日本公路鋼橋鋼橋面板疲勞裂紋

1、史永吉史永吉中國鐵道科學研究院中國鐵道科學研究院20132013年年1111月月日本公路鋼橋鋼橋面板疲勞裂紋鋼橋面板疲勞裂紋系列講座之二 前言前言 日本鋼橋面板應(yīng)用概況日本鋼橋面板應(yīng)用概況 縱向板式肋鋼橋面板的疲勞裂紋及原因縱向板式肋鋼橋面板的疲勞裂紋及原因1. 縱向縱向U型肋鋼橋面板的疲勞裂紋及原因型肋鋼橋面板的疲勞裂紋及原因目錄 日本鋼橋面板的應(yīng)用吸收了德國的經(jīng)驗和教訓，少走了很多日本鋼橋面板的應(yīng)用吸收了德國的經(jīng)驗和教訓，少走了很多彎路。另外，日本發(fā)達的鋼鐵工業(yè)和地震頻發(fā)的特點，決定了日彎路。另外，日本發(fā)達的鋼鐵工業(yè)和地震頻發(fā)的特點，決定了日本鋼橋和鋼橋面板在橋梁建設(shè)中的地位和比重。這里概

2、要介紹了：本鋼橋和鋼橋面板在橋梁建設(shè)中的地位和比重。這里概要介紹了：日本鋼橋面板應(yīng)用歷程；日本鋼橋面板應(yīng)用歷程；1960年代年代1980年代中期建成的鋼年代中期建成的鋼橋面板橋梁中，服役橋面板橋梁中，服役1520年后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了許多疲勞裂紋，以及年后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了許多疲勞裂紋，以及這些裂紋發(fā)生部位、形貌和走向，及其產(chǎn)生的原因。希望能對我這些裂紋發(fā)生部位、形貌和走向，及其產(chǎn)生的原因。希望能對我國鋼橋面板的設(shè)計、制造提供借鑒。國鋼橋面板的設(shè)計、制造提供借鑒。 正是由于上世紀正是由于上世紀6080年代初建成的鋼橋面板橋產(chǎn)生了許多年代初建成的鋼橋面板橋產(chǎn)生了許多裂紋，經(jīng)過不斷的研究、改進、實橋應(yīng)用裂紋，經(jīng)過

3、不斷的研究、改進、實橋應(yīng)用檢驗檢驗，使鋼橋面板的裂，使鋼橋面板的裂紋數(shù)量有了大幅下降，其成果納入了日本紋數(shù)量有了大幅下降，其成果納入了日本2002年版的設(shè)計規(guī)范和年版的設(shè)計規(guī)范和公路鋼橋疲勞設(shè)計指針。公路鋼橋疲勞設(shè)計指針。該項該項研究、改進仍研究、改進仍在在繼續(xù)。這種促進鋼繼續(xù)。這種促進鋼橋面板發(fā)展的思路也值得我們吸收。橋面板發(fā)展的思路也值得我們吸收。1.前言2.日本鋼橋面板應(yīng)用概況2.1 鋼橋面板特長鋼橋面板特長（1 1）自重輕）自重輕可延伸跨長可延伸跨長有利于提高橋梁抗震性能有利于提高橋梁抗震性能有利于在軟基上建橋有利于在軟基上建橋用于更換既有橋損壞的用于更換既有橋損壞的RCRC橋面板橋面

4、板（2 2）鋼橋面板與主梁組成一體結(jié)構(gòu)）鋼橋面板與主梁組成一體結(jié)構(gòu)既作為承受交通荷載的橋面板又作為主梁上翼緣一部分參與共同工作，經(jīng)濟性優(yōu)既作為承受交通荷載的橋面板又作為主梁上翼緣一部分參與共同工作，經(jīng)濟性優(yōu)便于采用頂推法和大段架設(shè)法施工，可縮短工期便于采用頂推法和大段架設(shè)法施工，可縮短工期適合于需快速施工的城市高架橋適合于需快速施工的城市高架橋（3 3）適應(yīng)復雜線形橋梁建設(shè)，例如：）適應(yīng)復雜線形橋梁建設(shè)，例如：曲率較大的曲線橋曲率較大的曲線橋?qū)挾燃彼僮兓臉蛄簩挾燃彼僮兓臉蛄撼鞘芯€形變化的橋梁城市線形變化的橋梁互通立交、匝道橋等互通立交、匝道橋等2.日本鋼橋面板應(yīng)用概況2.2 日本應(yīng)用歷程日

5、本應(yīng)用歷程（1 1）應(yīng)用歷程）應(yīng)用歷程19541954年建成第一座鋼橋面板簡支板梁橋，跨長年建成第一座鋼橋面板簡支板梁橋，跨長17.2m17.2m。19591959年建成第一座五跨連續(xù)鋼箱梁橋。此后，跨長年建成第一座五跨連續(xù)鋼箱梁橋。此后，跨長50m50m 120m120m范圍內(nèi)，連范圍內(nèi)，連續(xù)鋼箱梁是日本采用最多的橋式之一。續(xù)鋼箱梁是日本采用最多的橋式之一。19701970年代以后，鋼橋面開始用于鋼桁梁、鋼拱橋。年代以后，鋼橋面開始用于鋼桁梁、鋼拱橋。19801980年代以后，鋼橋面板又用于大跨度懸索橋和斜拉橋的鋼主梁。年代以后，鋼橋面板又用于大跨度懸索橋和斜拉橋的鋼主梁。依據(jù)架設(shè)單元的運輸

6、條件和對抗風穩(wěn)定性的理解，索支撐橋的主梁分為依據(jù)架設(shè)單元的運輸條件和對抗風穩(wěn)定性的理解，索支撐橋的主梁分為鋼桁梁和扁平鋼箱梁。對于鋼桁梁，依據(jù)對主梁的受力性能、施工性和鋼桁梁和扁平鋼箱梁。對于鋼桁梁，依據(jù)對主梁的受力性能、施工性和維護性的理解，分為板維護性的理解，分為板桁剛性接合（高強度螺栓連接或焊接）和非接桁剛性接合（高強度螺栓連接或焊接）和非接合（鋼橋面板縱梁連續(xù)支撐在主桁橫梁上）。合（鋼橋面板縱梁連續(xù)支撐在主桁橫梁上）。2.日本鋼橋面板應(yīng)用概況（2 2）日本鋼橋面板結(jié)構(gòu)的變化）日本鋼橋面板結(jié)構(gòu)的變化日本鋼橋面板自歐洲引入，并吸取了歐洲特別是德國在初始階段的經(jīng)驗日本鋼橋面板自歐洲引入，并吸

7、取了歐洲特別是德國在初始階段的經(jīng)驗教訓。例如在縱肋上沒有花費更多時間進行斷面形式比選，教訓。例如在縱肋上沒有花費更多時間進行斷面形式比選，19501950年代中期年代中期至至19701970年代初直接采用板式肋，年代初直接采用板式肋， 70 70年代中期以后均采用年代中期以后均采用U U型肋，在面板厚型肋，在面板厚度、度、U U肋剛度、橫肋間距三者的匹配性，三者之間連接的構(gòu)造設(shè)計（包括橫肋剛度、橫肋間距三者的匹配性，三者之間連接的構(gòu)造設(shè)計（包括橫肋過焊孔尺寸、弧形切口形狀和尺寸）、制造時的焊接和加工等進行了不肋過焊孔尺寸、弧形切口形狀和尺寸）、制造時的焊接和加工等進行了不斷的改進。斷的改進。日

8、本日本“面板厚度、縱向面板厚度、縱向U U肋斷面、橫肋間距肋斷面、橫肋間距”匹配性設(shè)計的演變：匹配性設(shè)計的演變：面板厚度（面板厚度（mmmm）12121414、16161818、1919U U肋斷面（寬肋斷面（寬X X厚厚X X高高-R-m-R-m）（mmmm）320X6X240-40-320X6X240-40-1:4.51:4.5320X6X260-40-320X6X260-40-1:4.51:4.5320X8X240-40-320X8X240-40-1:4.51:4.5320X8X260-40-320X8X260-40-1:4.51:4.5440X8X343-40-440X8X343-40

9、-1:4.51:4.5450X9X330-45-450X9X330-45-1:4.51:4.5橫肋間距（橫肋間距（m m）2.02.52.02.53.03.753.03.754.05.04.05.0設(shè)計規(guī)范設(shè)計規(guī)范19831983版版20022002年版年版尚未納入設(shè)計規(guī)范尚未納入設(shè)計規(guī)范2.2 日本應(yīng)用歷程日本應(yīng)用歷程2.日本鋼橋面板應(yīng)用概況 日本為了改善公路鋼橋面板的疲勞性能和減少制造時的日本為了改善公路鋼橋面板的疲勞性能和減少制造時的縱縱向向U U數(shù)量和數(shù)量和焊接工作量，在保持鋼橋面輕板型化的基礎(chǔ)上，對焊接工作量，在保持鋼橋面輕板型化的基礎(chǔ)上，對大斷面大斷面U U肋鋼橋面板（肋鋼橋面板（

10、U U肋斷面、面板厚度、橫肋處弧形切口肋斷面、面板厚度、橫肋處弧形切口形狀和尺寸）進行了許多研究形狀和尺寸）進行了許多研究，并已在多座橋梁上應(yīng)用，以并已在多座橋梁上應(yīng)用，以期獲得實橋長期運營的檢驗。為慎重起見，至今仍未納入設(shè)期獲得實橋長期運營的檢驗。為慎重起見，至今仍未納入設(shè)計規(guī)范。以下列舉了大斷面計規(guī)范。以下列舉了大斷面U U肋在連續(xù)鋼箱梁、桁肋在連續(xù)鋼箱梁、桁梁梁橋和拱橋橋和拱橋上的應(yīng)用實例上的應(yīng)用實例（1 1）大斷面）大斷面U U肋應(yīng)用實例肋應(yīng)用實例2.3 大斷面大斷面U U肋肋的探索的探索 2.日本鋼橋面板應(yīng)用概況實例實例1 1、連續(xù)鋼箱梁中的鋼橋面板、連續(xù)鋼箱梁中的鋼橋面板2.3 大

11、斷面大斷面U U肋肋的探索的探索2.日本鋼橋面板應(yīng)用概況連續(xù)鋼箱梁橋面板厚，連續(xù)鋼箱梁橋面板厚，U U肋斷面，橫肋間距三者的匹配性與橫肋腹肋斷面，橫肋間距三者的匹配性與橫肋腹板弧形切口形狀如下表所示板弧形切口形狀如下表所示2.3 大斷面大斷面U U肋肋的探索的探索面板厚度面板厚度U U肋斷面肋斷面橫肋間距橫肋間距弧形切口形狀弧形切口形狀1818 mmmm440X330X8-40 (mm)440X330X8-40 (mm)5.0 m5.0 m18 mm18 mm454X332X9-45 (mm)454X332X9-45 (mm)4.0 m4.0 m19 mm19 mm450X330X8-40 (

12、mm)450X330X8-40 (mm)5.0 m5.0 m2.日本鋼橋面板應(yīng)用概況實例實例2 2、東京灣臨海大橋、東京灣臨海大橋2.3 大斷面大斷面U U肋肋的探索的探索2.日本鋼橋面板應(yīng)用概況2.3 大斷面大斷面U U肋肋的探索的探索實例實例3 3、新名神高速公路朝明川拱橋、新名神高速公路朝明川拱橋 橫肋間距橫肋間距 4 4m m3. 縱向板式肋鋼橋面板代表性疲勞裂紋3.1 縱向板式肋的構(gòu)造縱向板式肋的構(gòu)造 板式肋是指板肋和球扁鋼肋，作為縱肋與面板、橫肋的板式肋是指板肋和球扁鋼肋，作為縱肋與面板、橫肋的構(gòu)造和橫肋的形構(gòu)造和橫肋的形狀狀如圖如圖3.1 3.1 所示。在日本縱向板式肋鋼橋面所示

13、。在日本縱向板式肋鋼橋面板于板于1960年年 1970年代被應(yīng)用年代被應(yīng)用于于 鋼橋，鋼橋，70年代后期很快改用抗彎抗扭剛度更大的倒梯型肋（年代后期很快改用抗彎抗扭剛度更大的倒梯型肋（U肋），在肋），在曲梁上仍采用板式肋，但橫肋間距控制在曲梁上仍采用板式肋，但橫肋間距控制在2.0m 2.5m。3. 縱向板式肋鋼橋面板代表性疲勞裂紋及原因 日本上世紀日本上世紀60 70年代建成的連續(xù)鋼箱年代建成的連續(xù)鋼箱梁中，服役約梁中，服役約15 20年后在鋼橋面上發(fā)現(xiàn)年后在鋼橋面上發(fā)現(xiàn)許多許多裂紋，裂紋總數(shù)裂紋，裂紋總數(shù)3500例例，各類裂紋比，各類裂紋比例如下表所示。例如下表所示。裂紋類型比例縱肋與橫肋/

14、橫隔板之間角焊縫，上端過焊孔處0.5%縱肋下端與橫肋/橫隔板之間角焊縫下端弧形切口處67.6%面板與橫肋/橫隔板之間角焊縫處10.3%橫肋/橫隔板與縱肋下翼緣相交的弧形切口母材處12.9%面板與主梁腹板垂直加勁肋間角焊縫處6.3%面板與縱肋間角焊縫處0.6%橫肋/橫隔板與主梁腹板之間角焊縫處0.2%縱肋與端橫隔板間的角焊縫處1.7%3.2 板式肋鋼橋面板疲勞裂紋類型及比例板式肋鋼橋面板疲勞裂紋類型及比例3. 縱向板式肋鋼橋面板代表性疲勞裂紋及原因 通常，縱向板式肋貫通，橫肋上設(shè)置弧形切口，兩者之間用單側(cè)角焊縫連接，由于幾何形狀的突變，該區(qū)域應(yīng)力集中較高，而且組裝精度和因弧形切口窄小焊接質(zhì)量等難

15、以確保，所以由焊縫端部引發(fā)的疲勞裂紋較多，如圖3.3所示的型裂紋約占裂紋總數(shù)的67.6% 發(fā)生的原因：大型車輛輪載作用在橫肋正上方時，由于橫肋的彎曲變形和剪切變形，在板肋圍焊處產(chǎn)生很高的應(yīng)力集中而引發(fā)出疲勞裂紋?？v肋與面板角焊縫處在橫肋設(shè)置過焊孔時，于橫肋圍焊趾部產(chǎn)生裂紋，如圖3.3中型裂紋。3.3 縱向板式肋與橫肋之間焊接處疲勞裂紋縱向板式肋與橫肋之間焊接處疲勞裂紋3. 縱向板式肋鋼橋面板代表性疲勞裂紋及原因 構(gòu)造原因：橫肋與面板之間角焊縫，在小間隙應(yīng)力集中處，特別是圍焊，難以確保焊接質(zhì)量。 力學因素：大型車的輪載縱向通過時，橫肋產(chǎn)生很高的壓應(yīng)力，并且面板在小間隙處產(chǎn)生面外變形，橫肋產(chǎn)生縱向

16、面外變形，由此產(chǎn)生次彎曲應(yīng)力。 裂紋形態(tài)：裂紋起源焊縫端部沿焊趾于橫肋側(cè)擴展。裂紋沿面板側(cè)焊趾擴展較少。3.4 面板與橫肋之間角焊縫處疲勞裂紋面板與橫肋之間角焊縫處疲勞裂紋3. 縱向板式肋鋼橋面板代表性疲勞裂紋及原因 裂紋發(fā)生的原因：車輛通過時，由于橫肋的彎曲變形和剪切變形在弧形切口R部產(chǎn)生很高的應(yīng)力集中。 縱肋下端橫肋弧形切口R部母材處因倒棱不良和殘存的焰切缺陷等而引發(fā)的疲勞裂紋。所有裂紋都發(fā)生在縱橫肋焊接一側(cè)的R部。3.5 橫肋弧形切口母材處疲勞裂紋橫肋弧形切口母材處疲勞裂紋3. 縱向板式肋鋼橋面板代表性疲勞裂紋及原因 由于縱向板式肋兩側(cè)均用角焊縫與面板連接，裂紋事例很少，僅占總數(shù)的0.6

17、%。 裂紋一般發(fā)生在橫肋過焊孔處的板肋側(cè)的焊趾處。3.6 縱向板式肋與面板之間角焊縫處裂紋縱向板式肋與面板之間角焊縫處裂紋3. 縱向板式肋鋼橋面板代表性疲勞裂紋及原因 當車輪通過豎向加勁肋正上方時，面板面外變形引起圍焊及角焊縫焊趾處很大的次彎曲應(yīng)力，從而引發(fā)裂紋。-1裂紋是源于圍焊焊趾并裂穿面板。-2裂紋是源于角焊縫焊趾并裂穿面板。3.7 面板與主梁腹板垂直加勁肋之間的角焊縫端部的疲勞裂紋面板與主梁腹板垂直加勁肋之間的角焊縫端部的疲勞裂紋3. 縱向板式肋鋼橋面板代表性疲勞裂紋及原因 該類裂紋發(fā)生事例較少。一旦產(chǎn)生即向主梁腹板母材擴展，將會導致橋梁破壞的嚴重后果。3.8 橫肋與主梁腹板之間角焊縫

18、處的疲勞裂紋橫肋與主梁腹板之間角焊縫處的疲勞裂紋3. 縱向板式肋鋼橋面板代表性疲勞裂紋及原因 在輪載作用下縱向板式肋的豎向彎曲變形引起的端橫隔板的面外變形，而且，伸縮縫附近，輪載沖擊力增大，進一步加大了這種面外變形產(chǎn)生的次彎曲應(yīng)力。3.9 縱向板肋與端橫梁隔板之間角焊縫處裂紋縱向板肋與端橫梁隔板之間角焊縫處裂紋4. 縱向U形鋼橋面板代表性疲勞裂紋及原因4.1 縱向縱向U型肋鋼橋面板的構(gòu)造型肋鋼橋面板的構(gòu)造縱向U肋鋼橋面板的構(gòu)造和橫肋腹板的弧形切口形狀和尺寸如圖4.1所示應(yīng)用概況：1、日本自1980年代，正式用U肋取代板式肋。2、U肋尺寸由320X6X240型改為320X8X260型。自1990

19、年代以后，陸續(xù)試用大斷面U肋。4.2 U型鋼橋面板代表性疲勞裂紋類型及比例型鋼橋面板代表性疲勞裂紋類型及比例裂紋類型比例縱肋與橫肋/橫隔板之間角焊縫上端過焊孔處0.9%縱肋與橫肋/橫隔板之間角焊縫下端弧形切口處38.2%面板與主梁腹板豎向加勁肋間角焊縫處31.5%面板與縱肋間角焊縫處18.9%縱肋現(xiàn)場接頭節(jié)段之間過焊孔處0.6%面板與橫肋/橫隔板之間角焊縫處2.3%縱肋與縱肋鋼墊板對接焊縫處5.7%縱肋與端橫隔板間的角焊縫處1.7%橫肋與主梁腹板之間角焊縫處0.2%4. 縱向U形鋼橋面板代表性疲勞裂紋及原因圖4.2各類裂紋比例注：（1）日本首都高速公路和阪神高速公路兩線中連續(xù)鋼箱梁橋鋼橋面板代

20、表性疲勞裂紋調(diào)查匯總。（2）橋梁服役1520年后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)上述裂紋。（3）各類型裂紋比例如圖3.2所示，裂紋總數(shù)約7000例。4.3 U肋與橫肋交叉處裂紋肋與橫肋交叉處裂紋4. 縱向U形鋼橋面板代表性疲勞裂紋及原因產(chǎn)生裂紋的原因 （1）構(gòu)造因素：通?？v肋貫通，橫肋上設(shè)置弧形切口，橫肋與U肋兩側(cè)用角焊縫連接，這種幾何形狀造成很高的應(yīng)力集中，而且組裝精度和窄小的過焊孔和弧形切口的圍焊等，確保焊接質(zhì)量難度較大。所以從圍焊趾部引發(fā)的疲勞裂紋較多。 （2）力學因素：圖中-1、 -1型裂紋源于圍焊端的趾部，向U肋母材擴展。原因是，當輪載作用在橫肋上方時，由于橫肋豎向彎曲變形，U肋側(cè)板產(chǎn)生面外變形，受兩者之間

21、角焊縫的約束產(chǎn)生很大的次彎曲應(yīng)力。圖中-2、 -2型裂紋源于焊端沿焊趾向橫肋擴展。原因是，當輪載在U肋上方縱向移動時，U肋的彎曲變形帶動橫肋面外變形，受角焊縫的約束產(chǎn)生很大的次彎曲應(yīng)力。圖4.3-1-2 -1 -24.4 面板與主梁腹板豎向加勁肋之間焊縫處裂紋面板與主梁腹板豎向加勁肋之間焊縫處裂紋4. 縱向U形鋼橋面板代表性疲勞裂紋及原因 當車輪從立梁腹板的豎向加勁肋上方或附近通過時，面板產(chǎn)生面外變形，在圍焊趾部產(chǎn)生很大的彎曲因而引發(fā)裂紋。 圖中裂紋-1由加勁肋側(cè)焊趾引發(fā)，裂紋-2由面板側(cè)焊趾引發(fā)，并向面板厚度方向擴展，直至裂穿。-2-1圖4.44.5 縱向縱向U肋與面板之間角焊縫處疲勞裂紋肋與面板之間角焊縫處疲勞裂紋4. 縱向U形鋼橋面板代表性疲勞裂紋及原因產(chǎn)生裂紋的原因： （1）構(gòu)造因素：U肋與面板之間的角焊縫通常從U肋外單側(cè)俯姿施焊。以前使用6mm厚的U肋時，用自然坡口焊接，焊根存有小間隙；8mm厚的U肋雖然要開坡口焊接，但熔透深度沒有實施有效的施工管理。2002年的公路鋼橋設(shè)計規(guī)范才明確要求確保熔透深度達到75%板厚。 （2）受力因素：當車輪從角焊縫上方或左右側(cè)縱向移動時，角焊縫根部小間隙處產(chǎn)生張開和閉合，引起很大的次應(yīng)力集中，從而引發(fā)裂紋。 （3）裂紋形態(tài)：由于