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1、正交异性板和箱形结构运用于桥梁的历史（三）正交异性板和箱形结构运用于桥梁的历史（三）发布时间：2008-04-25 作者：钱冬生 摘要：摘要：介绍了正交异性板和箱形结构运用于桥梁的历史。4 、英国的塞文桥、英国的塞文桥它在它在 1966 年的胜利建成，与在年的胜利建成，与在 1991 年的整修完竣年的整修完竣塞文桥在 1966 年的建成，是当时桥梁界的一大盛事。它总长约 3km ；包括： Wye 斜拉桥（主跨 234.7m ）、引桥（跨度 61.7 64.0m 连续钢箱紧）和正桥（主跨 988m 的悬索桥）。它的悬索桥第一次使用流线形的扁钢箱加劲梁，这是由风洞试验认识到它的实用价值的（阻力系数
2、小、对风致振动的反应较优），其加劲梁钢面板厚 11.50mm ，纵肋为闭口的梯形，肋厚 6.4mm ，肋的高度 228mm ，纵肋的中心距为 610mm ，纵肋跨度（横肋中距）用到 4.57m 。横肋板厚 6.4mm ，高度为 3m （从桥面板到箱底板，它实际上就是横隔板）。这加劲梁又第一次使用全焊钢结构，因耽心它在振动时的阻尼系数要比铆接结构为小（注：对桥面辅装的阻尼作用当时还缺乏认识），不利于抑制振动，乃将其吊索从竖置改为呈 V 字形的斜置，因为，斜置吊索当桥振动 时所受的拉力有脉动，这一脉动将使其钢绞线时松时紧，由此而对振动产生阻尼。对于塔柱，它又第一次采用了矩形单箱式；而且对于柱的工地
3、水平接头，不是用拼接板及高强栓作连接，而是靠承压传力，并用 20 根 50mm 高强栓在竖向将上下拉紧（用以抵抗施工荷载）；这使每塔用钢量仅是 1200t 。对于塔顶主鞍，又第一次采用了全焊式。 8 ： 127139 在施工方面，也是非常俭省。加劲梁的制造，是分为 88 个节段，每个节段再分为若干板件；将板件在工厂预制完成后，运到一造船厂的滑道附近，在滑道上进行节段的拼装；在滑道长度方面只需其能保留三个节段，每当向上再拼装一个新节段时，就先将最下一个节段滑到水中。为了节段能够浮运，在其开口端加一 5mm 厚的封头钢板，将封头钢板上缘与纵肋相焊。浮在水上的节段就用拖船拖到工地附近，在水面储存着，
4、这就省去了储存场地。待到架梁时，就将各节段拖到桥位。这时，节段因浸水太久，表面已积有污垢。在用缆上起重装置将它吊出水面后，必须射水冲洗。典型节段重量是 130t 。从 1964 年 10 月到 1966 年 3 月，由于潮位不合适或天气不好而颇有延误，但总算将 88 个节段架设完成。在那时，英国因二次世界大战遭受破坏，还处于财力拮据状态，在当时的技术水平下，能够取得这样的成果，确是不容易。所存在的问题，一是疲劳，二是设计荷载取值过低，三是对箱形梁承受局部力之处不够重视。 关于正交异性板的疲劳，以往虽曾进行过一些疲劳试验，但其成果远远不够制订设计规则之用。塞文桥加劲梁节段由于需要它能浮在水上而加
5、了封头板，并让封头板与纵肋相焊，这就在纵肋在焊有封头板处造成应力集中，在这桥开通 5 年、即 1971 年，发现其处疲劳开裂。几经研究，最后决定对其裂缝过大处，在纵肋上开一洞，再在其处肋身内外加拼接板，用高强栓将拼接板同肋相连，形成接头，借使这种开裂得以补板。这桥的纵肋端头与横肋的焊接，是用 6mm 角焊缝； 1977 年，发现在这种焊缝处开裂。经过试验研究，决定在纵肋端头之下，用 8mm 40mm 薄钢片在加热后绕着纵肋，并让其一边贴着横肋，再用焊接将薄钢片两边分别连于横肋与纵肋，凭薄钢片加固这一接头。这桥纵肋与桥面板的连接，原是用 6mm 角焊缝，从 1977 年起也发现其有裂纹。经过试验
6、研究，认为：用角焊缝是行的，但需让焊脚从 6mm 放大到 9mm 。当经进行工艺研究，决定将需要修补之处，铣去焊缝，并让铣出的纵肋竖向面尺寸达 9mm ，随后再用手工焊三趟，使角焊缝焊脚达到 9mm 。经过 18 个月的日夜奋战，这项修补工作终于完成。TRRL （ Transport and Road Research Laboratory ，运输和道路试验研究所）在 1990 年发表其 259 号研究报告，标题是 Fatigue classification of welded joints in orthotropic steel bridge decks ( 钢正交异性板焊接连接处的疲劳
7、等级 ) ，作者为 Cuninghame TR 。标题内的疲劳等级，是指 BS5400 所用的区分疲劳强度的等级。按照计算，若等级不低于 D ，则按 BS5400 所讲的基本原理推算的疲劳寿命不会少于 120 年。这样，疲劳验算就不会控制。因此，进行疲劳试验的目的，可以归结为确定其疲劳等级。这个研究报告将正交异性板需要进行疲劳验算的接头选定为 6 种；并将纵肋与横肋的焊接分为两种进行试验：一种是（塞文桥使用的）老式样，纵肋端头与横肋相焊，让焊缝传递其处的全部内力；另一种是让纵肋在横肋开孔内连续穿过，让角焊缝仅传递纵肋的竖向反力（剪力）。试验结果是：塞文桥所用的老式样达不到 D 级，而新式样且让
8、横肋在纵肋上缘处不开圆孔者则可达到 D 级。其横肋之开圆孔者虽然按疲劳试件（没有铺装层者）试验结果达不到 D 级，但在实桥（有铺装层者）的运营之中，却不曾遇到疲劳开裂。经对一座实桥测读该处活载的应力变化幅度，发觉：当温度为 7.6 时，实测应力值只是按钢结构（没有铺装层者）计算值的一半。对于其他 5 种接头，一般均不低于 D 级。虽然这一研究报告没有能将有铺装层的正交异性钢桥面板包括在内，但它已弥补了 BS5400 第 10 篇疲劳设计的不足，是很有价值的。 塞文悬索桥的吊索钢绞线，在 1977 年就发现其在长度较短者的锚头处有钢丝开裂。这一则是由于当初对设计活荷载取值过小，再则由于对锚头构造
9、细节未曾精心设计。在整修中，将钢绞线直径一律从 53mm 增至 65mm 。在锚头的钢绞线钢丝散开处，一律用氯丁二烯制造的缓冲构造控制其处钢丝的曲率变化。还在锚头中心设一注油管，让润滑油通到钢丝散开处。对于较长的吊索，为抑制其振动波的幅度，还装置了减振器。 大致从 1970 年开始，货运汽车重量就不断发展，而且，它们往往结队运行。因此，设计活荷载应重新制订。塞文桥的活荷载，原是照 BS153 取值。 1978 年， BS5400 第二篇荷载规范颁行，其值提高不少。 1988 年，英国运输部发布部标准，即公路桥荷载规范 BD37/88 ，其规定乃更加符合实际。由于塞文桥的全面整修开始于 1985
10、 年，所取用的检算汽车荷载就只能在 BS5400 的基础上进行调研制定。双向四线，在加载长度很大时的均布活载值，竟达原设计所取值的 2.8 倍。这使大缆、塔、锚碇，加劲梁四者都应检算。大缆和锚碇，都难于加固，只好降低其安全系数。加劲梁的强度检算不控制。单箱矩形截面的塔柱是由有纵肋加劲的 4 块板件组成，这些板件承受了巨大的恒载应力。若用补强材料增大其截面，则补强材料很难承担恒载应力。于是，只好在箱内四角，各添一 406mm 钢管，钢管分成 6m 长的节段，在箱内接成全高；每 6m 给钢管设一支撑（以柱壁为根），以缩小其自由长度；用千斤顶使钢管接受压力。钢管上端顶紧主鞍座（在鞍座内部用钢结构将鞍
11、槽所受的压力传到 4 根钢管）、下端顶紧混凝土桥墩。在施工过程中，用应变计检测各部件所受应力，以确保整修质量。为这些塔柱加固所增添的钢材，达原塔柱用钢量的 32% 。塞文悬索桥是三跨两铰式，主跨及边跨加劲梁都是两端简支。为制止邻跨间的碰撞，原应在各跨两端设置水平的纵向止撞柱，借能凭借止撞柱顶紧使桥面伸缩缝及箱梁端部得到保护。但原设计将止撞柱省去了。在整修之中，便在各跨梁端，在箱梁之内，各加一段纵向腹板，再沿腹板设置止撞柱，还在梁端外侧设置能传递冲撞力的设施。另外，对梁的某些段落讲，让横肋（横隔板）间距为 4.57m 也嫌过大，乃在整修时在其间距之中增添一横肋。对于桥上有车时的风力，现在因为车重
12、增加了，为检算荷载组合的效应，也应对各种风力的频率认真调研。随后，为整修后的塞文悬索桥制订了下列行车管理规则：当风速为 20 m/s 时，开始让 4 线通行转变为 2 线通行；当风速为 28 m/s 时，开始让二线通行转变为停止通行。 9:64 关于这桥整修的经过，见 Proc. Inst.CE.Structures and Buildings,Feb.1992 PP160 。 5 、大贝耳特海峡东桥在、大贝耳特海峡东桥在 1998 年的建成，以及其箱梁用于钢桥的当代水平年的建成，以及其箱梁用于钢桥的当代水平 丹麦的大贝耳特海峡东桥，开工于 1991 年冬季，竣工于 1998 年 6 月。在它
13、的引桥中，有跨度 193mm 的连续钢箱梁 19 孔。在它的悬索桥中，有连续长度达 2694m 的加劲梁。这桥是位于公路线上；因为它并不靠近大城市，桥上的活荷载相对较轻，这就需要先进行一次调研。这桥是按双向四线布置；车道宽度为 2 11.5m 。在调研后作出决定：对于引桥，因其跨度小于 500m ，其活荷载是在一幅车道的靠外 3m 宽度为 5kN/m 2 、其余 8.5m 宽度为 2.5kN/m 2 ，另幅车道 11.5m 宽度内为 2.5 kN/m 2 。对于悬索桥加劲梁，由于跨度大于 500m ，其活荷载是在一幅车道内按引桥所用的重载施加（即：外侧 3m 为 5 kN/m 2 ，其余 8.
14、5m 宽度内为 2.5 kN/m 2 ），另幅车道 11.5m 为 1.0kN/m 2 。 引桥的横截面在全长范围内的几何尺寸相等，如图 5-1 ，呈梯形。桥面钢板厚 1218mm ，箱底板厚 1030mm ，腹板厚 1020mm 。桥面纵肋为闭口的梯形，肋厚 69mm ，高 300mm ，纵肋中心距 600mm ；其跨度（即横肋中心距）为 4.0m 。箱梁高度为 7.1m ，横联取桁架式，其上弦就用作横肋。在箱梁的中轴线设一中央腹板，这一方面是用于改善面板及底板的剪力滞，另一方面是在这些梁当遇到船舶甲板舱意外撞击而局部破损时，梁仍有足够的抗扭及抗剪能力，不会垮台。 对于有沥青铺装的桥面板，经
15、制成试件，并在不同温度、用不同速度加载进行了疲劳试验。试验证明：当温度为 20 时，活荷载所生的疲劳可以保守地按将铺装换算为 6mm 厚的钢板来验算（注：当钢面板厚 12mm 时，可以用厚 18mm 钢面板来计算纵肋应力，并用之于疲劳验算）。 由于高跨比偏小（ 7.1/193=1/27.2 ），梁的柔性较大，导致涡激振动过大。经用调谐调质阻尼器进行抑制。 钢箱梁的表面积，大约有 75% 是在箱梁之内。对于箱梁之内的防锈，塞文桥仍是用老办法。这桥就完全使用了除湿防锈法。事实证明，当相对湿度保持在 60% 以下时，锈蚀就不可能进行。 每一跨度 193m 的钢箱梁重量为 2380t 。用两艘起吊船将
16、它起吊到位。为了控制自重所生弯矩，应将新到位梁段的前端抬高 3.9m ，并将其后端与早已在位的梁段前端相焊接。在焊好之后，再让新到位梁段前端落下。这样，恒载应力的调整就实现了。 加劲梁的横载面，如图 5-2 。呈流线形，这使其风致振动性能较优。箱高 4.0m ，这可以使其对扭转的抗力符合振动稳定要求。因为引桥钢梁和加劲梁的制造商是同一个，其正交异性板尺寸就应与引桥所用者尽量相同。钢面板厚 12mm ，纵肋为闭口梯形，厚 6mm ，高 300mm 。纵肋中心距 600mm ，其跨度（横肋中心距）为 4.0m （仅在主塔附近，为抵抗梁所承受的横向压力，将横肋中心距改为 3.0m ）。横联取桁架式，将其上弦用作横肋。箱底板厚度为 920mm 。在塔处，在锚锭处，在跨中设置缆的中央扣处，为提高加劲梁局部的抗力，在梁内设置短段的竖直腹板。对于箱梁内表面，也采用除湿防锈。 这悬索桥的加劲梁是三跨连续。同加劲梁为三跨两铰式者相比，它并不节省钢材，但是，桥面连续长度大，行车顺畅，而且，免去了相邻两跨之间的碰撞，维修费减轻。从提高桥的运营质量讲
