正交异性钢桥面板疲劳控制技术探析

李军平

摘要：正交异性钢桥面板的疲劳问题一直困扰着桥梁建设者们。多年来，桥梁的建设方、设计、研究单位及高校、钢桥制造厂都在努力研究解决这一难题。本文结合正交异性钢桥面板的常见病害、研究进展，在分析的基础上提出了病害预防措施及应该注意的一些问题，可供相关人员参考、借鉴。(注：本文曾发表于年第5期《施工技术》，并做了局部修改。)关键词：钢梁；正交异性钢桥面板；疲劳控制；探析

1前言

自正交异性钢桥面板应用以来（年世界上第一座扁平钢箱梁悬索桥－英国Severn桥建成，年就发现了大量裂纹），世界各国的正交异性钢桥面板结构都出现过问题，并且疲劳引起的病害居多，这些疲劳病害呈现多发性、突然性，影响了钢桥的耐久性及运营安全，从而引起了广泛的 　　众所周知，我国干线公路上超载现象普遍且十分严重，超载现象的存在加大了正交异性钢桥面板各构造细节的应力幅值，降低了其疲劳寿命[4]。尽管采取了计重收费、超载罚款等措施，有些桥梁超载现象依然没有得到根本缓解，另有一些桥梁由于病害较为严重而采取了限超措施。总之，超载是正交异性钢桥面板疲劳病害的主要原因之一，必须由政府主管部门出台强制性规定来解决这一问题。

4.2设计细节改善措施

4.2.1大多桥梁已经采纳的改进措施

正交异性钢桥面板特殊的构造和受力特点以及汽车轮载的反复作用，给其疲劳寿命带来了一定的影响。随着人们认识的不断深入，一些设计细节的优化、改进，解决了一些疲劳问题，值得肯定，主要的优化举例如下：

　⑴面板厚度由原来的12mm、14mm改为16mm、18mm，面板U肋由原来的6mm改为8mm，提高了钢桥面板的局部和整体刚度，降低了面外变形引起的次应力，对其疲劳性能改善有一定的作用。另外，早期建造的钢箱梁桥，横隔板间距较小者（间距小于2.8m），具有较好的抗面外变形的能力，出现的问题较少[5]，值得借鉴。

⑵横隔板在面板与U肋角焊缝处过焊孔的改进提高了该部位的疲劳性能（见图2）。

图2面板与U肋相交处过焊孔的演变

⑶改整体横隔板设计为桥面板单元带接板，避免了仰焊作业，有助于提高焊接质量（见图3）。

图3横隔板的优化改进

⑷面板U肋工地对接接头由焊接改为栓接（见图4），使得“U肋嵌补段对接焊缝裂纹”这一类疲劳病害得到根除。

图4面板U肋工地对接接头的改进

4.2.2提高正交异性钢桥面板U肋焊缝耐久性的一些做法

近几年，针对正交异性钢桥面板U肋焊缝的疲劳问题，多个团队先后提出了镦边U肋方案、U肋焊缝单面焊双面成型方案、U肋双面焊方案、U肋双面焊熔透方案，等等。从理论分析角度，U肋双面焊方案使得接头形式发生了改变，使原来单侧焊的焊根在交变荷载下的开合变形得到了约束，对提高性能应有一定的好处。但是否需要熔透值得商榷，因为，国内外正交异性钢桥面板U肋采用单面焊的桥梁也不是个个都出现了疲劳问题，另外，U肋双面焊与桥面板采用板肋时双面角焊缝焊接有多大区别？当然，一切改进措施都得等实桥的验证。

4.3良好的制造质量措施

良好的制造质量是提高正交异性钢桥面板疲劳性能的关键，主要包括合理的工艺设计、相关零部件的加工精度、组装精度以及较高的焊接质量[6][7]。

⑴合理的工艺设计。正交异性钢桥面板作为钢箱梁疲劳问题突出的构件，在工艺设计上，应优先采用先进的加工设备（见图5、图6、图7），一是可以避免人为因素的影响，二是有利于确保质量的稳定性；其次，应有切实的工艺措施确保零部件的加工、组装精度，以及必要的细节处理措施。

图5U肋制作

图6钢桥面板单元组装

图7钢桥面板单元自动化焊接

⑵零部件加工精度控制。包括U肋焊接边坡口加工精度（双面铣床有助于保证坡口加工精度）、横隔板上U肋槽口工艺留量及加工精度、顶板平整度等控制。

⑶组装精度的控制。组装精度是确保正交异性钢桥面板焊接质量、提高抗疲劳性能的关键所在。如：U肋与顶板的组装间隙、横隔板或接板与顶板、U肋的组装间隙等。

⑷关键部位焊缝的细节处理措施。典型疲劳裂纹常产生于结构突变处、受拉残余应力区及焊缝不连续区，采取相应措施消除应力集中有助于提高焊缝的抗疲劳性能。如：U肋与面板、横隔板的焊缝端部应进行打磨匀顺处理（见图8a、图8b）；横隔板与面板和U肋焊缝拐角处应采取连续焊接工艺、横隔板与U肋焊缝端部应采取围焊及局部打磨处理等（见图8c）。

图8关键部位焊缝的细节处理

5值得思考的问题

正交异性钢桥面板的疲劳问题究竟如何解决？除了超载原因，U肋与面板焊缝的裂纹是由于强度不足吗？多个试验结果表明，该处应力幅并不大。一些焊接专家认为，U肋焊缝的疲劳是由于焊缝的缺陷或缺欠引起的，那么，是否焊接量越大产生缺陷或缺欠的概率就越大，值得深思。

合理的设计细节有利于焊缝疲劳，良好的制造质量更有利于减少或避免焊缝缺陷或缺欠的产生，这些都是提高疲劳性能的关键所在。可一些设计者为了避免高栓断裂引起的安全事故，将面板U肋工地接头仍设计成焊接连接等；一些厂家制造质量较差（仅举三例，见图9、图10、图11），更是无法保证钢梁的耐久性。

图9某钢箱梁桥正交异性钢桥面板的疲劳开裂情况

图10某钢箱梁桥面板单元的制作情况

图11某钢箱梁桥梁段总拼情况

可以看出，图9中通车仅四年就出问题的钢箱梁桥，制造质量很差，应该是产生疲劳裂纹的主要原因之一，当然，该桥面板单元的U肋桥位接头采用的是焊接连接而非栓接连接。图10是正在制作的某桥桥面板单元，问题更多：组装不除锈；应为连续定位焊而采用的是断续定位焊，且定位焊质量极差；U肋端头切割质量极差；桥位U肋接头采用的是焊接连接，且钢衬垫组装间隙过大。如此质量，如何保证耐久性？图11的钢箱梁为整体横隔板，需仰焊作业；另外，面板上的U肋与横隔板匹配极差，一侧手工配切后焊接、一侧大间隙填充焊接，自然留下了较大的疲劳隐患。

6结束语

引起正交异性钢桥面板耐久性的原因是多方面的，但只要严格限制超载、注重设计细节的合理性、具有深厚的造桥理念以及先进的设备、良好的制造质量，再加上合理可行的技术创新是能够解决其耐久性问题的；而一些不合理的所谓创新，只能增加成本，与提高耐久性并无益处。希望引起相关人员的重视。

参考文献：

[1]曾志斌.正交异性钢桥面板典型疲劳裂纹分类及其原因分析[j].钢结构，,26（2）：9-15.

[2]鞠晓臣，曾志斌，方兴，史志强.正交异性钢桥面板U形肋与横隔板连接处弧形缺口几何参数优化研究[j].钢结构，,31（11）：19-25.

[3]张清华，卜一之，李乔.正交异性钢桥面板疲劳问题的研究进展[j].中国公路学报，,30（3）：14-30.

[4]王辉，霍智宇，刘峰作.超载对正交异性钢桥面板疲劳寿命影响研究[j].公路工程，,42（4）：59-62.

[5]张剑峰，李军平，车平.正交异性钢桥面板疲劳细节优化方案探讨[j].电焊机，,48（4）：9-13.

[6]车平，李军平，张梁，刘治国.大型钢桥梁正交异性钢桥面板制作工艺研究[j].钢结构，,29（12）：53-57.

[7]刘治国，李军平，张梁，车平.正交异性钢桥面板细节构造及关键制造技术[j].公路交通科技（应用技术版），,8：-.

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