钢桥梁制造有关问题之八再论正交异性钢桥面板疲劳控制技术 正交异性钢桥面板疲劳细节优化方案探讨 张剑峰 李军平 车 平前言正交异性钢桥面板广泛应用于大跨度桥梁中，该类结构在运营过 程中出现了大量疲劳裂纹，引起了大家的广泛关注近二十年来，国 内的多家机构对正交异性钢桥面板的疲劳问题进行了大量研究，力求 解决这一难题，并取得了一定的成果目前 ,针对该结构细节提出了多 项创新优化方案，其中部分方案已应用于新建项目本文就各优化方 案再次进行探讨1、正交异性钢桥面板疲劳裂纹成因正交异性钢桥面板的疲劳是一个系统问题，外因是反复作用的汽 车荷载，内因就是构造细节（包括制造因素的影响），外因和内因的共同 作用从而萌生裂纹针对正交异性钢桥面板的疲劳裂纹，国内外多个 机构进行了大量的试验研究，研究结果表明，此结构的疲劳裂纹可分 为由荷载引起的开裂和面外变形引起的开裂，前者也称为主应力引起 的开裂，后者也称为次应力引起的开裂[1]1.1 主应力引起的疲劳裂纹正交异性钢桥面板由主应力引起疲劳裂纹的部位不多，主要是 U 肋嵌补段对接焊部位，因现场仰焊难以保证焊缝质量 ,且背面贴钢衬垫 的结构细节导致其疲劳等级较低，在车辆荷载作用下，该对接焊缝很 容易萌生疲劳裂纹。
根据研究成果，目前已将该部位的连接方式由焊 接改成高强度螺栓连接，实桥应用情况良好，其疲劳问题已基本得到 解决，在此不予讨论1.2面外变形引起的疲劳裂纹 正交异性钢桥面板疲劳裂纹主要集中在 U 肋与横隔板交叉部位下 端（即横隔板弧形缺口），以及U肋与面板的焊缝部位统计数据表明， 以上两类疲劳开裂分别约占疲劳裂纹总数的 38.2%和 18.9%[2]究其 根源，此两类裂纹均属于面外变形引起的疲劳开裂1.2.1 U肋与面板焊缝的裂纹正交异性钢桥面板直接承受轮载反复作用，面板产生如图 1 所示 的结构变形，纵肋与面板连接处承受相互平衡的三个弯矩的共同作用， 焊缝两侧力矩交替变化，于是，在焊根和焊趾处产生弯曲次应力，疲 劳裂纹便从焊趾和焊根处萌生扩展在轮载的反复作用下，焊根处的 钢板反复进行面外变形，即不停地开合，由于焊根处为一个天然缺口， 应力集中较为明显，从而，大幅降低了疲劳强度其中，焊趾处可通 过控制焊接参数、消除咬边等危害性缺陷来解决在内焊设备未开发 出来之前，焊缝内部无法焊接，焊根处通常要求增加焊缝厚度以减小 其应力峰值，故相关规范均要求焊缝的熔透率不低于 75%，且焊缝的 有效厚度大于 U 肋板厚。
试验研究表明，只要达到此要求，疲劳性能 基本能满足要求，但在生产中往往很难做到100%达到图1 局部轮载下面板的面外变形示意1.2.2 U肋与横隔板交叉部位的裂纹面板和 U 肋可视为弹性连续支承在横隔板上的连续梁，在纵向移 动的汽车轮载作用下，纵肋反复挠曲变形迫使横隔板产生反复面外变形，当该面外变形受到约束时，将产生很大的次弯曲应力，约束刚度 越大，次弯曲应力越大为此，需在纵肋下翼缘的横隔板上开适当的 弧形缺口来减少这种约束［1］横隔板作为钢箱梁的横梁，在汽车荷载的作用下，将产生竖向挠 曲变形，由于该弧形缺口的存在，在弧形缺口周边将产生较大的面内 弯曲应力和剪应力［1］在以上两种次应力循环作用下，横隔板弧形缺口处会引发疲劳裂 纹，且此类裂纹数量最多研究表明， U 肋高度较小、横隔板厚度偏 小和横隔板间距较大时，交叉部位的面外变形就较大，引起的弯曲应 力和剪应力也较大，疲劳问题就较为突出外变形ftl板及1115llii/!II楡桥向pSfOJpy图2轮载作用下横隔板的面外变形及畸变示意1.3 面外变形的根源正交异性钢桥面板是由面板、 U 肋、横隔板组成，三者互为垂直 并焊接成一体而共同作用的复杂结构，其构造形式和设计参数的合理 匹配直接影响其抗疲劳性能。
设计参数主要有：面板厚度、横隔板厚 度、横隔板间距、U肋尺寸等（见图3）在港珠澳大桥国家科技支撑 计划子课题“连续钢箱梁正交异性钢桥面板抗疲劳性能优化关键技术” 中对其进行了较系统地研究，研究成果表明，上述参数的合理与否直 接影响正交异性钢桥面板的抗疲劳性能 ［2］在港珠澳大桥上将钢箱梁 横隔板（或横肋）间距减小到2.5m、重车道面板厚度用到18mm时， 桥面刚度大幅提高，疲劳试验效果也改善明显7而板/ 三\横隔板/横肋 t2 L （ L1 才/.图3正交异性钢桥面板设计参数图示1987 年建成通车的的东营胜利黄河大桥和1999 年建成通车的汕 头礐石大桥均采用了较密的横隔板间距设计，间距在 2.75m 左右，面 板厚度均小于16mm,但是，该类密横隔板间距设计桥梁的面板与U 肋焊缝至今没有多大问题反观出现大量裂纹的多座大桥，横隔板间 距达到3.75m甚至4m （面板也较薄），面板的刚性不足，在车辆荷 载作用下，面外变形特别突出，这应该是该类焊缝大量开裂的结构根 源之一细节根源在于当时 U 肋只能单面焊接，无法约束焊根部位的 频繁开合变形，从而，在焊根处产生了较大的弯曲次应力同时，在 加工制造环节，也容易在焊缝根部产生焊接缺欠，由缺欠引起的应力 集中也降低了该细节的疲劳强度。
这些课题研究成果和实桥验证情况应该引起我们的思考目前行 业内的现状是更多地关注 U 肋与面板的焊缝，好像 U 肋与面板焊缝的 疲劳问题解决了就等于正交异性钢桥面板的疲劳问题解决了，这至少 是不全面、不客观解决问题的观点 U 肋与面板的焊缝固然重要，但 如何真正解决其疲劳问题尚需全面考虑，尤其建议各方更多关注面板 的刚度问题等，以求找到真正的解决办法并尽可能全方位地解决上述 两类疲劳病害问题2、几种U肋与面板优化思路的探讨2.1 镦边 U 肋方案某大桥钢箱梁采用了镦边U肋技术，U肋与面板的焊接边局部采 用热轧、热挤压或冷镦工艺，板边由8mm加厚到12mm，焊接坡口 在辊扎设备上一次成形，如图 4 所示该 U 肋加工过程中，局部成形 将使板边存在附加应力，由于U肋为非对称结构，应力分布使U肋的 尺寸精度较差，同时，在组装过程中，需要施加强力措施才能组装到 位，也增加了结构附加内应力该方案 U 肋宽度由 300mm 改到 280mm，面板的跨/厚比=280/16=17.5，小于Eurocode3规定的25 , 也小于国内规范推荐的 21.4，面板的横向刚度较大A大样图4武汉杨泗港长江大桥镦边U肋尺寸镦边U肋方案与一种热轧U肋构思有相同之处，该构思将U肋的上缘从8mm局部加厚到11mm，将U肋的下缘加厚到20mm，肋的 高度增加到380mm，宽度增加到400mm，该U肋采用热轧制造，如 图5所示。
该构思同时将面板加厚到18mm，横梁（横隔板）的间距 增加到8〜10m,以达到减少U肋和横梁数量的目的⑶但由于该方 案大幅增加了 U 肋开口尺寸和横梁间距，面板和横隔板弧形缺口处的 面外变形会加大，带来的疲劳问题仍然比较突出，除非采用大纵肋正 交异性钢-混凝土组合桥面板结构，以提高面板的整体刚度上述方案是从增加 U 肋的焊缝厚度、减小焊缝相对板厚的偏心度 来提高焊缝的抗疲劳性能众所周知，该焊缝的疲劳属于面外变形引 起的次应力疲劳，非焊缝的强度不够所引起虽然增大了焊缝厚度， 但没有改变单面坡口的接头形式，焊根部位的开合变形仍然存在，在 原理上与传统 U 肋没有本质上的差别，焊根部位的疲劳等级也没有得 到提高200驶0A大样47838&A二（X 0245m，—— 1=0. 00054m4 —200图5热轧U肋示意2.2 U肋内焊方案U肋内焊方案是采用专用设备进入U肋内部焊接，内侧焊接K6角 焊缝，然后，在外侧采用传统工艺方法焊接坡口角焊缝，如图 6 所示 该方案接头型式得到改善，且其焊趾处的扩散角较大，有助于提高疲 劳性能该接头细节中， U 肋内外采用角焊缝焊接后，在汽车荷载作 用下，面外变形引起的焊根频繁开合得到约束，且根部未熔化的钝边 被周围弹塑性较好的母材和焊缝包围，原焊根部位由面外变形引起的 拉应力大幅降低，从而，改善了该处的次应力分布和应力集中情况。
焊接时应重点控制焊接工艺参数，以防止在焊趾部位产生咬边等缺欠 而导致疲劳性能降低，如 7 图示意该方案具有较好的可实现性，目 前已在武汉沌口长江大桥等项目中部分实施 [4]当然，大批量生产不 可能不出现断弧等缺陷，内侧焊缝的返修应该有完备的解决方案图6 U肋内焊示意图7焊趾咬边缺欠示意为了提高经济性，建议该方案对外侧坡口焊缝的熔深进行研究， 在满足疲劳性能的前提下，应尽量减小外侧焊缝的熔深要求当然， 如何优化应通过较系统的对比疲劳试验来确定（日本已做过相关的研 究工作）2.3 U肋熔透方案U 肋与面板熔透焊接方案，是在 U 肋内侧贴陶质衬垫、在外部用 大线能量埋弧焊单面焊双面成形，焊接时用双丝埋弧船位焊接，前丝 采用直流电源熔透根部钝边并成形，后丝采用交流电源填充坡口并实 现较好的焊缝外观成形，国内某单位进行了开拓性的相关试验研究 ［5］ U 肋熔透焊接后，其焊根部位的天然缺口得以消除，但采用大线能量 焊接时，U肋热影响区晶粒粗大、材料软化情况明显，其热影响区的 冲击韧性会下降同时，大线能量焊接会引起焊接变形，也将引起局 部次应力，从而，使得疲劳强度下降，而且，变形对疲劳强度的影响 比残余应力更大［6］。
同时，该方案生产效率较低，不太适宜工业化大 批量生产况且，在实验室容易做到，大批量生产时 U 肋组装偏差或内侧衬 垫不密贴而出现漏焊、成型不良等缺陷不可避免，这些都是降低疲劳 性能的关键因素，如何保证焊接的可靠性及稳定性、如何返修值得考 虑！值得一提的是，要求熔透的必要性究竟有多大？是否能真正解决 正交异性钢桥面板的疲劳问题？建议通过相关的系统实验研究来回答 和认定当然，有些桥梁U肋焊缝按75%〜80%熔深要求而实际甚至 未全部达到这一要求，但至今基本没有出现问题的情况也值得我们思 考另外，法国巴黎焊接研究所在上世纪80〜9 0年代花费十多年时间， 研究焊缝成形及根部未熔透对 T 形接头疲劳行为的影响通过大量的 试验，结果证明，当根部未熔透皿处P<0.4t时，承受疲劳载荷的T型接 头不会从根部未熔透皿处发生失效（见图8） ［7］，这一结论也值得我们考2.4提高面板刚度方案 鉴于国内外对正交异性钢桥面板疲劳的认识，即桥面板的疲劳裂 纹始于面外变形在焊根和焊趾处的局部应力集中，其应力峰值起着决 定性的作用采取一定的设计措施降低结构的应力峰值是提高结构细 节疲劳寿命最有效的方法面板厚度和横隔板间距对结构整体刚度、面外变形有重要影响。
为此，我们认为：在确保现有 U 肋熔透率不小于 75%t（t 为 U 肋板 厚）的情况下，通过适当增加面板厚度、缩小横隔板间距的方法来提 高面板的整体刚度面板刚度提高后，轮载作用下的面外变形减小， 相应的次应力也会降低同时，横隔板间距缩小后， U 肋下挠引起的 转角减小，U肋与横隔板连接部位的弯曲次应力也将减小已进行的大量疲劳试验的研究成果均表明：在现有桥面板整体设 计的情况下，U肋熔透率不小于75%t （t为U肋厚度）、焊缝有效厚 度不小于U肋厚度时，U肋与面板焊缝的疲劳性能良好早期的密横 隔板设计（间距小于3m）的桥梁具有较好的抗面外变形的能力，此类 结构细节至今营运效果较好港珠澳大桥结合国家科技支撑计划子课 题研究成果，在钢箱梁设计时将横隔板（或横肋）间距缩小到 2.5m、 将重车道面板厚度增加到18mm，面板的整体刚度得到大幅增加，无 疑是有助于提高疲劳性能的在横隔板构造上，建议将隔板分成上下两部分，见图 9 所示，上 部分接板略厚，以降低腹板的面内应力，其厚度。