大型公路鋼箱梁正變異性橋面板

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　　一、前言

　　大型公路鋼箱梁正交異性橋面板工地接頭即箱梁節(jié)段之間的連接，過去均采用全焊或高強(qiáng)度螺栓連接。各國(guó)實(shí)橋運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)表明，這兩種連接方式各有不足。全焊連接時(shí)，U形肋嵌補(bǔ)段對(duì)接焊和肋角角接焊均處于仰焊位置施焊，而仰焊工作條件惡劣，施工周期較長(zhǎng)，仰焊焊接質(zhì)量比俯焊難以保證，經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)營(yíng)后在這些焊接處容易產(chǎn)生疲勞裂紋。采用高強(qiáng)度螺栓連接時(shí)（橋面板、縱向U形助），橋面鋪裝層因栓接接頭而受到削弱，給銷裝工藝和質(zhì)量控制帶來(lái)很大難度，鋪裝層容易產(chǎn)生裂紋、剝離等病害，而且螺栓用量大，造價(jià)高?；谝陨显?，最近出現(xiàn)了一種新的連接方式，即橋面板用焊接（陶瓷襯墊單面焊雙面成型工藝），U形肋采用高強(qiáng)度螺栓連接。日本已將此方案作為首選方案納入設(shè)計(jì)規(guī)范。該方案克服了全焊連接和全部栓接的各自缺點(diǎn)，可以說(shuō)這是目前最先進(jìn)的連接方式。南京長(zhǎng)江第二大橋南汊橋在我國(guó)首次采用這種連接方式，因?yàn)槭堑谝淮尾捎?，需通過模型試驗(yàn)和有限元分析來(lái)驗(yàn)證其連接剛度、局部應(yīng)力和疲勞性能。本文對(duì)正變異性橋面板工地接頭構(gòu)造細(xì)節(jié)的演變進(jìn)行了綜述，并對(duì)該接頭的足尺試件進(jìn)行了試驗(yàn)研究和有限元分析。

　　二、鋼橋面板工地接頭構(gòu)造細(xì)節(jié)的演變

　　1.鋼橋面板的構(gòu)造細(xì)節(jié)

　　對(duì)于大跨度懸索橋和斜拉橋，鋼箱梁自重約為 PC箱梁自重的1/5～1/6.5.正交異性鋼板結(jié)構(gòu)橋面板的自重約為鋼筋混凝土橋面板或預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板自重的1/2～1/3.所以，受自重影響很大的大跨度橋梁，正交異性板銅箱梁是非常有利的結(jié)構(gòu)形式。通常，在鋼橋面板上鋪裝瀝青混凝土鋪裝層，其主要作用是保護(hù)鋼橋面板和有利于車輛的走行性。近代正交異性鋼橋面板的構(gòu)造細(xì)節(jié)，由鋼面板縱助和橫肋組成，且互相垂直。鋼面板厚度一般為12mm，縱肋通常為U形肋或球扁鋼肋或板式助，U形肋板厚一般為6mm或 8mm，橫梁間距一般為 3.4～4.5m，兩橫梁之間設(shè)一橫肋。

　　制造時(shí)，全橋分成若干節(jié)段在工廠組拼，吊裝后在橋上進(jìn)行節(jié)段間的工地連接。通常所有縱向角焊縫（縱向肋和縱隔板等）貫通，橫隔板與縱向焊縫、縱肋下翼緣相交處切割成弧形缺口與其避開。

　　2．正交異性鋼橋面板的疲勞及其工地接頭構(gòu)造細(xì)節(jié)的改進(jìn)

　　鋼橋面板作為主梁的上翼緣，同時(shí)又直接承受車輛的輪載作用。如上所述，鋼橋面板是由面板、縱肋和橫助三種薄板件焊接而成，在焊縫交叉處設(shè)弧形缺口，其構(gòu)造細(xì)節(jié)很復(fù)雜。當(dāng)車輛通過時(shí)，輪載在各部件上產(chǎn)生的應(yīng)力，以及在各部件交叉處產(chǎn)生的局部應(yīng)力和變形也非常復(fù)雜，所以鋼橋面板的疲勞問題是設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)之一。自1966年英國(guó)Severn橋（懸索橋）采用扁平鋼箱梁以來(lái)，鋼橋面板陸續(xù)出現(xiàn)許多疲勞裂紋，主要產(chǎn)生的部位有縱助與面板之間的肋角焊縫、縱橫肋交叉的弧形缺口處，U形肋鋼襯墊板對(duì)接焊縫處等，其中梁段之間鋼橋面板工地接頭是抗疲勞最薄弱的部位。

　　由于鋼橋面板不可能更換，產(chǎn)生裂紋后修補(bǔ)又比較困難，50年來(lái)．通過一系列的試驗(yàn)研究和有限元分析，以及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，對(duì)鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)和焊接不斷進(jìn)行了改進(jìn)，使得鋼橋面板產(chǎn)生裂紋的概率大大減少。這里僅介紹鋼橋面板工地接頭構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)的演變，過去采用的縱向肋焊接對(duì)接和高強(qiáng)度螺栓對(duì)接，改進(jìn)后的構(gòu)造細(xì)節(jié)，即面板對(duì)接采用陶瓷襯墊單面焊雙面成型工藝，U形肋采用高強(qiáng)度螺栓對(duì)接拼接。

　　改進(jìn)后的構(gòu)造細(xì)節(jié)既克服了工地接頭縱向U形肋嵌補(bǔ)段的仰焊對(duì)接，從而改善了疲勞性能，又避免了面板栓接拼接對(duì)橋面鋪裝層的不利影響。這種構(gòu)造細(xì)節(jié)在1999年建成的日本來(lái)島大橋、明石海峽大橋（懸索橋）和多多羅大橋（斜拉橋）中得到應(yīng)用。

　　三、試件設(shè)計(jì)和制造

　　根據(jù)《美國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（1994年版），用于計(jì)算正交異性鋼橋面板剛度和恒載引起的彎曲效應(yīng)時(shí)，與縱肋共同作用的鋼橋面板的有效寬度取縱肋間距。鋼箱梁工地接頭處橋面板采用單面焊雙面成型焊接工藝，面板內(nèi)側(cè)需貼陶瓷襯墊，因此焊縫下面的U形肋側(cè)壁須開缺口以便襯墊通過。缺口寬度過小不便于施工，寬度過大易導(dǎo)致附近局部應(yīng)力增加。日本的鋼箱梁橋在此種構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)中采用的缺口寬度為75mm和120mm.

　　兩個(gè)足尺試件模擬南京長(zhǎng)江第二大橋南汊橋的設(shè)計(jì)圖，取一個(gè)U形肋單元，跨長(zhǎng)3750mm（實(shí)橋橫隔板間距），橋面板寬 600mm，厚 14mm， U形肋尺寸為 184mm*8mm*300mm，圓弧缺口寬度分為兩種，試件Ⅰ為50mm，試件Ⅱ?yàn)?00mm.

　　試件材質(zhì)為 16Mnq，屈服強(qiáng)度為 395MPa，拉伸強(qiáng)度為 540MPa.試件的制造嚴(yán)格按照《南京長(zhǎng)江第二大橋南汊橋鋼箱梁制造規(guī)則》的有關(guān)內(nèi)容進(jìn)行，試件在工廠制造完成后，經(jīng)外觀檢查、超聲波探傷和高強(qiáng)度螺栓檢查，全部合格。

　　四、試驗(yàn)概況

　　1.加載方案

　　我國(guó)《公路橋梁設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTJ021-89）規(guī)定汽車-超20級(jí)荷載中550kN的重車后軸重力為2*140kN，后輪著地面積為寬*長(zhǎng)=600mm*200mm.本試驗(yàn)中加載點(diǎn)的接觸面積參考該規(guī)范選定，考慮試件為單肋，故將本試驗(yàn)的加載寬度折減為400mm，即介于單輪與雙輪寬度之間。試驗(yàn)中以一塊寬*長(zhǎng)*厚=420mm * 200mm * 12mm的鋼板模擬橋面鋪裝層，以寬*長(zhǎng)*厚=400mm * 300mm * 50mm的橡膠塊模擬車輪進(jìn)行加載，試驗(yàn)機(jī)為MTS300kN電液伺服試驗(yàn)機(jī)，加載頻率為300次／min.

　　2.測(cè)點(diǎn)布置

　　為研究缺口附近面板上的應(yīng)力分布情況，在缺口附近面板上密集布置測(cè)點(diǎn)，其中面板焊縫附近的12個(gè)測(cè)點(diǎn)貼雙向應(yīng)變片測(cè)量縱、根雙向應(yīng)力。除了缺口附近布置測(cè)點(diǎn)外，在試件跨中及與試件焊栓接頭對(duì)稱的位置，也相應(yīng)地布置了測(cè)點(diǎn)。

　　為了研究試件及缺口部位的豎向剛度，在試件的跨中、焊栓接頭部位、對(duì)稱于焊栓接頭的部位、以及試件兩端都安裝了位移計(jì)。

　　3.靜載試驗(yàn)

　　兩個(gè)試件都作靜載試驗(yàn)。靜載試驗(yàn)分兩種加載方案，一種是在焊栓接頭處加載，另一種是在跨中加載。根據(jù)有限元計(jì)算，當(dāng)試件跨中作用140kN的荷載時(shí)，試件最大應(yīng)力處（跨中U形肋下表面）的應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)容許應(yīng)力200MPa，試驗(yàn)中考慮到較實(shí)際受力情況更不利的狀態(tài)，將最大靜載加到 175kN，為實(shí)際軸重力的 2.5倍，使試件的最大計(jì)算應(yīng)力達(dá)到鋼材流動(dòng)極限的75％。加載等級(jí)分四級(jí)和五級(jí)。

　　4.疲勞試驗(yàn)

　　選取試件Ⅰ進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，疲勞試驗(yàn)加載位置為焊栓接頭處，荷載范圍40～90kN，循環(huán)次數(shù)為 200萬(wàn)次。根據(jù)有限元計(jì)算，試件跨中加 4OkN荷載時(shí)，試件跨中 U形肋下表面的最大應(yīng)力與橋梁恒載作用下產(chǎn)生的最大應(yīng)力相當(dāng)，當(dāng)加90kN荷載時(shí)，其最大應(yīng)力與橋梁恒載、活載共同作用下產(chǎn)生的最大應(yīng)力相當(dāng)，故選取以上疲勞試驗(yàn)加載范圍。

　　五、試驗(yàn)結(jié)果分析

　　1.豎向撓度

　　實(shí)測(cè)各測(cè)點(diǎn)在不同荷載等級(jí)下的豎向撓度?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論：

　　（1）各測(cè)點(diǎn)的撓度與作用荷載的大小基本上呈線性關(guān)系。

　?。?）實(shí)測(cè)值與計(jì)算值基本接近，表明實(shí)測(cè)值基本可信。

　?。?）在跨中作用荷載時(shí)，有限元計(jì)算結(jié)果顯示，焊栓接頭處的撓度比對(duì)稱于焊栓接頭的部位的撓度稍小，這是由于焊栓接頭部位U形肋的兩側(cè)腹板上通過高強(qiáng)度螺栓連接各外夾了兩塊拼接板，這相當(dāng)于將U形助每側(cè)局部的腹板厚度增加了兩倍，而且可以與面板上的焊接接頭共同工作，從而增加了焊栓接頭部位的剛度，盡管該部位U形肋下面開了一個(gè)施工進(jìn)手孔，但并不影響試件局部的剛度。

　?。?）同樣在焊栓接頭處加載時(shí)，試件Ⅰ接頭處和跨中部位的撓度比試件Ⅱ?qū)?yīng)部位的撓度稍大，這與高強(qiáng)度螺栓的擰緊程度有關(guān)。但是從有限元計(jì)算結(jié)果可以看出，兩個(gè)試件對(duì)應(yīng)部位的撓度完全一致，這說(shuō)明缺口的大小對(duì)試件的剛度沒有影響。

　　2.局部應(yīng)力

　　試件Ⅱ跨中下翼緣實(shí)測(cè)應(yīng)力和計(jì)算應(yīng)力，兩個(gè)試件在80kN（為公路橋梁設(shè)計(jì)通用規(guī)范規(guī)定最大輪載的 1.14倍）荷載作用下部分測(cè)點(diǎn)的實(shí)例應(yīng)力如表回所示。從實(shí)測(cè)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

　?。?）實(shí)例應(yīng)力基本上隨著荷載的增加而呈線性增加，而且基本上與計(jì)算值相吻合。

　　（2）在外加荷載作用下，兩個(gè)試件的大多數(shù)對(duì)稱測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)應(yīng)力基本對(duì)稱。

　?。?）當(dāng)在焊栓接頭處加載時(shí)，將兩個(gè)試件的實(shí)例應(yīng)力進(jìn)行比較，就會(huì)發(fā)現(xiàn)：①試件IU形助圓弧缺口附近面板上的橫向應(yīng)力比試件Ⅱ大，但數(shù)值較小，在其他測(cè)點(diǎn)，兩個(gè)試件面板上的實(shí)測(cè)橫向應(yīng)力基本上一致，在試件中心線與焊栓接頭中心線的交點(diǎn)附近，兩個(gè)試件面板上的橫向應(yīng)力都較大，但也不超過設(shè)計(jì)容許應(yīng)力；②試件Ⅱ焊栓接頭附近面板上的縱向應(yīng)力比試件I大，在其他測(cè)點(diǎn)，兩個(gè)試件的實(shí)測(cè)縱向應(yīng)力基本上一致；③試件IU形肋圓弧缺口附近的應(yīng)力比試件Ⅱ大，但數(shù)值均較小。這表明圓弧缺口的大小對(duì)試件應(yīng)力的影響僅限于U形肋圓弧缺口附近，而且U形肋圓弧缺口寬度為50～100mm都是安全的。

　?。?）當(dāng)在跨中加載時(shí)，在所有的測(cè)點(diǎn)，兩個(gè)試件的應(yīng)力都差不多，而且數(shù)值很小，與焊栓接頭處對(duì)稱部位的縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力也與焊栓接頭處對(duì)應(yīng)點(diǎn)的縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力基本一致。

　　3.疲勞強(qiáng)度

　　在下限為40kN、上限為90kN（分別為實(shí)際軸重力的57％和1.23倍）的疲勞試驗(yàn)荷載作用下，經(jīng)過200萬(wàn)次后，試件I各部位的撓度與疲勞試驗(yàn)前基本上沒有差別，這說(shuō)明疲勞對(duì)試件的剛度幾乎沒有影響。通過20倍放大鏡目測(cè)檢查，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，再次經(jīng)過分級(jí)靜載試驗(yàn)，結(jié)果表明，各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力大小及其與荷載的線性關(guān)系同疲勞前一樣?？梢哉J(rèn)為，大型公路鋼箱梁正交異性橋面板結(jié)構(gòu)采用焊栓連接后，其抗疲勞性能很好。

　　六、有限元分析

　　1.計(jì)算模型

　　計(jì)算采用4節(jié)點(diǎn)板單元，假定焊栓接頭處的拼接板與U型助之間不產(chǎn)生滑動(dòng)，即作為整體共同工作，不考慮橋面鋪裝層的影響。

　　我國(guó)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTJ021-89）規(guī)定的汽車-超20級(jí)荷載重車的后軸重力為2*140kN即每對(duì)車輪的重力為70kN.假設(shè)一對(duì)輪載為70kN的車輪作用在試件I和試件Ⅱ的焊栓接頭附近，兩個(gè)車輪之間的距離及觸地面積。本文分別計(jì)算了兩種輪載位置，一種是對(duì)稱輪載，另一種是偏心輪載。每種輪載從車輪邊緣靠近U型肋圓弧缺口開始，到車輪正好離開圓弧缺口結(jié)束，分為多種工況。

　　2.計(jì)算結(jié)果分析

　　（l）在兩種輪載作用下，圓弧缺口處的變形。在U型肋與面板的連接處，U型助產(chǎn)生向外的面外變形。

　　（2）面板下表面焊栓接頭線上的縱向應(yīng)力。在兩種輪載作用下，試件Ⅱ的縱向應(yīng)力比試件I的大，但應(yīng)力的數(shù)值都較小，在對(duì)稱輪載作用下，試件I和試件Ⅱ的縱向應(yīng)力最大值分別為 14.6MPa和 20.5MPa，在偏心輪載作用下，試件I和試件Ⅱ的縱向應(yīng)力最大值分別為25.6MPa和30.9MPa.除了在焊栓接頭中心線與U型肋的交線附近有差別外，兩個(gè)試件縱向應(yīng)力分布的規(guī)律大體一致。

　　（3）對(duì)稱輪載和偏心輪載作用下兩個(gè)試件面板下表面焊栓接頭中心線上的主應(yīng)力分布。共同特點(diǎn)是，當(dāng)輪載靠近和離開圓弧缺口時(shí)，最大主應(yīng)力基本上相同，當(dāng)輪載離開圓弧缺口時(shí)，最小主應(yīng)力比靠近圓弧缺口時(shí)稍大；當(dāng)兩種輪載正好壓在圓弧缺口上面時(shí)，兩個(gè)試件的最大主應(yīng)力達(dá)到極值，且數(shù)值基本上相同，在對(duì)稱輪載作用下，試件I和試件Ⅱ的最大主應(yīng)力分別為 47.3MPa和 42.2MPa，在偏心輪載作用下，試件I和試件Ⅱ的最大主應(yīng)力分別為 71.6MPa和 71.7MPa，但是在焊栓接頭中心線的橫向?qū)?yīng)點(diǎn)上，試件I的最小主應(yīng)力比試件Ⅱ的小，例如，當(dāng)y＝150mm時(shí)，在對(duì)稱輪載作用下，試件I和試件Ⅱ的最小主應(yīng)力分別為-37.4MPa和-13.7MPa，在偏心輪載作用下，試件I和試件Ⅱ的最小主應(yīng)力分別為-28.8MPa和-7.7MPa.不同的是，在偏心輪載作用下，兩個(gè)試件的最大主應(yīng)力比在對(duì)稱輪載作用下的大，最小主應(yīng)力比在對(duì)稱輪載作用下的小。

　?。?）兩個(gè)試件在兩種輪載作用下的A，B，C三點(diǎn)的最大應(yīng)力隨輪載位置變化而變化的曲線?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論：

　　a．當(dāng)輪載經(jīng)過圓弧缺口時(shí)，A點(diǎn)的主應(yīng)力以正為主，且對(duì)兩個(gè)試件主應(yīng)力的影響趨勢(shì)相同，兩個(gè)試件的最大主應(yīng)力曲線幾乎重合。

　　b．輪載位置對(duì)兩個(gè)試件的主應(yīng)力的影響趨勢(shì)正好相反，即當(dāng)輪載經(jīng)過圓弧缺口時(shí)，試件I的主應(yīng)力隨著輪載的前進(jìn)先變小，然后增大，試件Ⅱ則生好相反。但不管哪種情況，輪載位置對(duì)B點(diǎn)主應(yīng)力的影響幅值都較小，在所計(jì)算的多種工況中，在對(duì)稱輪載作用下，試件I的主應(yīng)力的變化幅值不超過 9.4MPa，試件Ⅱ的主應(yīng)力的變

　　化幅值不超過12．4MPa，在偏心輪載作用下，試件I的主應(yīng)力的變化幅值不超過ll.lMPa，試件Ⅱ的主應(yīng)力的變化幅值不超過 17.2MPa.

　　c．當(dāng)輪載經(jīng)過圓弧缺口時(shí)，對(duì)兩個(gè)試件主應(yīng)力的影響趨勢(shì)相同，即都是先變小，再增大。在對(duì)稱輪載作用下，C點(diǎn)的最大主應(yīng)力為正，最小主應(yīng)力為負(fù)，在偏心輪載作用下，最小主應(yīng)力為負(fù)，最大主應(yīng)力則先變?yōu)樨?fù)，然后轉(zhuǎn)為正，特別是試件Ⅱ，變化幅值較大，最大主應(yīng)力變化幅值為 29.OMPa，最小主應(yīng)力變化幅值為 36.7MPa.

　　七、結(jié)束語(yǔ)

　　正交異性鋼橋面板工地接頭中面板采用全熔透對(duì)接焊、U形肋在兩側(cè)肋板采用摩擦型高強(qiáng)度螺栓拼接后，通過兩個(gè)足尺試件的靜載和疲勞試驗(yàn)以及有限元分析，結(jié)果表明U形肋圓弧缺口寬度分別為50mm和100mm的兩種構(gòu)造細(xì)節(jié)均有可靠的連接剛度，實(shí)測(cè)局部應(yīng)力都小于設(shè)計(jì)容許應(yīng)力，疲勞強(qiáng)度也滿足規(guī)范要求，因此，兩種構(gòu)造細(xì)節(jié)都有可靠的工作性能。在滿足施工要求的條件下，建議U形肋圓弧缺口不要過大，實(shí)際結(jié)構(gòu)上U形助圓弧缺口寬度為70mm.