钱冬生--关于正交异性钢桥面板的疲劳

关于正交异性钢桥面板的疲劳

——对英国在加固其塞文桥渡时所作研究的评介

钱冬生3

提　要　对英国塞文桥渡正交异性板构造的疲劳裂纹产生的原因、所作试验及对其疲劳寿命计算作了介绍,并进行了探讨。

关键词　英国　塞文桥渡　钢正交异性板　疲劳

3教授,610031,西南交通大学

1　塞文桥渡的原结构

塞文桥渡包含:中跨988m 的塞文悬索桥,中跨

234.7m 的瓦埃斜拉桥,跨度61.7～64.0m 的连续梁(引桥)。其钢梁为全部采用正交异性钢桥面板的单室单箱截面梁。

钢正交异性板桥面是在第二次世界大战之后于50年代初期出现的。开始时纵肋用开口截面,在60年代逐渐改为闭口截面。由于制造工艺使闭口纵肋长度受到限制,其设计长度以相邻两横梁之间的距离来决定。在塞文桥渡,此长度为4.572m (悬索桥范围内)和4.267m (其余部分)。纵梁两端抵住横梁,用角焊缝作连接(横梁实质上由横肋及横隔板组成,将箱梁的部分顶板和底板

当作横梁的翼缘使用;横梁高度与箱梁高度相同。)。按照悬索桥的设计说明,强度和刚度都不控制加劲

梁。因此,钢材厚度主要按制造和安装要求决定。面板厚度为11.5mm ,纵肋厚度为6.4mm ,角焊缝焊脚为6mm 。图1为英国TRRL (T ran spo rt and Road R esearch L abo rato ry ,运输和道路研究试验所)所用试件的截面,其中(a )完全按塞文桥渡各钢梁的尺寸办理,(b )表示改进方案,将纵肋截面从梯形改为V 形;

在纵

图1　TRRL 试件截面

肋同横梁相遇处,在横梁开孔,让纵肋穿过。

还需指出:塞文悬索桥在压低造价方面有些过火。它省去储梁场地,省去运梁驳船;只是需要在梁段端头敞口处,用一厚5mm 的横隔板充当“封头板”,使梁段变成浮体;既可在水上储存,又可用拖船直接将它推顶到桥位。这样一来,封头板上端便同梯形纵肋下缘相焊,而这一焊接构造就使纵肋在运营中开裂。2　英国桥规BS 5400第10篇

英国B S 5400第10篇是1980年公布的。其译本见文献[1],对其主要部分、特别是其从文献[3]制订焊接构造分级的经过,见文献[2]。

此规范的优点,在于讲明基本原理,那就是凭借荷载频值谱来推算验算点的应力频值谱,再用M iner 的线性积伤规则,将应力频值谱换算成常幅加载的应力,借以同验算点的疲劳抗力相比,若前者不大于后者,则验算就是通过。文献[1]p 182的插页内的表11,或文献[2]p 84的插页内的图3-11,都是该规范的典型营业车荷载。而文献[1]p 181的图10-17则是迹线分布频数图,这就是说,当某验算点的应力在横桥方向的影响线很短而纵标变化剧烈时,需要将横向影响线按100mm 宽度划分成10多份,按这图所给分布频数推算各份之内的车数,再按影响线纵标推算相应的应力,从而推出应力频值谱。文献[4]p 1所介绍的疲劳检算方法,就指出了要使用文献[1]的表11和图10-17。

关于验算点的疲劳抗力,文献[1]在第10篇附录H 用表17a 、b 、c 的图和文字说明了各种构造按疲劳抗力所进行的分级,包含A 、B 、C 、D 、E 、F 、F 2和G 以及W ,而附录A 则用S 2N 关系(致伤应力脉—加载次数)表达不同分级构造对疲劳的抗力。由文献[2]所介绍的制订这项构造分级的经过可知:所用作依据的疲劳试验的试件,一般是承受轴向力的小试件。因此,在这一规范正文第5.4条(见文献[1]p 115)明确指出:表17中的各分级不适用于公路桥正交异性钢桥面板的焊接构造。

8 桥梁建设 1996年第2期

3　塞文桥渡钢梁裂纹的修复

文献[5]明确指出:塞文桥渡的钢梁只是在下列三种构造发现开裂,经试验研究,拟订了修复、加固措施,并成功地实现。

3.1　封头板同纵肋下缘焊连处的开裂

在桥梁开通5年时就已发现。这是因为纵肋在汽车荷载下要下挠,而封头板顶住纵肋,不让它下挠,使纵肋在局部产生很高的应力。开裂从焊缝端头开始,接着向焊缝之内,以及纵肋基材的纵向及横向发展。经将封头板切开,对裂缝进行补焊。经按单件制成试件,并用静力试验来量测汽车荷载使开裂点所致的最大应力脉动量,知其为77N mm2。通过疲劳试验及推算,知这种补焊构造的使用寿命只是3至5年。经将纵肋下缘开裂处切除,使用高强螺栓及拼接板来传力(以越过切口);先用单件为疲劳试件,继而按板段制为试件,经证明这种构造在应力脉为77N mm2之下的寿命超过120年。于是,按这种构造在桥上修补了3处,并装配量测仪表,以便TRRL进行应力测读。在使用达7年之后,将这种构造拆下来检查,没有发现异常。全桥共进行了这种修补160处。到文献[5]发表时,一般已使用了10年,其行为堪称满意。进行每一个这种修补,需20个工时。

3.2　纵肋端头用角焊缝连在横梁处的开裂

纵肋的壁厚,横梁(横肋)的腹板厚,都是6.4mm。在纵肋端头和横梁之间,用6mm角焊缝作连接。桥梁开通11年时,发现角焊缝开裂。其初用静力试验来量测该处因荷载所生应力,发现其差异能达3倍,猜想这是和制造尺寸及装配误差有关。经按原设计制成若干单件和一个板段进行疲劳试验,其结果是离散性颇大,只能将其抗力分级按B S5400第10篇的G级(最差的一级)考虑。再按规范的典型营业车荷载谱进行推算,发现原构造的疲劳寿命只是6年。为使疲劳寿命达120年,需将此值放大20倍。但在对此桥的这一开裂出现频率进行认真考察,并将桥上实际通过的车辆重量同设计中的采用值对比后,认为:只需将寿命放大9倍,也就是将抗力分级从G提高到D就行。

曾经提出过好几种修补方案,先是进行单件疲劳试验进行筛选,再对其疲劳抗力较高者按板件进行疲劳试验来验证。筛选时落选的主要是:①加大角焊缝的脚长,或加大熔深,原因是其对抗力的提高很有限;②高强栓构造,原因是纵肋及横梁间的构造尺寸变异性大,使拼接板的预制有困难;纵肋是闭口截面,安置螺栓不方便;工作地点狭窄,非有专用工具不行;③用粘合剂将小连接板粘在这里进行补强,工艺质量不稳定,疲劳

抗力也提高不多;④将小连接板改为用焊接作连接,其效果比用粘合剂者为优,但它还不如将小连接板改为“兜底板”。

最终采用的兜底板截面尺寸是8mm×40mm,长度大约400mm,每纵肋的每一端用一块。将它加热,借能置在纵肋下面,照纵肋形状来弯曲、密贴于纵肋下缘,并靠着横梁;然后用角焊缝将它的一边焊于纵肋,另一边焊于横梁上。为提高其疲劳抗力,还用小锤敲击其焊缝趾部。经用板件作疲劳试件,证实其疲劳抗力远远高出D级。这样的每个修补,需耗30个工时。

对于这里的荷载应力特性以及残余应力,文献[5]未加讨论。这在下面4.2再讲。

3.3　纵肋边缘用角焊缝连于面板处的开裂

此桥原用的角焊缝脚长是6mm,通车11年后发现这里有裂纹。经按原构造制成疲劳试件,试验结果表明其抗力是F级。若将现有角焊缝铣去,在纵肋壁开坡口,用多趟仰焊,让角焊缝焊脚达9mm,有效厚度(喉深)达7.5mm,则所得构造的疲劳抗力能越过D级,能满足要求。

当时所遇的困难是工艺问题。用于铣削的设备,需要满足4个条件:

①因为桥面板不很平,纵肋不太直,而钢材又较薄,如铣削过度就不易补正,故对于机具的走行轨道和切削深度需要精确控制;②铣削是在不中断行车条件下进行的,机具应能适应面板因通行活载所发生的总体及局部挠度;③机具装置在桥面板之下,其工作需仰着向上进行,对意外情况(例如停电)下的安全需有保证;对于纵肋,不容许钻孔;④箱梁进入孔的尺寸是600mm ×300mm,机具必需能通过此孔;箱内空间有限,机具的装拆及操纵至多只容许两人同时工作。TRRL经将机具的研制发包给制造工程研究所(P roducti on Engineering R esearch A ssociati on)进行。条件是:机具不能用人工手持(因总修补长度达50km,历时很长;而在焊接完成之后,对于坡口尺寸又无法检查,这就不能依靠手持工具);每次铣削长度为1m(在不中断行车条件下,为了安全,每次所能铣去的焊缝长度至多只能是1m)。最后采用的设备,是用立在箱梁底板的门架(其柱的长度可用气缸及压缩空气调节),在门架上面装设轨道,在轨道上设置装有机具的跑车,让机具通过可调节的球面支承抵紧桥面板和纵肋,而铣削深度都是以相对于桥面板和纵肋来决定。在将这套设备在实验室和实桥反复调试并修改之后,乃决定采用。其铣削速度是20mm m in;对每一长4.57m的纵肋,需耗40个工时。

对于开裂断面的位置,文献[5]没有说明,这将在本

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