大型公路鋼箱梁正變異性橋面板
發布時間：2010-01-14 共2頁
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段之間的連接，過去均采用全焊或高強度螺栓連接。各國實橋運營經驗表明，這兩種連接方式各有不足。全焊連接時，U形肋嵌補段對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，仰焊焊接質量比俯焊難以保證，經過一段時間運營后在這些焊接處容易產生疲勞裂紋。采用高強度螺栓連接時（橋面板、縱向U形助），橋面鋪裝層因栓接接頭而受到削弱，給銷裝工藝和質量控制帶來很大難度，鋪裝層容易產生裂紋、剝離等病害，而且螺栓用量大，造價高。基于以上原因，最近出現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形肋采用高強度螺栓連接。日本已將此方案作為首選方案納入設計規范。該方案克服了全焊連接和全部栓接的各自缺點，可以說這是目前最先進的連接方式。南京長江第二大橋南汊橋在我國首次采用這種連接方式，因為是第一次采用，需通過模型試驗和有限元分析來驗證其連接剛度、局部應力和疲勞性能。本文對正變異性橋面板工地接頭構造細節的演變進行了綜述，并對該接頭的足尺試件進行了試驗研究和有限元分析。
二、鋼橋面板工地接頭構造細節的演變
1.鋼橋面板的構造細節
對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.正交異性鋼板結構橋面板的自重約為鋼筋混凝土橋面板或預制預應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構形式。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造細節，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，兩橫梁之間設一橫肋。
制造時，全橋分成若干節段在工廠組拼，吊裝后在橋上進行節段間的工地連接。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造細節的改進
鋼橋面板作為主梁的上翼緣，同時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，在焊縫交叉處設弧形缺口，其構造細節很復雜。當車輛通過時，輪載在各部件上產生的應力，以及在各部件交叉處產生的局部應力和變形也非常復雜，所以鋼橋面板的疲勞問題是設計考慮的重點之一。自1966年英國Severn橋（懸索橋）采用扁平鋼箱梁以來，鋼橋面板陸續出現許多疲勞裂紋，主要產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，產生裂紋后修補又比較困難，50年來．通過一系列的試驗研究和有限元分析，以及實踐經驗總結，對鋼橋面板構造細節的設計和焊接不斷進行了改進，使得鋼橋面板產生裂紋的概率大大減少。這里僅介紹鋼橋面板工地接頭構造細節設計的演變，過去采用的縱向肋焊接對接和高強度螺栓對接，改進后的構造細節，即面板對接采用陶瓷襯墊單面焊雙面成型工藝，U形肋采用高強度螺栓對接拼接。
改進后的構造細節既克服了工地接頭縱向U形肋嵌補段的仰焊對接，從而改善了疲勞性能，又避免了面板栓接拼接對橋面鋪裝層的不利影響。這種構造細節在1999年建成的日本來島大橋、明石海峽大橋（懸索橋）和多多羅大橋（斜拉橋）中得到應用。
三、試件設計和制造
根據《美國公路橋梁設計規范》（1994年版），用于計算正交異性鋼橋面板剛度和恒載引起的彎曲效應時，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，面板內側需貼陶瓷襯墊，因此焊縫下面的U形肋側壁須開缺口以便襯墊通過。缺口寬度過小不便于施工，寬度過大易導致附近局部應力增加。日本的鋼箱梁橋在此種構造細節設計中采用的缺口寬度為75mm和120mm.
兩個足尺試件模擬南京長江第二大橋南汊橋的設計圖，取一個U形肋單元，跨長3750mm（實橋橫隔板間距），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為100mm.
試件材質為 16Mnq，屈服強度為 395MPa，拉伸強度為 540MPa.試件的制造嚴格按照《南京長江第二大橋南汊橋鋼箱梁制造規則》的有關內容進行，試件在工廠制造完成后，經外觀檢查、超聲波探傷和高強度螺栓檢查，全部合格。
四、試驗概況
1.加載方案
我國《公路橋梁設計通用規范》（JTJ021-89）規定汽車-超20級荷載中550kN的重車后軸重力為2*140kN，后輪著地面積為寬*長=600mm*200mm.本試驗中加載點的接觸面積參考該規范選定，考慮試件為單肋，故將本試驗的加載寬度折減為400mm，即介于單輪與雙輪寬度之間。試驗中以一塊寬*長*厚=420mm * 200mm * 12mm的鋼板模擬橋面鋪裝層，以寬*長*厚=400mm * 300mm * 50mm的橡膠塊模擬車輪進行加載，試驗機為MTS300kN電液伺服試驗機，加載頻率為300次／min.
2.測點布置
為研究缺口附近面板上的應力分布情況，在缺口附近面板上密集布置測點，其中面板焊縫附近的12個測點貼雙向應變片測量縱、根雙向應力。除了缺口附近布置測點外，在試件跨中及與試件焊栓接頭對稱的位置，也相應地布置了測點。
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、對稱于焊栓接頭的部位、以及試件兩端都安裝了位移計。
3.靜載試驗
兩個試件都作靜載試驗。靜載試驗分兩種加載方案，一種是在焊栓接頭處加載，另一種是在跨中加載。根據有限元計算，當試件跨中作用140kN的荷載時，試件最大應力處（跨中U形肋下表面）的應力達到設計容許應力200MPa，試驗中考慮到較實際受力情況更不利的狀態，將最大靜載加到 175kN，為實際軸重力的 2.5倍，使試件的最大計算應力達到鋼材流動極限的75％。加載等級分四級和五級。
4.疲勞試驗
選取試件Ⅰ進行疲勞試驗，疲勞試驗加載位置為焊栓接頭處，荷載范圍40～90kN，循環次數為 200萬次。根據有限元計算，試件跨中加 4OkN荷載時，試件跨中 U形肋下表面的最大應力與橋梁恒載作用下產生的最大應力相當，當加90kN荷載時，其最大應力與橋梁恒載、活載共同作用下產生的最大應力相當，故選取以上疲勞試驗加載范圍。
