1-陈惟珍——世界钢结构桥的检测评定
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倒梯形肋优点： •仅需要两条焊缝与面板连接 •横梁间距可做到5m 但由于其受专利保护，许多桥只能采用 U形、六边形、V形及其他形状肋
纵肋与横梁交叉连接问题的处理方式： •冷弯型纵肋长可达12m，一般穿过横梁腹板 •横梁腹板切口还可应对梯形截面的制造公差
正交异性钢桥面板
—纵肋板厚的变化
增加纵肋钢板厚度 提高桥面板 纵桥向刚度 造成纵肋 冷弯困难 保证纵肋和顶板 间的焊接质量
正交异性钢桥面板
——桥面板抗疲劳和抗裂性能改进措施
• • 细节构造和装配的标准化 保证正交异性板具有足够的疲劳强度
• 道路沥青增强改性纤维的运用 （如钢纤维、玻璃纤维、木质素纤维、 碳纤维和聚合物合成纤维等）
提高桥面板的疲劳和抗裂性能
• • 高性能轻型组合桥面结构 （将正交异性板与改性的超高性能活性粉末混凝 土RPC通过剪力钉形成组合桥面协同受力） •提高桥面系刚度 •降低疲劳细节应力幅 •实现钢桥面系在其整个寿命期内基本 无疲劳开裂风险
钢桥评定与加固 研究进展
陈惟珍 教授
同济大学桥梁工程系
桥梁评定与加固研究室
2013年6月
汇报内容：
一、正交异性钢桥面板
二、拉吊索
三、钢桁梁桥
一、正交异性钢桥面板
受力机理、设计评定与修复措施
正交异性钢桥面板
—定义与构造
• 桥面面板下表面焊接相互正交的纵向和横向加劲肋，其刚度在互相垂 直的方向上不同，称为正交异性钢桥面板
• • • •
盖板开始失效 疲劳开裂贯穿板厚 需定期检测、维修和重焊 目前，欧洲的修复方法是： 先修复钢板，然后在其上设 置剪力钉，再浇筑一薄层钢 筋混凝土（101mm）形成组 合受力体系
纵肋在横梁腹板 支承处转动产生 面外次应力
单个纵肋下挠引起
•铺装层不利受力 •纵肋与横梁交叉处疲劳 开裂严重
20世纪50年代
•正交板用钢为典型低碳钢， 如A3钢 • • 纵肋形状几乎没改变 盖板厚度一直在增加
20世纪90年代初
•开始使用Q345钢
正交异性钢桥面板
——纵肋与横梁连接处内隔板受力性能
•
• •
内隔板与盖板的不相接导致水平剪力不连续，受力像梁的双向弯曲情况，所产生 的应力场如下图所示 在纵肋内部的突然过渡处会产生较高应力集中，制造困难 横梁和内隔板的主要应力模式：平面内出平面部分仅提供约15%~20%的组合应力 （这取决于横梁腹板厚度）
• • 影响桥面板使用性能及耐久性（桥面板及沥青铺装 出现严重病害） 影响桥梁正常运营
•
广东虎门大桥、 厦门海沧大桥、 江阴长江大桥 南京长江二桥
正交异性钢桥面板
—桥面板形式的发展
• 最早源于船舶的甲板
• • • • 第一块正交异性板（1936年） Kirchheim->Teck高速公路桥 采用大量手工焊拼接 简单迭放于横梁上方
完善钢桥面系疲劳计算理论 提高疲劳计算精度
桥面铺装的组合性能 •铺装层能减小正交异性钢桥面板组合桥面系统的 位移和应力 •考虑铺装组合作用来设计钢构件可能会大大地节 省成本
正交异性钢桥面板
——纵肋与横梁连接的替代方法
不在纵肋与横梁连接处的纵肋下底端开切 口，可采用全围焊法连接。 无切口圆腹肋设计的优点： •制造成本更低 •从RDF处应力角度来看，圆腹肋设计比无 内隔板的切口设计好 缺点： 要减小纵肋底端纵向应力低到C级水平 （疲劳分类），与采用切口构造相比，圆 腹纵肋需要做得更加刚性 横梁腹板出面外应力更高
•
近期国外研究成果及工程实例认为，V形肋（比传统梯形截面更有效） 和开口肋（疲劳性能较好）在未来的设计中可能会被更多的考虑
正交异性钢桥面板
—优点与缺点
优点： •自重轻 •承载力大 •适用性强 •应用范围广 •行车舒适性好 缺点 •大量焊接，制造和施工要求高 •影响线短，轮载长期反复作用下的疲劳问题突出 •开裂焊缝维修较难
• •
后来作为主梁上翼缘（主梁组成部分） 缺乏计算理论 • Mannheim Kurpfalzbrücke桥 （1950年） 首次采用Huber正交异性板微分 方程优化尺寸，达到用钢最省
•
正交异性钢桥面板
—纵肋及与横梁连接形式的发展
最早，纵肋由 开口型钢做成， 穿过横梁腹板
• Rheinbrücke DuisburgHomberg和 Weserbrück e Porta桥 （1954年） 第一次采用闭 口纵肋
•
纵肋与横梁交叉连接： •在两横梁之间焊入量好长度的纵肋：由于焊缝收缩和对接偏心带来的不良受力，常常开裂， 交叉点制造成本较高 •采用组合截面闭口纵肋：增大横梁间距，减少交叉点数目 • 上世纪60年代末，冷成型技 术开始发展，各种尺寸梯形 截面的制造逐渐便利，省去 大量纵肋焊接工作 • 约1970年 开始，梯 形截面构 造形式未 曾改变
切口设在纵肋底部
改进切口尺寸
•减小由纵肋转动而产生的面外效应 •远离盖板 •早期实践证明，切口形式性能较差，纵肋腹板 •使平面应力流在开孔区域 在切口端部失效 没有过大的应力集中
•“Ostapenko 效果” 设计准则：规定纵肋底 部切口的高度需达到纵肋高度的1/3，并写进 AASHTO 规范（切口端部垂直于腹板，并在端 部采用绕焊处理，此时横梁中主应力将垂直于 纵肋-横梁焊缝）
隔板 环绕焊接
•
受拉
开口
受压
• •
纵肋腹板：在切口处的纵向应力可能为 拉也可能为压应力，且常交替出现 垂直于纵肋在切口边缘处的应力存在突变性， 需要将切口改进成平滑过渡 连接最弱处是横梁和内隔板的受拉部分，内隔 板焊根开裂型 裂纹
正交异性钢桥面板
——纵肋与横梁连接处疲劳性能的改进
产生冷弯纵肋板厚的矛盾
邓文中的改进意见 •纵肋热轧制作 •肋下缘加厚 •肋上缘加厚 •斜切角轧好
• 显著增加纵肋刚度 • 大大简化焊接工作 • 焊接质量更可靠
正交异性钢桥面板 --疲劳开裂原因
20世纪30年代
•对正交异性钢桥面板结构性能的 理解和构造细节的改进开始进行
战后的欧洲
•钢材稀缺 •疲劳问题未被完全弄懂 •以材料最省为目的 •依赖沥青层传递活载 •纵肋间距305mm •盖板厚度9mm
挖空横梁腹板
•进行应力释放 •防止纵肋底部出平面局 部高应力的出现
增设内隔板
•减小腹板大空洞引起的应力集中 •减小纵肋腹板外侧有加劲而内侧无加劲导致的畸变 •减小横梁平面内位移 •改善横梁处纵肋-盖板连接的受力性能
增加横梁腹板板厚
提高纵横肋交接处抗疲劳性能
•增大横梁腹板面外抗弯刚度 •增大横梁腹板面外应力 •极大减小横梁腹板平面内应力 •减小其他应力集中区域的应力
纵肋与横梁交叉连接问题的处理方式： •冷弯型纵肋长可达12m，一般穿过横梁腹板 •横梁腹板切口还可应对梯形截面的制造公差
正交异性钢桥面板
—纵肋板厚的变化
增加纵肋钢板厚度 提高桥面板 纵桥向刚度 造成纵肋 冷弯困难 保证纵肋和顶板 间的焊接质量
正交异性钢桥面板
——桥面板抗疲劳和抗裂性能改进措施
• • 细节构造和装配的标准化 保证正交异性板具有足够的疲劳强度
• 道路沥青增强改性纤维的运用 （如钢纤维、玻璃纤维、木质素纤维、 碳纤维和聚合物合成纤维等）
提高桥面板的疲劳和抗裂性能
• • 高性能轻型组合桥面结构 （将正交异性板与改性的超高性能活性粉末混凝 土RPC通过剪力钉形成组合桥面协同受力） •提高桥面系刚度 •降低疲劳细节应力幅 •实现钢桥面系在其整个寿命期内基本 无疲劳开裂风险
钢桥评定与加固 研究进展
陈惟珍 教授
同济大学桥梁工程系
桥梁评定与加固研究室
2013年6月
汇报内容：
一、正交异性钢桥面板
二、拉吊索
三、钢桁梁桥
一、正交异性钢桥面板
受力机理、设计评定与修复措施
正交异性钢桥面板
—定义与构造
• 桥面面板下表面焊接相互正交的纵向和横向加劲肋，其刚度在互相垂 直的方向上不同，称为正交异性钢桥面板
• • • •
盖板开始失效 疲劳开裂贯穿板厚 需定期检测、维修和重焊 目前，欧洲的修复方法是： 先修复钢板，然后在其上设 置剪力钉，再浇筑一薄层钢 筋混凝土（101mm）形成组 合受力体系
纵肋在横梁腹板 支承处转动产生 面外次应力
单个纵肋下挠引起
•铺装层不利受力 •纵肋与横梁交叉处疲劳 开裂严重
20世纪50年代
•正交板用钢为典型低碳钢， 如A3钢 • • 纵肋形状几乎没改变 盖板厚度一直在增加
20世纪90年代初
•开始使用Q345钢
正交异性钢桥面板
——纵肋与横梁连接处内隔板受力性能
•
• •
内隔板与盖板的不相接导致水平剪力不连续，受力像梁的双向弯曲情况，所产生 的应力场如下图所示 在纵肋内部的突然过渡处会产生较高应力集中，制造困难 横梁和内隔板的主要应力模式：平面内出平面部分仅提供约15%~20%的组合应力 （这取决于横梁腹板厚度）
• • 影响桥面板使用性能及耐久性（桥面板及沥青铺装 出现严重病害） 影响桥梁正常运营
•
广东虎门大桥、 厦门海沧大桥、 江阴长江大桥 南京长江二桥
正交异性钢桥面板
—桥面板形式的发展
• 最早源于船舶的甲板
• • • • 第一块正交异性板（1936年） Kirchheim->Teck高速公路桥 采用大量手工焊拼接 简单迭放于横梁上方
完善钢桥面系疲劳计算理论 提高疲劳计算精度
桥面铺装的组合性能 •铺装层能减小正交异性钢桥面板组合桥面系统的 位移和应力 •考虑铺装组合作用来设计钢构件可能会大大地节 省成本
正交异性钢桥面板
——纵肋与横梁连接的替代方法
不在纵肋与横梁连接处的纵肋下底端开切 口，可采用全围焊法连接。 无切口圆腹肋设计的优点： •制造成本更低 •从RDF处应力角度来看，圆腹肋设计比无 内隔板的切口设计好 缺点： 要减小纵肋底端纵向应力低到C级水平 （疲劳分类），与采用切口构造相比，圆 腹纵肋需要做得更加刚性 横梁腹板出面外应力更高
•
近期国外研究成果及工程实例认为，V形肋（比传统梯形截面更有效） 和开口肋（疲劳性能较好）在未来的设计中可能会被更多的考虑
正交异性钢桥面板
—优点与缺点
优点： •自重轻 •承载力大 •适用性强 •应用范围广 •行车舒适性好 缺点 •大量焊接，制造和施工要求高 •影响线短，轮载长期反复作用下的疲劳问题突出 •开裂焊缝维修较难
• •
后来作为主梁上翼缘（主梁组成部分） 缺乏计算理论 • Mannheim Kurpfalzbrücke桥 （1950年） 首次采用Huber正交异性板微分 方程优化尺寸，达到用钢最省
•
正交异性钢桥面板
—纵肋及与横梁连接形式的发展
最早，纵肋由 开口型钢做成， 穿过横梁腹板
• Rheinbrücke DuisburgHomberg和 Weserbrück e Porta桥 （1954年） 第一次采用闭 口纵肋
•
纵肋与横梁交叉连接： •在两横梁之间焊入量好长度的纵肋：由于焊缝收缩和对接偏心带来的不良受力，常常开裂， 交叉点制造成本较高 •采用组合截面闭口纵肋：增大横梁间距，减少交叉点数目 • 上世纪60年代末，冷成型技 术开始发展，各种尺寸梯形 截面的制造逐渐便利，省去 大量纵肋焊接工作 • 约1970年 开始，梯 形截面构 造形式未 曾改变
切口设在纵肋底部
改进切口尺寸
•减小由纵肋转动而产生的面外效应 •远离盖板 •早期实践证明，切口形式性能较差，纵肋腹板 •使平面应力流在开孔区域 在切口端部失效 没有过大的应力集中
•“Ostapenko 效果” 设计准则：规定纵肋底 部切口的高度需达到纵肋高度的1/3，并写进 AASHTO 规范（切口端部垂直于腹板，并在端 部采用绕焊处理，此时横梁中主应力将垂直于 纵肋-横梁焊缝）
隔板 环绕焊接
•
受拉
开口
受压
• •
纵肋腹板：在切口处的纵向应力可能为 拉也可能为压应力，且常交替出现 垂直于纵肋在切口边缘处的应力存在突变性， 需要将切口改进成平滑过渡 连接最弱处是横梁和内隔板的受拉部分，内隔 板焊根开裂型 裂纹
正交异性钢桥面板
——纵肋与横梁连接处疲劳性能的改进
产生冷弯纵肋板厚的矛盾
邓文中的改进意见 •纵肋热轧制作 •肋下缘加厚 •肋上缘加厚 •斜切角轧好
• 显著增加纵肋刚度 • 大大简化焊接工作 • 焊接质量更可靠
正交异性钢桥面板 --疲劳开裂原因
20世纪30年代
•对正交异性钢桥面板结构性能的 理解和构造细节的改进开始进行
战后的欧洲
•钢材稀缺 •疲劳问题未被完全弄懂 •以材料最省为目的 •依赖沥青层传递活载 •纵肋间距305mm •盖板厚度9mm
挖空横梁腹板
•进行应力释放 •防止纵肋底部出平面局 部高应力的出现
增设内隔板
•减小腹板大空洞引起的应力集中 •减小纵肋腹板外侧有加劲而内侧无加劲导致的畸变 •减小横梁平面内位移 •改善横梁处纵肋-盖板连接的受力性能
增加横梁腹板板厚
提高纵横肋交接处抗疲劳性能
•增大横梁腹板面外抗弯刚度 •增大横梁腹板面外应力 •极大减小横梁腹板平面内应力 •减小其他应力集中区域的应力