实践与探索 ——中国正交异性桥梁疲劳研究综述

文/张玉玲 王丽

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       自正交异性板纳入中国桥梁研究视线20年以来，逐渐实践和完善了正交异性钢桥面板的各方面技术。但从已建桥梁运营状态的表现看，人们对正交异性板还有相当大的认识空间。早期建成的桥梁陆续出现结构性疲劳开裂，但人们并未因噎废食，而是积极研究解决办法，在接下来的桥梁建设中不断改进。这个过程促进了正交异性板的计算理论、试验方法、疲劳设计和加工制造等技术的提升。

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结构组成状态分析

       钢桥采用正交异性钢桥面板结构体系，最初较多出现在大跨度公路桥梁箱形截面的桥面板结构上。铁路桥梁在高速铁路建设中，由于高速列车运营平稳性要求，也在原来纵、横梁明桥面体系基础上，将上翼缘板连成整体桥面，分别在纵横梁之间增加纵向和横向加劲肋，形成目前在钢轨附近设有较高腹板T形纵肋的正交异性板结构。分析表明，除了细部的焊接构造和几何形状对疲劳产生重要的影响之外，钢桥面板厚度、U肋尺寸和布置、横隔板厚度和布置等的几何尺寸及其配合，更是影响正交异性板疲劳性能的先天条件。由于认识上的原因，一般相近年代桥梁的正交异性板结构大体一致。表1和表2按公路和铁路分别列出国内修建的有代表性钢桥的正交异性钢桥面板基本尺寸配合情况。横隔板高度相对于U肋高度一般较高，这里暂不列为影响因素。

       从表1看出，公路桥面正交异性板结构中，随着建造年代的推进，桥面板厚基本稳定在14～16mm，等级较高者达到18mm。U肋板厚稳定在8mm。横隔板厚度与纵肋跨度有些关联，呈现隔板越厚纵肋跨度越小、隔板薄跨度大的特点，这从横隔板变形协调方面考虑是合理的。个别桥梁相对偏离了此关系，需待将来验证是否经得起运营的考验。U肋高度、开口宽度和间距指标基本稳定。

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表1 国内修建和设计的公路正交异性钢桥面板结构尺寸

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表2 国内修建和设计的铁路正交异性钢桥面板结构尺寸

*注：亦即横隔板间距。

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       从表2看出，铁路正交异性桥面板厚基本采用16mm，等级高者取到24mm。U肋板厚基本稳定在8mm，在2010年左右建造的桥梁取10mm。横隔板厚度与纵肋跨度的关联度不太明显，这与铁路桥面荷载位置固定，而且在轨下对应位置设有T形肋有关，设计者主要通过其他因素来确定该指标。U肋高度、开口宽度和间距指标基本稳定。铁路正交异性板桥面结构至今尚未发现有裂纹，但因其正式运营开通得也比较晚，需要经历时间的考验。

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科研过程的探索

       对铁路正交异性钢桥面板研究始于1974-1978年，当时铁道部以西安-延安线某桥为立项背景，对16Mn钢3-64m连续栓焊箱形钢梁进行了试验研制，提出了正交异性板分析和有效宽度计算方法。1989年开展“32m有砟正交异性板钢桥面系下承板梁试验研究”，结合拓皋桥设计出32m有砟正交异性板钢桥面系下承钢梁，进行了模型试验、疲劳试验、桥面防腐试验和工地焊接试验。1995-1997年开展“双线大跨度（96m-128m）有砟正交异性板钢桥面系的研究”，内容包括：研究双线大跨度（96m-128m）有砟正交异性板钢桥面系下承桁梁的主桁和杆件合理型式；正交异性板纵、横肋合理结构；桥面板与主桁连接形式；结构细节疲劳等性能；桥面板防腐措施及施工方法等。2004-2005年开展“天兴洲公铁两用长江大桥关键技术的试验研究”和“京沪高速铁路南京长江大桥关键技术的研究”，正交异性板构造是其中疲劳性能试验研究内容之一。2008年开展“客运专线桥梁正交异性板整体钢桥面系技术研究”。随后结合各大型桥梁的建设，不同程度对正交异性钢桥面开展研究。公路桥梁方面，同样也是结合大型桥梁的建设，在不同程度上开展了正交异性钢桥面结构技术的研究。取得了大量的研究成果。

       经过近40年的研究积累，尤其是近20年的工程实践，对正交异性钢桥面板疲劳裂纹的认识逐渐清晰。下述部位是正交异性钢桥面板的疲劳易损部位：①横隔板U肋开槽部位。②横隔板与U肋间焊缝。③钢桥面板与U肋焊缝部位。④U肋纵向对接连接部位。

       围绕正交异性钢桥面板疲劳问题，选择有代表性的研

究成果综述如下。

      （1）正交异性板结构计算理论

      相对钢桥其他构件，由结构力学进行正交异性钢桥面板简化应力计算与实测数据的差别要大很多。为了寻求适合的计算理论，对钢箱梁正交异性钢桥面板通过有限元对有效分布宽度（或称应力不均匀系数）计算进行研究。表明钢箱梁的面板和底板应力不均匀现象明显。面板应力不均匀系数最高达1.14。

      同样在正交异性板构造应力计算方面，尝试开展了热点应力方法研究。通过建立焊接构造细节有限元模型，对热点应力进行有限元分析。计算结果表明，国际焊接学会IIW推荐的线性外推法所得热点应力最大；各船级社推荐的方法次之；直接取距离热点0.5倍厚度处的应力作为热点应力结果最小。疲劳试验对比研究表明，利用有限元方法得到的热点应力所预测的疲劳寿命点，贴近母材疲劳抗力方程。认为对正交异性钢桥面板这类形式复杂的焊接构造，由于名义应力难以确切定义，采用热点应力方法，对疲劳寿命进行评估拥有较为广阔的应用前景。

       针对钢桥面板与U肋焊缝，开展残余应力数值模拟计算。通过有限元热-力耦合分析技术对温度场和应力场进行数值模拟。输入高温条件下钢材的力学参数和焊接参数，通过控制热源移动加载，计算得到焊接残余应力场分布。计算结果表明：焊缝处不均匀加热与放热将导致焊缝中部垂直焊缝方向及沿板厚方向，分别存在峰值为88MPa残余拉应力和93MPa残余压应力。

       同样针对钢桥面板与U肋焊缝，开展了面板疲劳长裂纹研究。由有限元节段模型计算分析表明，面板横向应力分布在横隔板截面和跨中部分差别较大，前者类似固端梁，后者类似弹性支承多跨连续梁。面板-纵肋连接处的应力纵向影响线，在横隔板部位为2个横隔板间距，在跨中截面为1个横隔板间距。横向影响线，在跨中时双轮胎作用为1个肋间距，单轮胎作用为0.75倍肋间距。在横隔板部位可不考虑同一车辆轴重之间的相互影响及多车效应。横隔板截面处萌生于焊根的面板裂纹更易发生。参数分析结果表明，增加面板厚度从12mm到14mm，可降低面板应力幅约28%。在纵肋内设置内隔板并在面板下紧密贴合，保持面顶板在横隔板处的连续，能有效提高萌生于焊根的面板裂纹疲劳强度。但该方法对制造安装要求过高，推广难度大。所以增加面板厚度，并保证寿命期内桥面铺装的完整性，是提高面板疲劳性能的简单易行方法。此外，通过对现有试验数据的分析，采用面板底面焊趾或焊根处的横向热点应力作为参考应力，面板裂纹的疲劳等级可达到Eurocode的125级。

       公路桥梁荷载相对比较随机。为寻求其规律性，开展了车辆轮迹横向分布对疲劳应力幅影响研究。由现场调查统计得到车辆轮迹线的横向位置正态概率分布参数，采用三维板壳有限元模型分析了车辆轮迹线横向位置分布，对正交异性钢桥面板典型构造细节疲劳应力幅的影响。结果表明：车轮横向位置对钢桥面板典型细节的等效应力幅的影响较大。采用论文所调查车辆轮迹线横向位置分布模型计算的等效应力幅与最不利加载位置之比在0.8以下。

       在疲劳损伤理论方面，进行了构造细节疲劳试验下的损伤模型研究。以残余应变损伤度模型为基础，研究了正交异性钢桥面板损伤发展历程。利用连续分段函数描述整个寿命过程中的损伤累积规律，见图1。

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图1 横隔板-U肋焊缝损伤模型

       （2）疲劳试验研究

       对正交异性钢桥面板的疲劳试验，大体分为焊缝构造S-N曲线疲劳试验和节段模型疲劳试验。

       将正交异性钢桥面板各种焊缝构造简化为单向拉伸试件，进行S-N曲线疲劳试验，可对反映不同焊接工艺和质量的构造进行疲劳性能检验。试验数据表明，对于U肋-面板.焊缝的焊接，多道焊缝疲劳性能优于单道焊缝；在穿过横隔板处无过焊孔疲劳性能优于留有过焊孔构造；焊接中不慎焊漏U肋钝边试件的疲劳性能劣于正常焊缝。U肋对接连接焊缝为底部受弯曲拉应力，受力明确，可采用常规名义应力法。其他因面外变形引起弯曲应力产生疲劳的情况，如桥面板面外变形，使U肋与桥面板焊缝起裂造成桥面板纵向裂纹，以及横隔板面外变形，使U肋与横隔板焊缝起裂造成横隔板斜向开裂等等,难以通过简单拉伸试验确切了解疲

劳抗力的规律。在条件困难情况下，也可偏于保守地将弯曲应力的疲劳构造，简化为相同构造下进行全截面受拉疲劳构造。

       经费条件允许时，可进行正交异性钢桥面板节段模型试验。包括单根U肋构造的节段模型试验和成桥节间范围节段模型试验。单根U肋构造节段模型试验仍可实现进行S-N曲线疲劳试验，但要求试件面板宽度应使节段对于U肋焊缝具有足够的约束作用。成桥节间范围节段模型试验能够相对完整反映实桥的制造工艺和边界条件，可信度高。以港珠澳大桥正交异性钢桥面板为研究对象，通过局部构造的足尺试件模型，对正交异性钢桥面板疲劳易损部位分解进行了试验和理论研究。建立基于理论模型和弹塑性断裂力学的疲劳损伤裂纹扩展模拟方法。研究结果表明: 港珠澳大桥正交异性钢桥面板的疲劳性能满足设计要求; 横隔板U肋开槽部位具有较高的安全储备; 不同的疲劳应力幅作用下，各部位的疲劳裂纹扩展速率存在较大差异。

       （3）疲劳设计方法

       到目前为止，采用传统的名义应力计算方法，对正交异性钢桥面板疲劳构造进行应力计算尚无法全部实现。与现行钢桥设计规范协调，新颁布的《铁路桥涵极限状态法设计暂行规范》，给出了正交异性钢桥面板横隔板与U肋间焊缝、钢桥面板与U肋焊缝、U肋纵向对接连接焊缝的疲劳设计抗力，包括应力检算部位、相应设计疲劳强度及S-N曲线，以及加工要求。疲劳检算方法与钢桥其他构造相同，但对构造应力的具体计算办法未予明确规定，一般通过有限元计算获得。公路桥梁对正交异性钢桥面板设计方法，处于积累足够工程数据和进一步研究阶段。

       （4）制造技术

       对正交异性板的制造工作越来越受到重视。对影响钢桥面疲劳耐久性的U肋熔深率、横隔板细节构造、现场连接构造、组装精度控制、焊接技术以及制造细节处理等进行研究，制定出合理的钢桥面板细节构造及抗疲劳制作工艺。为保证U肋焊缝熔透率，减少人为因素对焊接质量的影响，港珠澳大桥倡导“机械化、自动化”的制造理念。针对正交异性钢桥面板结构特点和焊接要求，研发出“门式多电极焊接专机平位反变形”和“焊接机器人+船位反变形”的焊接技术。研究表明，两种自动化焊接技术均有效保证了U助与钢桥面板的熔深率要求，焊缝成形美观，焊接质量稳定，疲劳性能得以提高。

       钢箱梁桥面板U肋与桥面板的连接焊缝属于薄板角焊缝，应用传统手工超声波检测手段，对其熔深进行检测存在定位不准、判伤困难的技术难题。研究人员采用超声波相控阵检测U形纵肋角焊缝熔深的方法进行研究。为U肋角焊缝熔深的检测提供了一种新的选择，该方法判伤准确，测量最大误差为0.3mm，大幅提高检测效率，可应用于类似

的薄板焊缝探伤。

       随着对正交异性板应用认识的不断深入，研究工作也涉及桥面铺装的影响方面。分析中将钢桥面板、U肋、铺装层和横隔板作为一个统一铺装体系，建立力学分析模型。分析车辆荷载作用下铺装体系的受力特性和破坏类型；确定最不利荷位；研究正交异性钢桥面铺装层的应力分布变化规律，研究桥面铺装设计的相关指标。对大跨径钢桥面铺装体系的钢箱梁正交异性面板几何尺寸、铺装层厚度、铺装层材料的弹性模量等参数进行了优化。

       （5）其他

       从正交异性板结构构造的改进方面，开展了新型热轧纵肋（见图2）疲劳性能研究，表明与典型纵肋桥面板相比，新型纵肋降低了面板应力幅。在肋壁内增设顶部小横隔板可降低应力幅值。经过对自重和加工成本综合分析，表明未来工程应用前景良好。

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图2 新型热轧U肋

出现的问题及建议

       （1）规范需及时介入

       在现行规范未纳入正交异性板设计内容，而工程中又涉及大量的应用情况下，一些早期错误的做法得不到遏制，包括易出现疲劳裂纹的板厚匹配、焊缝的随意处理等等，引发一些权威人士对正交异性板结构体系反感。建议对已经经过实践和论证不可用的构造，以及加固时不可采用的错误方法，及时在规范中明确禁止或者注明慎用，不必等待将问题全部解决后才纳入规范。

       （2）疲劳试验不必追时髦

       目前存在一味追求整体模型疲劳试验的倾向，失去设计方和制造方对细节控制数据选择的机会。因为疲劳试验数据存在统计特征，需要一定数量的样本。整体结构模型疲劳试验的外观与实桥相近，能够得到结构体系比较准确的关联数据，但不适合大量做。因此，难以满足具备充足细节样本的要求，从中得到的数据无法真实反映细节制作的离散特征。建议明确试验的目的，不放弃对构造细节分解进行小型单向加载S-N曲线疲劳试验的方案。采用每个应力水平1个数据，最好8个以上应力水平数据的正确做法，为设计方和制作方提供参考。小型试件注意模拟出无限长边界的约束效果，例如：采用固定的方法，是能够反映受力特征，进而得到疲劳性能特征。

       （3）正交异性钢桥面板的疲劳寿命

       有很多关于正交异性钢桥面板疲劳寿命评估的文献，包括疲劳荷载的研究等。单从评估本身就存在很大的不确定性。从业主的概念，正交异性板就应该同主桥一样，寿命是100年。设计规范按照所划定的正常情况，标称也是100年使用年限。但真实情况是，一方面社会发展必然带来运输方式变化。另一方面由于方方面面不可预知的因素，必然存在构造性能的离散。这些都将直接占用或者折减疲劳寿命，导致评估的误差。作为100年有限寿命设计的正交异性板来讲，总有疲劳开裂的一天，而且这一天多半是提前100年很多。既然躲不掉裂纹，建议给出两种选择。第一，在已有经验评估基础上，适当往前明确使用年限，比

如大桥的主桥是100年，告知桥面结构30年更换，让使用者有低的预期，使之提前采取相应的保护措施。第二，将对正交异性板的疲劳寿命研究点放在无限寿命的探索上，找出办法使正交异性板结构具备无限寿命的疲劳构造。

       （4）正交异性板应向产品化发展

       中国桥梁市场庞大，涉及的参建单位众多。不可避免存在技术水平上的参差不齐。加上信息的封闭，工程错误重复出现的概率比较高。建议推动正交异性板的产品化，设计时无需进行计算，只需要选型。加工制造时只需要在非疲劳敏感部位进行组拼。这样既保证了质量，又方便了工程的应用。未来正交异性板结构将真的成为钢桥不可或缺的组合体。

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(作者单位：中国铁道科学研究院)

（编辑：江北)