施工、杜绝伸缩缝与更佳的长期寿命周期成本方面的优势,对于新建桥梁与更换桥梁施工而言,正交异性桥面系统是一种具有应用前景的桥面技术。近期研究、经验,以及设计与制造方面使用的新型技术,使得正交异性桥面系统的可行性比之前更高。正交异性桥面系统的应用应该以性能为基础,不同的工程项目和不同的交通量有着不同的设计考虑。以桥梁业主角度主要思路总结如下:
: K* \  o) b- j1 l       1.尽管越来越多的正交异性桥面得以运用,但它仍然是一种独特类型的桥面系统,需要较高的初始成本。对于大型长跨桥与收费桥,正交异性桥面系统具有卓越使用性能,但是大多数设计人员、建设承包商、制造人员与桥梁业主对于正交异性桥面系统仍不太熟悉。除非对于轻量化或快速施工有特殊要求,否则正交异性桥面对常规类型桥梁而言,目前并非一定是一种经济划算的选择。
+ X/ k9 N8 Z1 {6 v# g7 B) i       2.焊接细节疲劳、铺装层损伤与初始成本是桥梁业主最为关心的几大问题。这些损伤通常是由于桥面系统的柔软性引起的。为了确保“免养护”性能,在制造细节以及铺装层施工方面需要采取谨慎措施,以避免可能的内在缺陷。桥梁业主应充分了解桥梁使用寿命期间的预期机制与性能,在早期设计阶段提出业主的特定要求和意见。- q7 I4 e. F* j" |
       3.在考虑使用正交异性桥面时,桥梁交通状况是需要考虑的一项重要因素。如果正交异性桥面系统没有或有较少的重载交通量时,无须担心疲劳与铺装层损坏问题。当正交异性桥面预期用于重载交通时,应当考虑更为严格的疲劳设计,并且采用改善的细节,这会极大增加制造与质量控制成本。3 {& Z; g; I+ a% `% L5 z
       4.相比较其他类型的轻量化桥面系统而言,正交异性桥面并非一定更轻,因为正交异性桥面可能会使用更厚的桥面板及结构构件,更厚的铺装层及更小的桥面横梁间距,以提高整体刚度与局部焊缝疲劳性能。如果在最初设计阶段未考虑免养护目标,那么可能在桥梁的后续使用期间需要在检测、维护与管理方面花费更多精力。为了确保正交异性桥面对于焊缝疲劳与铺装层损坏问题的免养护性能,在设计阶段应仔细考虑制造方面的问题。应当对制造要求、质量控制措施与公差/验收标准进行详细规定,以便于确保制造要求的遵从性与预期性能。
& [4 p' ^" O# d  J0 k0 A) g       5.设计的细节应该正确、经济、可行,这一点十分重要。为了实现成本效益,需要对设计与制造进行标准化,研究、经验与新型技术也可以帮助改善标准细节的性能。根据桥址与交通状况,可以开发并验证适合不同性能要求的标准化细节。7 ]. O+ ?% q% m* S( @3 A" p- U4 g% A
       6.由于正交异性桥面的复杂性,能够把富有经验并且充分了解正交异性桥梁性能的设计人员、建设承包商与制造厂家结合在一起工作,并且获得能够满足桥面系统设计与制造预期性能的充足资源与设施非常重要。制造自动化(切割、整平、打磨、钻孔等)、自动焊接、合格工人和工艺与不同无损检测技术均是必备因素。桥梁业主应做好支付较高初始成本的准备。我们期待随着越来越多的经验积累,可以找到经济有效的解决方法,将来会有更多的机会使用正交异性桥面系统。
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(作者系美国新泽西州交通部结构工程师)

(编辑:陈晨)

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