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1、4.5.6 结论 . 65 4.6 小结 .65 参考文献 .66 第 4 章 虎门大桥正交异性钢桥面板疲劳问题研究 4.1 绪论 4.1.1 正交异性钢桥面板的发展概况 由于二战以后，德国钢材短缺，为节省材料，德国工程师建桥时采用了正交异性钢桥面板。早在1934年，Leonhardt教授就对此类桥面板进行了试验，并开发了相关的计算分析方法。正交异性钢桥面板采用钢板下设纵横肋，上设铺装层作为桥面，纵肋有开口和闭口两种形式，如图4.1-1所示。正交异性钢桥面板在现代钢桥中被广泛应用。 图4.1-1 正交异性钢桥面板示意 1） 正交异性钢桥面板的优点:正交异性钢桥面板具有:（1） 自重轻，（2）可

2、作为主梁的一部分参与共同受力;（3） 极限承载力大;（3）适用范围广等优点。在西德当时的桥梁设计中，桥梁设计荷2载采用DIN1072中的60级活载，采用混凝土桥面，桥面自重伟0.5t/m，采用正交异2性钢桥面，桥面自重0.125t/m，因此可以明显地减轻自重，增大跨度。2） 正交异性钢桥面板的种类和布置形式 在图4.1-1所示的钢桥面板在盖板下沿桥轴方向和垂直方向有加劲肋加劲，沿桥轴线的加劲肋叫纵肋，垂直桥轴线方向的加劲肋叫横肋或横梁。钢桥面板的纵肋，有抗扭惯性矩较小的开口截面肋和抗扭刚度较大的闭口截面肋，见图4.1-2。开口纵肋常见的有平钢板、球头钢板、L型肋、倒T型肋;闭口肋常个人简历 见

3、的有槽形肋、U形肋、V形肋和Y形肋。图4.1-2 正交异性钢桥面板纵肋的种类 闭口截面肋和盖板焊接，因为仅有外侧有角焊缝，所以焊接工作量和焊接变形比开口截面肋小。由于闭口肋的截面抗扭刚度大，与开口纵肋相比，就可以把横肋的间距做的大些，但是闭口肋在加工制做和受力性能要比开口肋要复杂的多。不同纵肋的形状对应横肋的间距如表4.1-1 表4.1-1 开口肋及闭口肋的适用跨度 经对相同跨径条件下的纵肋经计算表明，倒梯形纵肋受力及经济性能最为优越。其细部构造如图4.1-3a示。图4.1-3b为美国new San Francisco Bay bridge 钢梁及自锚式悬索桥加劲梁的V形加劲肋，常用U形加劲肋

4、的基本参数见表4.1-2。caaYaA280mma5tA大样bb （a）U肋的一般构造 （b）V肋的构造 图4.1-3 纵肋的详细截面 h表4.1-2 常用U形加劲肋参数 肋 尺寸 （mm） 面积 质量 惯性矩 24aht a b h t r e mm kg/m Ix （cm） 3202406 320 213.3 260 6 40 88.6 4026 31.6 2460 3202606 320 204.4 260 6 40 99.1 4219 33.1 3011 324.12428 324.1 216.5 242 8 40 89.9 5390 42.3 3315 324.12628 324.1

5、 207.7 262 8 40 100.3 5647 44.3 4055 3562979 356 152 297 9 38 大跨度斜拉桥、悬索桥加劲梁的桥面板强度并不控制设计，其刚度则往往成为制约板厚的主要因素。顶板的板厚一般采用12mm20mm，其纵向加劲肋普遍采用闭口U形加劲肋。表4.1-3 世界主要大跨度桥梁加劲梁及桥面板加劲肋参数 加劲梁参数 加劲肋参数 建成主跨 序号 桥名 国家 桥面板纵肋间距横隔板间距纵肋（mm） 年代 （m） 高（m） 宽（m） 厚（m） ath （mm） （mm） 英国 1 Humber 桥 1981 1410 4.5 22 12 V 608 4.525 土耳

6、其 2 Bosporus I 桥 1090 3.0 33.8 14 U 610 4.48 土耳其 3 Bosporus II 桥 1973 1074 3.0 28.0 12 V255*6*318 618 4.475 英国 4 Severn 桥 1966 988 3.05 22.85 11.4 U229*6.4*305 610 4.575 虎门大桥 中国 5 1997 888 3.0 33.0 12 U260*8*320 620 4.0 丹麦 7 Little Belt 桥 600 3.05 28.1 12 U250*6*300 600 3.0 丹麦 8 Great Belt East桥 199

7、8 1624 3.05 28.1 12 U300*6*300 600 4.0 大岛桥 日本 9 560 2.2 23.7 12 U260*6*320 620 4.0 明石海峡大桥 日本 10 1998 1991 12 U220*6*300 605 3.75 西堠门大桥 中国 在建 11 1650 3.5 37.4 14 U280*6*300 600 3.6 润扬长江大桥 中国 12 2005 1490 3.0 38.7 14 U280*6*300 600 3.22 西陵桥 中国 13 1996 900 3.0 20.6 12 U260*8*320 620 2.54 江阴桥 中国 14 1998

8、 1385 3.0 36.9 12 U280*6*300 600 3.2 苏通桥 中国 15 2008 1088 3.62 36.4 1422 U300*8*300 600 4 金门大桥 美国 16 1937 1280 16 U356*9*297 日本 17 Tatara（多多罗） 1999 890 2.7 30.6 1022 U320*8*240 620 法国 18 Normandie 1995 856 3.0 21.20 1214 U300*7（8）*250 600 3.93 3）正交异性钢桥面板基本构造 一般正交异性钢桥面板，均采用密布的纵肋和分布较疏的横肋来加劲桥面钢板，所以在组合后的

9、桥面板在两个垂直的方向刚度不同，弹性性能也不相同，把这个特性看成各向异性（anisotropy）之后，欧美各国便把这种钢桥面板起名为正交异性板（orthogonal- anisotropic plate，简写成orthotropic plate）。用钢板作桥面板，其厚度和纵肋的间距、加载条件、容许局部挠度等因素有关，一般不小于10mm，美国AASHTO LFRD（2004）第9.8.3.7条对正交异性钢桥面板的规定:桥面板的最小厚度不应小于14mm，或肋腹板间距最大值的4,。桥面板上用50mm以上的沥青铺装、或薄层环氧树脂铺装，或乳胶和橡胶混合铺装等加以防护。纵肋常采用开口肋和闭口截面构件，如

10、图4.1-2所示。在任何情况下，用它加劲12mm以上的盖板时纵肋的间距均在300mm左右。桥面板的最小厚度和纵肋间距的大小取决于纵肋承受的弯矩大小和铺装层的种类等因素。所谓12mm最小厚度和300mm的纵肋间距是指车道部分和一般的沥青铺装层而言，但是这一尺寸的桥面板在重型车辆的作用下，易出现疲劳问题。普通开口肋的尺寸约为10200mm,25300mm，这时横肋的间距是1.22.5m。闭口肋的肋壁一般取6mm以上，横肋的间距为2.04.0m。在横肋纵设置切口，使纵肋贯通，见图4.1-4。A 肋与横梁焊接 B 椭圆形切孔 C 圆形切孔（Haibach cope hole） 图4.1-4 纵肋与横梁

11、间的连接形式 4） 正交异性钢桥面板的力学性能 普通钢桥面板的桥梁，钢桥面板除了有桥面板和桥面系作用之外，还作为主梁的一部分发挥作用。特别是桥面钢板，既形成纵肋、横肋的翼缘部分，同时又作为主梁的上翼缘部分共同受力，所以其力学性能十分复杂。在桥梁设计时，一般按三个基本结构体系对钢桥面板加以研究:第一体系:将正交异性钢桥面板，主要是盖板和纵肋，看成是桥梁主梁的一个组成部分，参与桥梁整体受力。第二体系:是指纵肋、横肋和盖板组成的结构系，盖板被看成纵肋、横肋上翼缘的一部分。第三体系:把设置在肋上的盖板看成各项同性的连续板，这个板直接支撑作用于肋间的车轮荷载，同时把车轮荷载传递到肋上。在荷载作用下，钢桥

12、面板任何一点的内力可由上述三个基本结构系的内力适当叠加而近似求出。在第一体系中的正交异性桥面板，因和主梁腹板为刚性连接，能抵抗水平剪切，所以桥面板成为主梁的一部分而共同受力。这种情况下，钢桥面板的有效宽度一般与主梁跨度、支撑条件及荷载图示有关，而与板厚无关。均匀布载时的有效宽度约为主梁跨度的1/3，不论连续梁的跨中或简支梁的支点，有效宽度取值大致相同。当把有效宽度内的板看作主梁截面中的一部分时，钢桥面板的内力计算即与一般桥梁的内力计算相同，可以利用影响线求出。因此第一体系中要解决的仅仅是钢桥面板有效宽度如何确定的问题。假如撤除钢桥面板和主梁间的水平剪切的连接，就得到了第二体系。这时钢桥面板只是

13、支撑于主梁上的桥面系结构，它不承受由于主梁作用引起的纵向力，只有桥面板以上的外力才对它发生影响。以文献2的计算结果为例，说明正交异性钢桥面板在第一，第二第三体系中的受力情况。青岛海湾大桥红岛航道桥是正交异性钢桥面板斜拉桥，4跨连续半漂浮体系独塔双索面竖琴体系，斜拉桥全长360m，桥跨布置为60m+120m+120m+60m。主梁高3.3m，宽18.5m，采用流线型扁平闭口钢箱梁，箱梁全宽20m，桥面板厚16mm，铺装层60mm，顶板U肋间距600mm，高280mm，板厚8mm，横隔板厚10mm，间距3.6m。钢箱梁的标准断面如图4.1-5。第一体系受力，建立全桥杆系结构模型，计算荷载考虑结构自

14、重，桥面铺装和车辆荷载，通过空间杆系有限元模型，可以计算出主梁各截面内力。考虑中间截面的剪,1.12力滞系数后，中间截面桥面板压应力最大值为66.4MPa。第二基本结构体系（桥面体系），由纵肋、横肋和桥面板组成的结构。将整个桥面体系视为弹性体支撑在主梁上,承受桥面车轮荷载,其边界条件为纵梁和横梁。选择箱梁的最不利节段来计算其内力。钢箱梁采用全梁段板壳单元进行模拟,且在箱梁节段两端设置横桥向与竖桥向约束。计算荷载包括箱梁自重、桥面铺装和车道荷载,不考虑斜拉桥整体受力中主梁的轴力、剪力和弯矩的影响。图4.1-5 青岛海湾大桥红岛航道桥 钢箱梁断面 （单位mm） 图4.1-6 第二体系桥面板正应力

15、（单位MPa） 从图4.1-6可以看出，第二基本结构体系在荷载作用下，顶板的正应力在中间截面普遍较大,最大为20MPa，为拉应力;横隔板对顶板正应力的纵向分布影响不明显;在横隔板与纵隔板或腹板的相交处顶板正应力会增大。且从图4.1-6 中还可以看出，正应力在横向的分布不均匀也比较明显,在任意一截面处，腹板处及纵隔板处顶板的正应力比远离腹板和纵隔板的顶板上的正应力要大。作为第三基本结构体系的桥面顶板被视为弹性体支撑在纵肋和横隔板上的各向同性连续板,直接承受车轮局部荷载。计算模型纵向取两横隔板之间为2.6m，横桥向取3个纵向加劲肋，宽度为1.8m。顶板支撑在纵向加劲肋上,纵向加劲肋在其两端简支。计

16、算荷载有恒载和活载，恒载包括箱梁自重和桥面铺装，活载为车辆荷载。根据模型尺寸,横桥向能布置一列车轮,纵桥向也仅能布置一列车轮，以0.6m0.2m 的车轮作用面积用面力施加于桥面板上。车辆荷载分两种工况:一种是对称作用于纵向加劲肋上，另一种是作用于两个加劲肋之间。（a） 车轮横向布置在中间加劲肋上的正应力 （b） 车轮横向布置在两加劲肋之间的正应力 图4.1-7 第三基本体系顶板的正应力 单位:MPa 第三基本体系车轮作用在附近顶板上的正应力如图4.1-7所示。从图4.1-7可以看出，车轮荷载在顶板上横向布置对顶板纵桥向应力的最大值影响较小。当对称布置时，最大压应力值为30.5MPa;当布置在两

17、加劲肋之间时，最大压应力值为30.1MPa。第一、二、三基本体系应力叠加，对3 个体系的结果进行叠加时，一定要考虑叠加的适用范围。一般而言,在应力不超过材料的屈服极限时叠加可以进行，因而结构在线弹性范围内，采用3个基本结构体系分析正交异性板时，可采用叠加法。根据以上原理，将第二、第三体系求出的正应力与第一基本体系的正应力值相叠加，叠加后中间截面顶板正应力横桥向分布情况如图4.1-8所示。图4.1-8 叠加后顶板正应力沿横桥向的分布 单位:3个基本受力体系中，第一基本体系主要解决的问题是正交异性板的有效分布宽度问题，即剪力滞问题,求解出剪力滞系数后，即可按照一般梁桥的内力计算方法对桥面板的内力进

18、行计算;对于第二基本体系，当荷载相当于设计荷载的情况下，弯曲对应力的影响可忽略不计，根据一次理论按纯弯构件处理;对于第三基本结构体系，顶板直接承受轮重，当轮重增大时，弯曲应力进入薄膜应力状态，顶板的承载能力比按一次弯曲理论求出的计算值大，因此钢桥面板的计算中第三体系应力也可以不计入。应力叠加法是计算钢桥面板的一种近似的计算方法，将各个体系计算得出的应力叠加后结果一般偏于保守。4.1.2 正交异性钢桥面板的疲劳细节 a,沥青层;b,钢桥面板;c,纵肋;d,横梁;e,主梁;f,横向加劲肋 图4.1-9 正交异性钢桥面板的结构 常见的正交异性钢桥面板的基本结构见图4.1-9，此类钢桥面板桥梁在全世界

19、范围广泛修建，过去的几十年中，随交通流量和车辆轴重的增加，已在桥面板的不同连接部位发现了疲劳裂纹。虽然正交异性钢桥面板的加工方式和构造不同，会形成不同形式的疲劳细节，但是归纳起来，主要有以下几种疲劳细节裂缝:（1） 纵肋与桥面板焊接连接 （2） 纵肋拼接连接 （3） 纵肋与横隔板连接 （4） 纵肋与横隔板和桥面板的连接 （5） 横梁或纵梁腹板与桥面板的连接 （6） 桥面板的对接连接 以上几种疲劳细节中，1、4、5、6均可能使桥面板开裂，从而使桥面沥青铺装层龟裂，危及行车安全;2、3疲劳细节会使纵肋和横隔板开裂，降低桥面板刚度。下面对以上几种疲劳细节的裂缝成因进行简要的介绍。1） 肋与桥面板间纵

20、向焊缝的疲劳裂缝 桥面板肋与桥面板纵向焊缝的疲劳裂缝横梁肋腹板图4.1-10 肋与桥面板纵向焊接裂缝 图4.1-10显示肋与桥面间纵向焊缝的疲劳裂缝。裂缝的起源在纵向焊缝的焊根，裂源点可能在纵向焊缝的任意点，在纵肋与横梁的交点除外。在裂缝经过初始阶段后，裂缝沿焊缝的纵向和横向扩展，如果裂缝穿过U肋腹板，不会造成桥面板整体性和安全性构成威胁，因为桥面荷载会因桥面刚度变化而产生荷载重分配。如果裂缝扩展不是沿肋的腹板方向，而是击穿桥面板，会使桥面板因裂缝而产生不平顺，危及行车安全。裂缝产生的机理:槽形肋的腹板（web of the trough）支撑着桥面板，桥面板实际上就是一个多支撑的梁，一般支撑

21、间距300mm，在局部车轮作用下引起车轮位置肋间桥面板变形，临近桥面板反方向变形，这些变形使得U肋的腹板发生弯曲。由于纵肋截面的刚度有限，因此纵肋是弹性支撑而不是刚性支撑桥面板，支撑的弹簧刚度取决于横梁的间距，这一弹性特性导致轮载下桥面产生较大的变形，腹板的弯曲使得桥面与纵肋间的焊缝产生应力，这一应力是桥面板产生裂纹的根源。焊缝的裂纹除了受铺装层的影响外，最主要的因素受桥面与纵肋间焊缝形式的影响，裂缝的起源在纵肋腹板内侧与桥面板间的间隙（Kolstein，1996），另外全熔透焊缝要比单面角焊缝的疲劳性能要好。2） 纵肋拼接接点的疲劳裂缝 图4.1-11为纵肋拼接接点的疲劳裂缝，这类裂缝通常发生在桥面下纵肋的的横向拼接焊缝中，或衬垫的焊缝位置。裂缝一般起源于焊根，不会对桥面板的安全构成直接威胁，这类裂缝在正交异性钢桥面板中比较常见，多为焊接质量不