周鑫鑫 楊清塵 劉泰瑋

(重慶交通大學(xué) 重慶 400000)

正交異性板鋼箱梁橋面結(jié)構(gòu)及疲勞破壞概述

周鑫鑫 楊清塵 劉泰瑋

(重慶交通大學(xué) 重慶 400000)

正交異性板箱梁橋面結(jié)構(gòu)有著諸多的優(yōu)點(diǎn)，但因結(jié)構(gòu)本身和燥縫存在的初始缺陷以及直接承受車輪荷載反復(fù)作用的綜合影響，正交異性鋼橋面板是極易出現(xiàn)疲勞損傷的。本文通過(guò)總結(jié)概述，對(duì)其結(jié)構(gòu)以及疲勞破壞的研究發(fā)展有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)。

正交異性板；疲勞破壞；鋼箱梁

一、世界各國(guó)對(duì)正交異性板鋼箱梁橋面結(jié)構(gòu)的運(yùn)用

第二次世界大戰(zhàn)以前，在設(shè)計(jì)鋼主梁時(shí)，從滿足結(jié)構(gòu)抗風(fēng)和強(qiáng)度出發(fā)，懸索橋主梁一般采用鋼析架形式，如金門大橋、布魯克林橋;梁式橋主梁采用鋼板梁形式。第二次世界大戰(zhàn)后，當(dāng)時(shí)的德國(guó)需要修復(fù)大量被戰(zhàn)爭(zhēng)毀壞的舊橋，另外也需新建大量的橋梁，但是材料短缺是一大難題。為了解決這個(gè)問(wèn)題，工程師們研究出了一種新的橋面結(jié)構(gòu)形式——正交異性鋼橋面板。它由縱橫向相互垂直的加勁肋(縱肋和橫肋)連同橋面蓋板共同組成。這種形式的橋面板同時(shí)充當(dāng)主梁上翼緣，與主梁一起參與結(jié)構(gòu)受力，這樣既減輕了自重，又節(jié)約了材料。德國(guó)的工程師們最先將這種正交異性橋面板應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)，隨后日本、南斯拉夫、奧地利、加拿大、美國(guó)等改建和修建了大量的正交異性橋面板橋梁結(jié)構(gòu)。

1950年德國(guó)建成了Kurpfalz橋，該橋是世界上第一座鋼橋面板不但作為橋面系，同時(shí)還作為主梁的上翼緣參與主梁工作的橋梁，其建筑高度只有1.72m，用鋼量390kg/m2，僅為原址毀壞舊橋用鋼量的2/3，這充分體現(xiàn)了正交異性鋼橋面板的優(yōu)越性。第一座擁有正交異性橋面板的懸索橋是跨越萊茵河于1951年建成的Cologne-Muelhein橋。1966 年英國(guó)修建了第一座采用流線型鋼箱梁為加勁肋的跨度 988 m 的懸索橋—塞文橋(Seven)。而之后修建的單跨 1 073 m 的博斯普魯斯橋，恒比爾橋(280 m+1 410 m+530 m)等均采用正交異性箱型加勁梁。日本著名的斜拉橋多多羅大橋(主跨 890 m)主梁采用的也是正交異性板鋼箱梁結(jié)構(gòu)。

二、我國(guó)對(duì)正交異性板鋼箱梁橋面結(jié)構(gòu)的運(yùn)用

我國(guó)對(duì)正交異性板鋼箱梁和正交異性鋼橋面板的研究和應(yīng)用較晚，直到20世紀(jì)80年代中后期才開(kāi)始正式將正交異性鋼橋面板應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)中，到目前為止，我國(guó)幾十座大跨徑橋梁都是采用正交異性板鋼橋面結(jié)構(gòu)形式。江陰長(zhǎng)江大橋、南京長(zhǎng)江二橋、潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江公路大橋、廣東虎門大橋、南京長(zhǎng)江第三大橋、蘇通長(zhǎng)江大橋等，其加勁梁均為扁平流線型閉口肋鋼箱梁。

正交異性鋼橋面板是由互相垂直的縱橫向加勁助與橋面板一起構(gòu)成的共同承受車輪荷載的結(jié)構(gòu)。由于其具有自重輕、建筑高度低、極限承載能力大，使用壽命長(zhǎng)，易于加工制造和安裝、結(jié)構(gòu)連續(xù)、可釆用無(wú)斷縫路面等諸多優(yōu)點(diǎn)，正交異性鋼橋面板在國(guó)內(nèi)外的大、中跨度現(xiàn)代鋼橋中被越來(lái)越多運(yùn)用?，F(xiàn)在我國(guó)很多城市高架橋也開(kāi)始大量采用正交異性板鋼箱梁結(jié)構(gòu)。

三、疲勞破壞概述

正交異性鋼橋面板在具有上述的諸多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也具有結(jié)構(gòu)板件眾多、構(gòu)造復(fù)雜等重要特性，再考慮到燥接工藝造成的殘余應(yīng)力，結(jié)構(gòu)本身和燥縫存在的初始缺陷以及直接承受車輪荷載反復(fù)作用的綜合影響，正交異性鋼橋面板是極易出現(xiàn)疲勞損傷的。德國(guó)早期建設(shè)的Haseltal橋和Sinntal橋在運(yùn)營(yíng)不久后就出現(xiàn)了疲勞損傷，日本、美國(guó)等國(guó)家也陸續(xù)在正交異性鋼橋面板橋梁上發(fā)現(xiàn)了疲勞損傷。我國(guó)對(duì)正交異性鋼橋面板的使用時(shí)間不長(zhǎng)，但是由于車輛載重和交通量持續(xù)快速的增長(zhǎng)，現(xiàn)已在諸如廣州虎門大橋、江陰長(zhǎng)江大橋、廈門海滄大橋等多座橋梁的正交異性鋼橋面板中發(fā)現(xiàn)疲勞損傷。

疲勞破壞是鋼橋破壞中最為普遍的形式之一，它是指鋼材在等幅或者變幅荷載的反復(fù)作用下，由于鋼材存在瑕疵或者局部有細(xì)微裂紋產(chǎn)生進(jìn)而不斷發(fā)展直到發(fā)生斷裂破壞的過(guò)程。正交異性鋼橋疲勞破壞的原因是多方面的，首先，正交異性鋼橋面板構(gòu)造復(fù)雜，縱橫肋與橋面板之間多處焊縫由于焊接產(chǎn)生殘余應(yīng)力；其次，結(jié)構(gòu)本身的缺陷以及施工質(zhì)量，車輪荷載反復(fù)作用，交通量及車輛軸重的增加；另外，鋼橋面板各部位的應(yīng)力影響線較短，增加了輪載產(chǎn)生的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。以上的這些因素都促進(jìn)了正交異性鋼橋面板的疲勞破壞。在實(shí)際工程中，縱肋等多為現(xiàn)場(chǎng)焊接，接頭多，再加上對(duì)焊工的技術(shù)要求比較高，焊接質(zhì)量不容易保證。此外，由于目前多采用閉口式縱肋斷面形式，不方便對(duì)鋼橋面板的疲勞裂紋進(jìn)行檢查和修復(fù)，一旦出現(xiàn)疲勞開(kāi)裂，修復(fù)起來(lái)十分麻煩，修復(fù)費(fèi)用也非常昂貴。經(jīng)過(guò)工程師們研究及大量模型和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)顯示，閉口肋形式的正交異性板鋼箱梁疲勞裂紋主要出現(xiàn)在以下幾個(gè)關(guān)鍵部位：縱肋與橋面板的連接區(qū)域；縱肋與橫隔板的連接區(qū)域(即橫隔板弧形開(kāi)口處)；鋼橋面板的橫向拼接區(qū)域(即U肋嵌補(bǔ)段)。

19世紀(jì)初，人們開(kāi)始對(duì)疲勞現(xiàn)象有所重視。德國(guó)學(xué)者Wohler A最先對(duì)疲勞現(xiàn)象進(jìn)行系統(tǒng)研究并設(shè)計(jì)制造了第一臺(tái)疲勞試驗(yàn)機(jī)，對(duì)金屬試件進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)。他在1871年發(fā)表的論文中，首次對(duì)疲勞極限的概念以及疲勞壽命和循環(huán)應(yīng)力的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)的論述，并且建立了兩者的關(guān)系曲線—S-N曲線，指出疲勞破壞的直接因素是應(yīng)力幅。Wohler A被公認(rèn)是疲勞的奠基人，他不僅開(kāi)創(chuàng)了金屬疲勞的研究的先河，并且奠定了鋼橋面板的疲勞研究的基礎(chǔ)。前蘇聯(lián)人C.B.Cepehceh在20世紀(jì)40年代提出了常規(guī)疲勞設(shè)計(jì)，并推導(dǎo)出了常規(guī)疲勞的設(shè)計(jì)計(jì)算公式。疲勞壽命的設(shè)計(jì)方法分為有限壽命設(shè)計(jì)和無(wú)線壽命設(shè)計(jì)，其中根據(jù)S-N曲線的水平段進(jìn)行的設(shè)計(jì)稱為無(wú)限壽命設(shè)計(jì)；根據(jù)S-N曲線的斜線段進(jìn)行的設(shè)計(jì)稱為有限壽命設(shè)計(jì)。目前我們主要研究的是有限壽命設(shè)計(jì)，方法主要有：Miner線性累積損傷法則，雨流計(jì)數(shù)法，疲勞壽命的仿真計(jì)算等。其中，Miner線性累積損傷法則到今天為止仍然是鋼橋疲勞設(shè)計(jì)中十分重要且有效的法則。

目前，在國(guó)內(nèi)外的正交異性鋼橋面板的橋梁中已觀察到不同程度的疲勞開(kāi)裂，由于疲勞破壞造成的橋梁事故也越來(lái)越多，因此，歐洲、日本和美國(guó)開(kāi)始對(duì)鋼橋面板的疲勞進(jìn)行系統(tǒng)研究，從簡(jiǎn)單的小尺寸模型試驗(yàn)逐漸發(fā)展為足尺模型試驗(yàn)，將鋼橋面板的設(shè)計(jì)、制造、安裝與疲勞綜合考慮并取得了一系列研究成果，并陸續(xù)納入到鋼橋設(shè)計(jì)規(guī)范中，比較完善的如英國(guó)規(guī)范BS5400，歐洲規(guī)范EURO CODE，美國(guó)規(guī)范AASHTO LRFD等等。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，正交異性鋼橋面板由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在大、中跨徑橋梁中得到廣泛應(yīng)用，國(guó)外對(duì)正交異性鋼橋面板的疲勞性能有一定研究，但由于復(fù)雜的構(gòu)造細(xì)節(jié)，與以往鋼橋主梁的疲勞性能研究相比還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，許多復(fù)雜問(wèn)題還沒(méi)有研究清楚，對(duì)于有些問(wèn)題研究甚至得出相悖的結(jié)論，因此目前仍有許多學(xué)者對(duì)其疲勞細(xì)節(jié)進(jìn)行探討;我國(guó)對(duì)正交異性鋼橋面的研究才剛剛起步，對(duì)其疲勞性能的研究不夠充分，試驗(yàn)所用試件少，得出的結(jié)論還缺乏可靠性，為了更好地促進(jìn)正交異性鋼橋面板在我國(guó)的工程應(yīng)用，亟待對(duì)正交異性鋼橋面板疲勞及設(shè)計(jì)參數(shù)理論進(jìn)行系統(tǒng)研究。

周鑫鑫(1995.10-)，浙江衢州人，橋梁工程專業(yè)，重慶交通大學(xué);楊清塵，重慶交通大學(xué)，地鐵及軌道工程專業(yè);劉泰瑋，重慶交通大學(xué)，橋梁工程專業(yè)。