鋼橋面板的抗疲勞耐久性

1、1鋼橋面板的抗疲勞耐久性鋼橋面板的抗疲勞耐久性中國(guó)鐵道科學(xué)研究院中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 史永吉史永吉20152015年年1010月月鋼橋面板疲勞裂紋系列講座之四鋼橋面板疲勞裂紋系列講座之四（第二版）（第二版）2提提 綱綱0 前言1 鋼橋面板結(jié)構(gòu)特征及疲勞2 鋼橋面板的疲勞設(shè)計(jì)方法3 鋼橋面板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4 鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)5 對(duì)鋼橋面板制造（焊接）的要求30.0.前言前言 對(duì)于大跨度橋梁而言，減輕自重、延伸跨長(zhǎng)一直是橋梁工作者努力的目標(biāo)。顯然，“鋼橋+鋼橋面板”結(jié)構(gòu)是不二的選擇。前國(guó)際橋協(xié)主席伊藤學(xué)教授在大跨度橋梁面向21世紀(jì)的挑戰(zhàn)一書中，就材料和結(jié)構(gòu)形式等作了展望。 另一方面，正交異性鋼橋面板

2、用較少的鋼材組成的正交異性板結(jié)構(gòu)，雖有很大的靜力承載力，但是由于鋼橋面板的特殊結(jié)構(gòu)特征、受力行為和嚴(yán)厲的疲勞環(huán)境，易產(chǎn)生疲勞裂紋，極大地困擾了其應(yīng)用。 面對(duì)這一兩難的課題，各國(guó)學(xué)者花費(fèi)了大量的精力和財(cái)力，持續(xù)不斷地進(jìn)行了探索。自60年前用于橋梁以來，經(jīng)過一次次研究試驗(yàn)改進(jìn)實(shí)橋服役檢驗(yàn)，現(xiàn)已大大改善了鋼橋面板的抗疲勞性能。這里不談這一探索過程，僅就探索結(jié)果，即鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞設(shè)計(jì)方法作一介紹，以供參考。41.1.鋼橋面板結(jié)構(gòu)特征及疲勞鋼橋面板結(jié)構(gòu)特征及疲勞1.1 1.1 公路鋼橋橋面板的類型及特點(diǎn)公路鋼橋橋面板的類型及特點(diǎn)類型類型特點(diǎn)特點(diǎn)RCRC橋面板橋面板應(yīng)用最早，自有公路鋼橋起就采用R

3、C橋面板自重大，不利于向大跨度延伸RC橋面板裂紋問題難以解決，維修費(fèi)高。早期的RC橋面板已逐步更換成鋼橋面板和組合橋面板PCPC橋面板橋面板作為改善RC橋面板的裂紋而被采用施工復(fù)雜，工期長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力的效率較低,作用在混凝土板和鋼梁上的預(yù)應(yīng)力分配不明確應(yīng)用實(shí)例相對(duì)較少鋼橋面板（正交異性板）鋼橋面板（正交異性板）重量輕，是大跨度鋼梁難以取代的橋面結(jié)構(gòu)在勻布荷載或集中荷載作用下有很大的極限承載力在汽車輪載作用下產(chǎn)生“鼓曲”狀變形，在焊接約束處產(chǎn)生次彎曲應(yīng)力集中，易引發(fā)疲勞裂紋。對(duì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)和焊工的技能水平要求較嚴(yán)鋼鋼混凝土組合橋面板混凝土組合橋面板組合板剛度較大，自重略大于鋼橋面板，低于RC橋面

4、板，可有效改善RC橋面板的裂紋近年來應(yīng)用實(shí)例逐漸增多51.2 1.2 鋼橋面板的結(jié)構(gòu)特征及傳力途徑鋼橋面板的結(jié)構(gòu)特征及傳力途徑（1）結(jié)構(gòu)特征及受力行為鋼橋面板為正交異性板（Orthotropic Plate）結(jié)構(gòu)，由面板、縱肋和橫肋組成，三者互為垂直，焊接成整體而共同工作。在均布荷載或集中荷載作用下有很大的極限承載力，非常適合既可縱向移動(dòng)、又可橫向移動(dòng)的交通荷載（如汽車荷載）。但是，鋼橋面板在縱向和橫向的結(jié)構(gòu)性能不同，在輪載作用下是一個(gè)影響面受力，產(chǎn)生“鼓曲”狀變形，導(dǎo)致面板、縱肋和橫肋的面外變形，并在焊接連接約束處產(chǎn)生較大的次應(yīng)力集中，易引發(fā)疲勞裂紋。而主桁/主梁是承受作用在橋面板上的全部荷

5、載，并按影響線加載來計(jì)算構(gòu)件內(nèi)力和各細(xì)節(jié)斷面名義應(yīng)力。因此，疲勞設(shè)計(jì)時(shí)，統(tǒng)計(jì)作用在鋼橋面板上運(yùn)營(yíng)荷載譜并精確計(jì)算各細(xì)節(jié)的局部次彎曲應(yīng)力，建立各細(xì)節(jié)的疲勞抗力曲線，要比主桁/主梁復(fù)雜困難得多。1.1.鋼橋面板結(jié)構(gòu)特征及疲勞鋼橋面板結(jié)構(gòu)特征及疲勞61.2 1.2 鋼橋面板的結(jié)構(gòu)特征及傳力途徑鋼橋面板的結(jié)構(gòu)特征及傳力途徑（2）功能及傳力途徑功能：鋼橋面板既作為直接承受交通荷載的結(jié)構(gòu)，又作為主梁上翼緣的一部分參與主梁共同工作。傳力途徑：交通荷載帶有縱、橫肋的橋面板橫梁（橫隔板）主梁 支座支座墩臺(tái)墩臺(tái)基礎(chǔ)基礎(chǔ)地基（連續(xù)鋼梁橋）地基（連續(xù)鋼梁橋） 吊索、主纜或斜拉索吊索、主纜或斜拉索主塔主塔基礎(chǔ)基礎(chǔ)地基（

6、索支撐橋梁）地基（索支撐橋梁）1.1.鋼橋面板結(jié)構(gòu)特征及疲勞鋼橋面板結(jié)構(gòu)特征及疲勞71.3 1.3 鋼橋面板的嚴(yán)厲疲勞環(huán)境鋼橋面板的嚴(yán)厲疲勞環(huán)境（1）受力次數(shù)多交通規(guī)則規(guī)定，重載車輛在外側(cè)車道上行駛，每通過一個(gè)輪載，在相應(yīng)構(gòu)造細(xì)節(jié)產(chǎn)生一次應(yīng)力循環(huán)，以平均每天5000輛運(yùn)量為計(jì)，100年設(shè)計(jì)壽命內(nèi)將發(fā)生108次以上應(yīng)力循環(huán)。（2）輪載軸重離散性大由于路面不平整、伸縮縫處路面高差、行車速度不同和超載等因素的影響，輪載軸重離散性較大。日本一項(xiàng)研究報(bào)告中，在額定軸重4t的輪軸上安裝了測(cè)力計(jì)，實(shí)測(cè)1.4108次，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，均值為2.28t，標(biāo)準(zhǔn)偏差4.2t，最大值為30.4t。1.1.鋼橋面板結(jié)構(gòu)特

7、征及疲勞鋼橋面板結(jié)構(gòu)特征及疲勞81.3 1.3 鋼橋面板的嚴(yán)厲疲勞環(huán)境鋼橋面板的嚴(yán)厲疲勞環(huán)境 （3）加載位置不固定 汽車輪載既可縱向移動(dòng)，也可橫向移動(dòng)，對(duì)于同一構(gòu)造細(xì)節(jié)，不同加載位置在該細(xì)節(jié)產(chǎn)生的應(yīng)力幅值有很大差異。從而導(dǎo)致輪載加載的不同位置會(huì)引發(fā)不同類型的裂紋。 （4）活載應(yīng)力/恒載應(yīng)力比值大 鋼橋面板是直接承受交通荷載的結(jié)構(gòu)，活載應(yīng)力l和恒活載應(yīng)力l+d之比約為50%以上，而主梁構(gòu)件的l/l+d15%。因此，對(duì)于鋼橋面板而言，引起疲勞的應(yīng)力幅較大。 （5）近來大型重載車輛的流量越來越大，軸重有逐漸增大的趨勢(shì)。1.1.鋼橋面板結(jié)構(gòu)特征及疲勞鋼橋面板結(jié)構(gòu)特征及疲勞91.4 1.4 鋼橋面板的疲

8、勞裂紋鋼橋面板的疲勞裂紋至今為止，各國(guó)鋼橋面板發(fā)生的疲勞裂紋類別達(dá)17種以上，如圖1.1所示，頻發(fā)的有7種。絕大部分是面外變形受到焊接連接約束而產(chǎn)生次應(yīng)力集中而引發(fā)。圖1.1 鋼橋面板各種 裂紋的匯總1.1.鋼橋面板結(jié)構(gòu)特征及疲勞鋼橋面板結(jié)構(gòu)特征及疲勞101.4 1.4 鋼橋面板的疲勞裂紋鋼橋面板的疲勞裂紋注：面板縱向?qū)雍缚p裂紋； 縱肋現(xiàn)場(chǎng)鋼襯墊對(duì)接焊縫處裂紋； 縱肋與面板間的角焊縫焊趾處裂紋； 縱肋與面板間的角焊縫焊跟處裂紋； 橫肋與面板間角焊縫焊趾處裂紋； 面板與豎向加勁肋角焊縫端部焊趾處裂紋； 面板與豎向加勁肋側(cè)面角焊縫焊趾處裂紋； 面板與角撐板間角焊縫焊趾處裂紋； 橫肋與縱肋交叉處，

9、橫肋側(cè)焊趾處裂紋； 橫肋與縱肋交叉處，弧形缺口母材處裂紋； 11縱肋與橫肋角焊縫處橫肋焊趾處裂紋； 12橫肋與角撐角焊縫處裂紋； 13豎向加勁肋與角撐板角焊縫處裂紋； 14端橫梁與縱肋角焊縫處裂紋； 15橫肋下翼緣與腹板角焊縫端部裂紋； 16橫肋下翼緣與豎向加勁肋角焊縫處裂紋； 17箱內(nèi)橫撐節(jié)點(diǎn)板處裂紋。1.1.鋼橋面板結(jié)構(gòu)特征及疲勞鋼橋面板結(jié)構(gòu)特征及疲勞112.2.鋼橋面板的疲勞設(shè)計(jì)鋼橋面板的疲勞設(shè)計(jì)2.1 2.1 鋼橋的疲勞設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介鋼橋的疲勞設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介（1）疲勞設(shè)計(jì)方法目前鋼橋的疲勞設(shè)計(jì)方法可分為以下幾種：構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞應(yīng)力等級(jí)分類法采用疲勞荷載或疲勞荷載譜，計(jì)算被評(píng)定細(xì)節(jié)構(gòu)件斷面的名

10、義應(yīng)力i及相應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)ni（即應(yīng)力譜），依據(jù)Miner線性累積損傷定律，求得等效等幅應(yīng)力eq及ni，然后與給定的等幅容許疲勞抗力曲線N進(jìn)行比較，最后判別。miiminn1eq)(Miner定律：122.1 2.1 鋼橋的疲勞設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介鋼橋的疲勞設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介判別式：eqf圖2.1 疲勞抗力設(shè)計(jì)曲線該方法有扎實(shí)的研究和實(shí)橋長(zhǎng)期服役驗(yàn)證的基礎(chǔ)，是鋼橋較成熟的疲勞設(shè)計(jì)方法。2.2.鋼橋面板的疲勞設(shè)計(jì)鋼橋面板的疲勞設(shè)計(jì)132.1 2.1 鋼橋的疲勞設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介鋼橋的疲勞設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)法結(jié)構(gòu)若存在面外變形的小間隙（gap），由于難以精確計(jì)算該處的面外變形及由此產(chǎn)生的次彎曲應(yīng)力，而且又沒有

11、該細(xì)節(jié)的疲勞設(shè)計(jì)曲線，則可利用構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)法，確保結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)不產(chǎn)生疲勞裂紋，而不需要進(jìn)行計(jì)算判別。如板梁腹板豎向加勁肋與翼緣之間小間隙（gap）處，若因偏心荷載、橫向振動(dòng)或其他原因產(chǎn)生出腹板的面外變形，易引發(fā)疲勞裂紋。后經(jīng)有效的足尺疲勞試驗(yàn)，建立了該構(gòu)造細(xì)節(jié)的規(guī)定：gap8tw。經(jīng)過約40年的實(shí)橋檢驗(yàn)，證明有足夠的抗疲勞耐久性。2.2.鋼橋面板的疲勞設(shè)計(jì)鋼橋面板的疲勞設(shè)計(jì)142.1 2.1 鋼橋的疲勞設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介鋼橋的疲勞設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介該方法已作為方法的補(bǔ)充，列入鋼橋疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范。twgap豎向加勁肋出腹板面外變形圖2.2板梁腹板的小間隙2.2.鋼橋面板的疲勞設(shè)計(jì)鋼橋面板的疲勞設(shè)計(jì)面外變形

12、在小間隙約束處產(chǎn)生的次彎曲應(yīng)力按下式計(jì)算：式中K為修正系數(shù)，為面外變形值，tw為腹板厚度，g為小間隙值。152.1 2.1 鋼橋的疲勞設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介鋼橋的疲勞設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介熱點(diǎn)應(yīng)力評(píng)定法對(duì)于管結(jié)構(gòu)，主管與支管趾部焊接處易產(chǎn)生疲勞裂紋。疲勞試驗(yàn)表明，若用主管斷面的名義應(yīng)力對(duì)所有試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，各數(shù)據(jù)無線性相關(guān)性，不能建立疲勞曲線；若用趾部熱點(diǎn)應(yīng)力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，各數(shù)據(jù)有很好的線性相關(guān)性，從而建立了管管接頭的疲勞抗力曲線。熱點(diǎn)應(yīng)力的計(jì)算方法有FEM法和5點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)力外推法。該方法已納入海洋平臺(tái)等管結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范。圖2.3 管管接頭2.2.鋼橋面板的疲勞設(shè)計(jì)鋼橋面板的疲勞設(shè)計(jì)圖2.4 管結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)

13、計(jì)曲線162.1 2.1 鋼橋的疲勞設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介鋼橋的疲勞設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介斷裂力學(xué)評(píng)定法該方法針對(duì)服役的結(jié)構(gòu)，若已發(fā)現(xiàn)裂紋（包括制造時(shí)漏檢的裂紋），并已探明裂紋的形狀和尺寸，則可應(yīng)用裂紋擴(kuò)展速率表達(dá)式來計(jì)算初始裂紋尺寸ai擴(kuò)展至臨界裂紋尺寸ac（即斷裂）時(shí)的壽命，亦即剩余壽命，以便掌握修復(fù)加固或更換的時(shí)期。裂紋擴(kuò)展速率：裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子：2.2.鋼橋面板的疲勞設(shè)計(jì)鋼橋面板的疲勞設(shè)計(jì)172.1 2.1 鋼橋的疲勞設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介鋼橋的疲勞設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介通過積分求得裂紋擴(kuò)展壽命：式中a為裂紋深度，Np為裂紋擴(kuò)展壽命，C、n為材料常數(shù)，K為裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子，Kth為應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值，為應(yīng)力幅，F(xiàn)1、

14、F2、F3、F4、F5為應(yīng)力集中、裂紋形狀、表面裂紋、有限板厚和有限板寬、偏心等因素的修正系數(shù)。該方法雖已在少量工程中應(yīng)用，但要求對(duì)裂紋的探測(cè)精度高，計(jì)算較復(fù)雜，推廣有難度。2.2.鋼橋面板的疲勞設(shè)計(jì)鋼橋面板的疲勞設(shè)計(jì)182.1 2.1 鋼橋的疲勞設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介鋼橋的疲勞設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介全壽命計(jì)算評(píng)估法在循環(huán)荷載作用下，疲勞裂紋由應(yīng)力集中區(qū)萌生、擴(kuò)展，直至斷裂。將超過屈服應(yīng)力的應(yīng)力集中區(qū)視為塑性區(qū)，屬于應(yīng)變疲勞（低周次疲勞），從而將塑性區(qū)疲勞斷裂的壽命定義為裂紋萌生壽命（Ni），后續(xù)的裂紋擴(kuò)展至斷裂定義為裂紋擴(kuò)展壽命（Np），則全壽命表達(dá)式為：NT= Ni + Np該方法有較強(qiáng)的理論基礎(chǔ)，但要對(duì)所有

15、構(gòu)造細(xì)節(jié)建立全壽命估算的表達(dá)式，尚需進(jìn)一步的深入研究。目前尚未達(dá)到實(shí)用程度。2.2.鋼橋面板的疲勞設(shè)計(jì)鋼橋面板的疲勞設(shè)計(jì)192.22.2 不同疲勞設(shè)計(jì)方法的適用性分析不同疲勞設(shè)計(jì)方法的適用性分析由前述鋼橋面板的結(jié)構(gòu)特征、受力行為、疲勞裂紋類型及其產(chǎn)生的原因,以及各種疲勞設(shè)計(jì)方法的適用性可知：（1）對(duì)于鋼橋面板而言，上節(jié)所述的方法，即基于構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞應(yīng)力（構(gòu)件斷面名義應(yīng)力）等級(jí)設(shè)計(jì)法是不可行的。其一，鋼橋面板的絕大部分疲勞裂紋是伴隨著結(jié)構(gòu)“鼓曲”狀變形迫使面板、縱肋、橫肋產(chǎn)生面外變形，受焊接連接約束產(chǎn)生次應(yīng)力集中而引發(fā)的，也難以精確計(jì)算裂紋部位的應(yīng)力譜，而且這不是構(gòu)件斷面的名義應(yīng)力；其二，也沒

16、有這些構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞抗力曲線可供評(píng)定。2.2.鋼橋面板的疲勞設(shè)計(jì)鋼橋面板的疲勞設(shè)計(jì)202.22.2 不同疲勞設(shè)計(jì)方法的適用性分析不同疲勞設(shè)計(jì)方法的適用性分析（2）方法構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞設(shè)計(jì)法適用鋼橋面板中大多數(shù)因面外變形在約束處引發(fā)的疲勞裂紋，按該方法設(shè)計(jì)后不需要進(jìn)行疲勞應(yīng)力檢算，就具備長(zhǎng)壽命疲勞抗力，大大簡(jiǎn)化了疲勞設(shè)計(jì)，詳見第2.3節(jié)和第3、4、5章。對(duì)于縱向U肋現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接接頭，雖然可用方法進(jìn)行疲勞應(yīng)力檢算，但是疲勞抗力較低、離散性較大的鋼襯墊板對(duì)接焊接頭改為疲勞抗力較高的摩擦型HTB對(duì)接接頭，也可免于疲勞應(yīng)力檢算。（3）方法是針對(duì)管結(jié)構(gòu)的，鋼橋面板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及受力行為與管結(jié)構(gòu)完全不同，目前尚無這些

17、構(gòu)造細(xì)節(jié)的熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算方法和疲勞抗力曲線。（4）方法與評(píng)定目標(biāo)有出入。（5）方法本身尚未達(dá)到實(shí)用化。2.2.鋼橋面板的疲勞設(shè)計(jì)鋼橋面板的疲勞設(shè)計(jì)212.32.3 鋼橋面板的構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞設(shè)計(jì)法鋼橋面板的構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞設(shè)計(jì)法（1）近期研究鋼橋面板自重輕，具有很高的靜力極限承載力，雖然在初期應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)了大量的疲勞裂紋，但是對(duì)于大跨度橋梁而言，其具有無可替代的優(yōu)越性。所以長(zhǎng)期以來各國(guó)花費(fèi)大量的人力、物力對(duì)其進(jìn)行研究、改進(jìn)、實(shí)橋服役驗(yàn)證，特別是上世紀(jì)90年代以來，進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的研究，為鋼橋面板采用構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞設(shè)計(jì)法打下了基礎(chǔ)：3D FEM（實(shí)體元）分析，如U肋與面板部分熔透角焊縫焊跟處、弧形切口約束

18、處等。對(duì)主要構(gòu)造細(xì)節(jié)進(jìn)行足尺模型的疲勞試驗(yàn)，采用實(shí)際移動(dòng)輪載或模擬移動(dòng)輪載加載。對(duì)易發(fā)生裂紋的細(xì)節(jié)不斷進(jìn)行改進(jìn)，并用于實(shí)橋和實(shí)橋應(yīng)力和變形的測(cè)量，經(jīng)受較長(zhǎng)期的服役檢驗(yàn)，驗(yàn)證實(shí)用效果。2.2.鋼橋面板的疲勞設(shè)計(jì)鋼橋面板的疲勞設(shè)計(jì)222.32.3 鋼橋面板的構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞設(shè)計(jì)法鋼橋面板的構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞設(shè)計(jì)法2.2.鋼橋面板的疲勞設(shè)計(jì)鋼橋面板的疲勞設(shè)計(jì)（2）鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞設(shè)計(jì)要素正是由于對(duì)鋼橋面板抗疲勞性能的持續(xù)不斷地、一步步深入的研究改進(jìn)實(shí)橋檢驗(yàn)，才使鋼橋面板的抗疲勞性能得到逐步改善，也使鋼橋面板的構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞設(shè)計(jì)法得到補(bǔ)充和完善。日本已將這些研究成果納入2002年版公路鋼橋疲勞設(shè)計(jì)指針。鋼橋面

19、板構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞設(shè)計(jì)包含以下內(nèi)容：鋼正交異性橋面板的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；面板、縱肋、橫肋三者之間連接的構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)；對(duì)制造加工和焊接的要求。233.3.鋼橋面板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鋼橋面板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.13.1 鋼橋面板的縱、橫向分割鋼橋面板的縱、橫向分割（1）橫向分割面板長(zhǎng)度應(yīng)與節(jié)段長(zhǎng)度相同，分割點(diǎn)宜設(shè)在距索支點(diǎn)(0.20.3)D1處（D1為索支點(diǎn)間距），并距橫肋(0.20.3)D2（D2為橫肋間距），即避開支點(diǎn)最大負(fù)彎矩和跨中最大正彎矩，使之位于受力較小的反彎點(diǎn)附近，同時(shí)又便于制造和安裝。（2）板單元件的縱向分割面板縱向?qū)雍缚p應(yīng)避開汽車輪載正下方左右各25cm范圍內(nèi)。243.3.鋼橋面板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鋼橋面板

20、的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.23.2 整體剛度和局部剛度整體剛度和局部剛度（1）計(jì)算圖式近似分析面板可視為周邊彈性固支在縱、橫肋的肋腳上。縱肋可視為連續(xù)彈性支撐在橫肋/橫隔板上。橫隔板（橫梁）可視為彈性固支在主梁上。精確分析依據(jù)結(jié)構(gòu)受力變形微分方程編制計(jì)算程序，建立計(jì)算模型，進(jìn)行FEM分析。對(duì)于易發(fā)生疲勞裂紋的焊跟、焊趾、弧形切口等部位采用實(shí)體元進(jìn)行3D FEM分析。253.3.鋼橋面板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鋼橋面板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.23.2 整體剛度和局部剛度整體剛度和局部剛度（2）整體剛度及局部剛度限制局部剛度和整體剛度的理由減少鋼橋面板的變形，降低次應(yīng)力集中，改善其疲勞性能。鋼橋面板作為橋面鋪裝層的基礎(chǔ)，減少其變形，

21、可改善鋪裝層的裂紋等病害，有利于提高使用壽命。剛度限值圖3.1 鋼橋面板的剛度(a)整體剛度 (b)局部剛度263.3.鋼橋面板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鋼橋面板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.33.3 橫隔板（橫梁）連續(xù)性橫隔板（橫梁）連續(xù)性鋼橋面板應(yīng)用初期，考慮到橫梁作為把來自橋面板的交通荷載傳遞給主梁的構(gòu)件，設(shè)計(jì)成橫梁貫通、縱肋斷開的方式，結(jié)果很快在連接處產(chǎn)生裂紋，從而改成橫梁/橫肋的腹板設(shè)弧形切口、縱肋及縱肋與面板的角焊縫貫通的方式。(a) 橫隔板貫通 (b) 縱肋貫通圖3.2 橫梁連續(xù)性的改進(jìn)273.3.鋼橋面板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鋼橋面板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.43.4 縱肋斷面形狀的演變縱肋斷面形狀的演變縱肋斷面形式如圖3.3所示。

22、經(jīng)過不斷地改進(jìn)、試用，現(xiàn)在已經(jīng)明確，行車道內(nèi)的縱肋均采用U形肋，非行車道上可采用板肋或球扁鋼肋。 平鋼板 偏球頭鋼板 正球頭鋼板 等邊角鋼 T形鋼(a)開口縱肋 倒梯形(U肋) 半圓形 三角形 加強(qiáng)三角形 Y形(b)閉口縱肋圖3.3 鋼橋面板縱肋的斷面形式283.3.鋼橋面板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鋼橋面板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.53.5 面板厚度、縱肋剛度、橫肋間距三者共同工作的面板厚度、縱肋剛度、橫肋間距三者共同工作的 匹配性匹配性對(duì)于鋼橋面板的設(shè)計(jì)，既要用鋼量少，且具有較高的靜力承載力，又要求互為垂直的面板、縱肋、橫肋作為整體而共同工作，并有足夠的抗彎剛度，確保其抗疲勞耐久性。因此，三者之間的匹配性十分重要。舉

23、例如下：面板厚度面板厚度(mm)(mm)12121414、16161818、1919U U肋斷面肋斷面(mm)(mm)3202406(日)3202606(日)3002808(德)3202408(日)3202608(日)3002808(德、中)400330842033084403409U U肋中心距肋中心距(mm)(mm)640(日)600(德)640(日)600 (德、中)800840880橫肋間距橫肋間距(mm)(mm)200025003000375040005000注注現(xiàn)已不用已納入德日現(xiàn)行規(guī)范日本在試用中293.3.鋼橋面板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鋼橋面板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.63.6 縱肋與端橫隔板的連接縱

24、肋與端橫隔板的連接端橫隔板起著密封箱梁的作用，箱內(nèi)縱向U肋要傳遞荷載給端橫隔板，箱外板肋要與伸縮縫部件連接。該連接必須嚴(yán)格要求，確保焊接質(zhì)量。圖3.4 縱肋與端橫隔板的連接303.3.鋼橋面板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鋼橋面板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.73.7 關(guān)于橫隔板（橫梁）和橫肋間距關(guān)于橫隔板（橫梁）和橫肋間距（1）對(duì)于連續(xù)梁，支點(diǎn)設(shè)在墩臺(tái)上，由于跨度較大，偏心荷載易產(chǎn)生橫斷面畸變，需設(shè)置橫隔板并控制間距以防止畸變引起過大的翹曲應(yīng)力。橫隔板之間的橫肋是作為支撐縱肋的構(gòu)件，應(yīng)根據(jù)鋼橋面板的面板、縱肋、橫肋三者之間的匹配性來確定其間距。（2）對(duì)索支撐橋的扁平鋼箱梁，吊索/斜拉索是其彈性支點(diǎn)，由于跨度較小，偏載產(chǎn)生斷面畸

25、變的影響可忽略不計(jì)?？紤]鋼橋面板的傳力途徑，橫梁（橫隔板）設(shè)在彈性支點(diǎn)上，橫肋應(yīng)設(shè)在橫梁之間，其間距依據(jù)面板、縱肋、橫肋三者共同工作的匹配性來設(shè)置。313.3.鋼橋面板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鋼橋面板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.83.8 關(guān)于縱隔板關(guān)于縱隔板對(duì)于索支撐橋的扁平鋼箱梁，雖然橫梁（橫隔板）跨度（主梁間距）較大，依據(jù)傳力途徑，箱內(nèi)一般不需要設(shè)置縱梁（或稱縱隔板），若必須設(shè)置縱隔板時(shí)，應(yīng)全長(zhǎng)設(shè)置，不得中斷，特別要避免僅在塔區(qū)設(shè)置縱隔板，導(dǎo)致縱隔板終端的面板因面外變形受到約束而產(chǎn)生疲勞裂紋。不宜實(shí)腹板式或桁架式間隔設(shè)置。對(duì)于大跨度懸索橋，出于抗風(fēng)穩(wěn)定的要求，采用分離式鋼箱梁，箱之間采用橫梁連接成整體，例如中國(guó)西堠門

26、大橋（L=1650m）為兩箱、意大利Messina海峽大橋（L=3300m）設(shè)計(jì)為三箱（待建）。323.3.鋼橋面板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鋼橋面板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.93.9 關(guān)于支撐體系關(guān)于支撐體系基于鋼橋面板的功能和傳力途徑，索支撐橋梁的吊索和斜拉索做為彈性支撐和梁端及主塔橫梁處的支座，均應(yīng)設(shè)置在主梁腹板上。另外，不設(shè)主梁腹板將會(huì)產(chǎn)生較大的附加彎矩。334.4.鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)4.14.1 縱向縱向U U肋與面板角焊縫的熔透深度肋與面板角焊縫的熔透深度易從焊跟產(chǎn)生裂紋 焊縫易燒穿肋板 既要確保熔透深， 造成新的裂紋源 又要避免根部熔穿圖4.1 縱向U肋與面板角焊縫熔透深度的演變（面板

27、厚度16mm）344.4.鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)4.24.2 縱向縱向U U肋的現(xiàn)場(chǎng)接頭肋的現(xiàn)場(chǎng)接頭圖4.2 縱向U肋現(xiàn)場(chǎng)橫向接頭的改進(jìn) 箱梁節(jié)段之間的箱梁節(jié)段之間的U U肋現(xiàn)場(chǎng)接頭數(shù)量多，過去采用鋼襯墊板對(duì)接焊連肋現(xiàn)場(chǎng)接頭數(shù)量多，過去采用鋼襯墊板對(duì)接焊連接，該細(xì)節(jié)疲勞強(qiáng)度較低，且隨鋼襯墊板與接，該細(xì)節(jié)疲勞強(qiáng)度較低，且隨鋼襯墊板與U U肋組裝間隙加大俞發(fā)肋組裝間隙加大俞發(fā)降低，成為疲勞裂紋最多的細(xì)節(jié)之一。后改為摩擦型高強(qiáng)螺栓連接，降低，成為疲勞裂紋最多的細(xì)節(jié)之一。后改為摩擦型高強(qiáng)螺栓連接，則未發(fā)生疲勞裂紋。則未發(fā)生疲勞裂紋。354.4.鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

28、4.34.3 橫肋橫肋/ /橫隔板弧形切口的形狀和尺寸橫隔板弧形切口的形狀和尺寸橫肋/橫隔板上開弧形切口是讓縱肋和縱肋與面板的角焊縫貫通。另外，當(dāng)輪載作用在橫肋之間時(shí)，縱肋垂直彎曲帶動(dòng)橫肋/橫隔板的腹板產(chǎn)生面外彎曲，弧形切口的作用是降低約束剛度、減小次應(yīng)力集中；但弧形切口使橫肋/橫隔板成為空腹板梁，當(dāng)輪載作用在橫梁/橫肋正上方時(shí)，弧形切口尺寸過大，將使弧形切口處產(chǎn)生過大的主應(yīng)力集中；所以弧形切口形狀、尺寸、切割、棱角倒圓、端部圍焊質(zhì)量等對(duì)其疲勞性能有重要影響。圖4.3介紹了幾種常用的弧形切口形狀和尺寸。364.4.鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)4.34.3 橫肋橫肋/ /橫隔板弧形切

29、口的形狀和尺寸橫隔板弧形切口的形狀和尺寸 (a)日本 (b)歐洲、中國(guó) (c)大斷面U肋圖4.3 弧形切口形狀及尺寸374.4.鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)4.44.4 過焊孔的設(shè)置過焊孔的設(shè)置（1）U肋與面板角焊縫的過焊孔圖4.4 過焊孔的改進(jìn)（1）應(yīng)連續(xù)施焊應(yīng)連續(xù)施焊384.4.鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)4.44.4 過焊孔的設(shè)置過焊孔的設(shè)置（2）面板間縱向?qū)雍缚p處的過焊孔尺寸的改進(jìn)圖4.5 過焊孔的改進(jìn)（2） 過焊孔尺寸過大，易在焊縫端部焊趾處引發(fā)疲勞裂紋，并向面板厚度擴(kuò)展。所以限制過焊孔尺寸是必要的，僅需設(shè)置陶瓷襯墊的尺寸即可。394.4.鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)

30、計(jì)鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)4.44.4 過焊孔的設(shè)置過焊孔的設(shè)置（3）節(jié)段間面板現(xiàn)場(chǎng)橫向?qū)雍缚p處圖4.6 現(xiàn)場(chǎng)接頭處縱肋過焊孔的改進(jìn)（3）75現(xiàn)場(chǎng)橫向?qū)雍缚p （陶質(zhì)襯墊焊）404.4.鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)4.54.5 主梁腹板垂直加勁肋的改進(jìn)主梁腹板垂直加勁肋的改進(jìn)圖4.7 主梁腹板垂直加勁肋的改進(jìn)面板垂直加勁肋主梁腹板垂直加勁肋主梁腹板面板5tw注：日本2002年版設(shè)計(jì)規(guī)范為35mm注：垂直加勁肋與面板角焊縫端 均產(chǎn)生裂紋，并穿透面板414.4.鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)4.64.6 橫隔板、橫肋腹板的連接橫隔板、橫肋腹板的連接圖4.8 橫隔板和橫肋腹板的連

31、接可采用HTB連接，也可采用焊接。a）高強(qiáng)度螺栓連接 b）全熔透對(duì)接焊連接（立焊）75mm75mm425.5.對(duì)鋼橋面板制造（加工和焊接）的要求對(duì)鋼橋面板制造（加工和焊接）的要求5.15.1 組裝精度組裝精度鋼正交異性板結(jié)構(gòu)復(fù)雜、板較薄、焊縫數(shù)量多、過焊孔和弧形切口處窄小、圍焊施工難度大、對(duì)焊工技能要求高。然而，確保焊接質(zhì)量對(duì)抗疲勞性能的改善具有重要意義。組裝精度是確保結(jié)構(gòu)幾何尺寸精度和焊接質(zhì)量的前提。除應(yīng)滿足制造規(guī)則要求的組裝精度外，還應(yīng)特別注意：（1）縱向U肋與面板的組裝間隙0.5mm，且max1.0mm。435.5.對(duì)鋼橋面板制造（焊接）的要對(duì)鋼橋面板制造（焊接）的要求求5.15.1 組

32、裝精度組裝精度（2）采用襯墊對(duì)接焊時(shí)，陶瓷襯墊、鋼板襯墊與母材之間的組裝間隙0.5mm。特別需要注意縱向U肋與端橫隔板的鋼襯墊板全熔透角焊縫，鋼襯墊板與U肋間、襯墊板兩個(gè)側(cè)邊與端橫隔板和面板之間的組裝間隙均應(yīng)0.5mm，且max1.0mm。（3）臨時(shí)碼板的設(shè)置設(shè)置碼板的目的碼平鋼板；控制組裝精度和箱梁幾何尺寸；減小焊接變形。445.5.對(duì)鋼橋面板制造（焊接）的要對(duì)鋼橋面板制造（焊接）的要求求5.15.1 組裝精度組裝精度碼板設(shè)置方法圖5.1 臨時(shí)碼板的設(shè)置底層正式焊道完成后即可撤除臨時(shí)碼板，但不得損傷母材，然后磨平，不得殘留缺陷。455.5.對(duì)鋼橋面板制造（焊接）的要對(duì)鋼橋面板制造（焊接）的要

33、求求5.25.2 焊接要素焊接要素（1）宜選用小線能量的焊接方法（如氣體保護(hù)焊），以利于減小焊接變形。（2）原則上不得選用仰姿焊接，以利于改善工人勞動(dòng)強(qiáng)度，避免焊縫外觀、焊跟熔深、咬邊等缺陷，進(jìn)而穩(wěn)定抗疲勞性能。（3）特殊細(xì)節(jié)的焊接U肋與面板角焊縫1:4.52=0.5mm4050焊絲說明：組裝間隙0.5mm，且max1.0mm；鈍邊2mm；坡口角度（含自然角度）4050；焊絲與面板夾角（平焊時(shí)）1822，且焊絲指向焊跟中心線。圖5.2焊絲角度465.5.對(duì)鋼橋面板制造（焊接）的要對(duì)鋼橋面板制造（焊接）的要求求5.25.2 焊接要素焊接要素橫肋與面板和U肋的角焊縫施焊方向如圖5.3所示，由俯姿向

34、立姿再向端部圍焊連續(xù)施焊。角部不得停、熄弧。要求焊工掌握較高的技能。焊腳尺寸宜7mm。圖5.3 施焊方向5.5.對(duì)鋼橋面板制造（焊接）的要對(duì)鋼橋面板制造（焊接）的要求求5.25.2 焊接要素焊接要素圖5.4弧形切口圍焊弧形切口、過焊孔處圍焊由橫肋兩側(cè)向端部圍焊，一次完成連續(xù)施焊。焊縫端部成型不良時(shí)，用圓柱形超硬合金磨頭打磨勻順。485.5.對(duì)鋼橋面板制造（焊接）的要對(duì)鋼橋面板制造（焊接）的要求求5.25.2 焊接要素焊接要素（4）焊工技能培訓(xùn)具有資質(zhì)的焊工應(yīng)掌握以下運(yùn)條技能：氣體保護(hù)焊應(yīng)掌握以下3種運(yùn)條方法，根據(jù)焊縫的位置、類型、焊道數(shù)量，靈活應(yīng)用運(yùn)條方法，焊出外觀、內(nèi)部質(zhì)量合格的焊縫。應(yīng)掌握

35、在弧形切口、過焊孔等狹窄位置進(jìn)行圍焊，并焊出合格焊縫的技能。應(yīng)掌握U肋與面板角焊縫熔透深度滿足0.75t的施焊技能。圖5.5 運(yùn)條方法直線運(yùn)條方法擺幅運(yùn)條方法(三角波、正弦波）擺幅48mm，特殊情況擺幅20mm螺旋運(yùn)條方法，擺幅412mm495.5.對(duì)鋼橋面板制造（焊接）的要對(duì)鋼橋面板制造（焊接）的要求求5.3 5.3 焊接變形控制技術(shù)焊接變形控制技術(shù)（1）焊接變形控制技術(shù)的復(fù)雜性焊接時(shí)局部加熱產(chǎn)生的熱循環(huán)效應(yīng)必然使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生焊接變形。焊接變形可分為縱、橫向收縮變形、角變形和扭轉(zhuǎn)變形（包括翹曲變形）。焊接變形涉及面廣、影響因素多（焊接方法、焊縫斷面積、施焊順序、約束條件、構(gòu)件剛度等）、變形量離散率大。對(duì)于由薄板組焊成的鋼橋面板，焊縫數(shù)量多、呈x、y、z三個(gè)方向分布，因