正交异性钢桥面板构造细节改进的探讨

处发现了疲劳裂纹。
因此，目前各国规范规定，除特殊情况外（如横肋 高度很小时，且横肋腹板需为ｚ向钢）这一构造方式 一般不再采用，宜采用纵肋贯通横肋的方式。 在纵肋贯通横肋的情况下，早期横肋腹板在纵肋 与面板焊缝处开设过焊孔，如图７（ａ）所示。研究认为 这一构造形式在轮载直接作用下过焊孔处的面板易产
野
噩
２．１
闭口截面纵肋通常被焊接成密闭截面，所以无需
考虑纵肋内表面的腐蚀问题。各国规范中一般规定纵
肋厚度ｆ≥６ ｍｍ。同时，对于屈服强度盯，≤３４５
ＭＰａ
的钢材，ｕ型肋通常采用冷弯成形，为避免冷弯塑性变 形对韧性产生过大影响，欧洲及美国规范规定ｕ型肋
内侧半径尺≥４￡，日本规范”３规定Ｕ型肋内侧半径Ｒ ≥５ｆ。对于屈服强度盯，≥４２０ ＭＰａ，采用热弯成形，以 避免冷弯裂纹。 ２．２纵肋与面板、横肋与面板连接的构造细节
不断出现疲劳裂纹，但是由于其具有自重轻等许多优 点，而且即使产生多发性的局部裂纹，由于冗余构件的 存在而不会造成桥梁的垮塌事故，所以正交异性钢桥 面板仍然是优选的桥面板形式。为了抑制疲劳裂纹， 各国学者进行了持续的大量的试验研究和实桥应用检 验，已经有效地抑制了疲劳裂纹的产生，并将这些改进 措施不断地补充到再版的桥梁设计规范和制造规范
这类裂纹得到了有效的控制。下面就正交异性板构造 细节的改进历程和各国规范最新规定予以系统分析 汇总。
（ａ）截面
桥面板的挠曲刚度等因素，目前正交异性钢桥面板中
应用最多的为Ｕ型肋。典型的Ｕ型肋截面如图３。
———一
一
．下‘
（ｂ）口大样
图３
ｕ型肋截面示意
２正交异性钢桥面板构造细节的改进 正交异性钢桥面板在半个多世纪的发展应用过程 中为提高其结构性能避免疲劳裂纹的产生，不断进行 构造细节的改进研究取得了大量的成果，形成了合理 的纵向加劲肋的断面形式及尺寸、横梁（肋）间距、纵 肋与面板、横梁的连接构造形式等。
重视。当前，随着我国铁路建设的迅猛发展，这一结构 形式在铁路桥梁上的应用又逐渐增多，如京沪高速铁 路大胜关长江大桥、济南黄河桥等均采用正交异性钢 桥面板。因此，本文系统地分析了正交异性钢桥面板 疲劳裂纹的成因，汇总了其构造细节的改进历程，并列 出各国规范关于正交异性钢桥面板构造细节最新研究 成果，以利于我国正交异性钢桥面板的合理设计、制造
作用下，Ｕ型肋的挠曲变形将引起横肋腹板的反复面
外变形。该变形受到连接焊缝的约束，必然在焊趾处
产生很大的弯曲次应力而很快引发疲劳裂纹。开弧形
纵桥向
横梁
横粱 轮载
பைடு நூலகம்
横梁
横粱
易产生裂 轮载
（ａ）轮载纵向移动时横肋面外往复变形
（ｂ）横肋面内应力在焊缝端部或切割质量较差处的应力集中引发裂纹
图９纵肋贯通横肋细节易产生疲劳裂纹位置示意
摘要：鉴于正交异性钢桥面板在铁路桥梁上应用的增多及其疲劳裂纹的多发性，分析了正交异性钢桥面 板疲劳裂纹的成因，系统地汇总了正交异性钢桥面板纵肋截面、纵肋与面板连接、横肋与面板连接、纵肋 与横肋交叉部位、钢桥面板现场连接形式、ｕ型肋形式等构造细节的演变历程及各国规范相关最新研究
成果和规定。 关键词：正交异性钢桥面板构造细节 中图分类号：Ｕ４４８．３６；Ｕ４４３．３ｌ 横肋 纵肋
文献标识码：Ａ
正交异性钢桥面板由面板、纵肋和横肋组成，三者 互为垂直，焊接成一体而共同工作，如图１所示¨。。正 交异性钢桥面板的面板四周弹性固支于纵横肋上，纵 肋连续弹性固支于横肋上，横肋弹性固支于主梁腹板 上，这种结构形式由于其刚度在相互垂直的方向上各
不相同，因此造成受力行为上的各向异性，称为正交异 性板。
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３结语
ＩＦ空异性钢桥面板障作为主粱＾翼缘参与主粱工 作外，还要直接承受轮载的局部作用，目此血同时具有 足够的局部刚崖和整体刚座，避免桥面铺装层开裂，特 别是要避免一个部件的挠曲变蟛引起的柑邻且与之垂 直的部件赴变彤所‘【起的弯曲次应力导致的疲劳裂 纹。为此，本文系统地汇总了正交异性钢桥向短纵肋 截面、纵叻畸面板连接、横肋与面板连接纵肋与横胁 空卫部位，钢桥面板现场琏接形式．ｃ型肋形式等构造 细节的演变历程及各国规范相关最新研究成粜和规 定．以利于ｔ变异性钢桥面板过一结构形式在我国铁 路桥粱ｊ．的合理应甩及健康发展。
铁道建筑
Ｒａｉｌｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２０１ｌ
文章编号：１００３－１９９５（２０１１）０２．００２４—０５
正交异性钢桥面板构造细节改进的探讨
赵佃龙１，方 兴２，白
玲２
１０００８１）
（１．中国铁建股份有限公司，北京ｌ００８５５； ２．中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心，北京
究中，发现当纵肋开坡口，采用喉部高度不小于７．５
易等优点，但每根纵肋与面板的连接需要两条角焊缝， 单位面积所用焊缝长度较长，而且其刚度较小，要求布
置有较密的横肋，经济性较差，同时开口截面纵肋压屈
强度较低。因此，在２０世纪６０年代后逐渐在行车道 范围内改为闭口截面纵肋。闭口截面纵肋与开口截面 纵肋相比，具有焊接工作量小，抗弯抗扭刚度大，有较 高的压屈强度等优点。 考虑到各种闭口截面纵肋自身的制造加工性、与 横肋交叉部位的连接构造及其现场接头的施工性以及
２７
另外，在纵肋下翼缘处，需在横肋上设置弧形缺
缺口就是为了减小约束。而且，如果弧形缺口设计不 当，切割和焊接施工质量较差，也会由于横梁腹板面外 变形及横梁腹板面内应力在其与纵肋焊缝端部和局部 突变处的应力集中现象，在横梁腹板与纵向加劲肋连
接焊缝端部易产生疲劳裂纹，如图９所示。
口。若横肋直接焊接到ｕ型肋下翼缘上，在移动轮载
加焊接材料消耗，延长工期。经过一段时间运营后，在
面板（有效宽度内）和纵肋可视为支承在横肋上 的多跨弹性支承连续梁。因此，为减小轮载作用下现 场接头处的弯矩，钢桥面板现场接头一般多设置在纵
肋跨径￡／４（￡为纵肋跨径，即横肋间距）的位置。钢 桥面板现场连接主要有以下二种方式：
这些焊接部位容易产生疲劳裂纹。
口差别很小。
图ｌＯ欧洲规范横梁腹板弧形缺口构造示意
（ａ）日本道路桥示方书
（ｂ）欧洲规范
（ｃ）两规范对比
图“
日本规范给出的弧形缺口细节与欧洲规范的对比
２．４钢桥面板现场连接形式
的疲劳强度较低，并且ｕ型肋对接焊及其与面板的角 接焊均处于仰焊位置施焊，仰焊工作条件恶劣，同时为 防止熔化焊缝金属滴落，需采用多道小线能量焊接，增
２）面板焊接，纵向加劲肋高强度螺栓连接 面板采用陶瓷衬垫单面焊双面成型工艺焊接，纵 向加劲肋采用高强度螺栓连接，如图１３所示。
１）全焊连接（面板陶瓷衬垫单面焊双面成型，纵 肋嵌补段焊接） 面板采用陶瓷衬垫单面焊双面成型工艺焊接，在 面板对接焊接完成后，焊接纵肋嵌补段。如图１２所
示。
该方案克服了全焊连接和全部栓接的各自缺点。 德国和日本将此方案纳入其设计规范，并在１９９９年建
纵肋截面
由于刚度、钢桥面板加工、组装和焊接、经济性等 因素的综合影响，正交异性钢桥面板纵肋的演变过程 大致如图２所示。早期，采用开口截面（如板肋、球扁 钢等），然而开口截面纵肋虽然具有形状简单、与横肋
及面板的连接构造简单、工厂制造及现场连接比较容
１）桥面板与纵肋焊缝的改进 １９６６年建成通车的英国Ｓｅｖｅｍ桥，其正交异性钢 桥面板的纵肋壁厚为６．４ ｍｍ，纵肋与面板采用焊脚尺 寸为６ ｍｍ的角焊缝连接，于１９７７年发现了纵肋与面 板连接焊缝处的疲劳裂纹。在该桥加固方案的试验研
纵肋不贯通横肋构造如图６（ａ）所示，在两横肋间
生过大应力集中而产生疲劳裂纹。因此，在最新的各 国设计规范推荐的纵肋与横肋交叉部位构造细节改进 为横梁腹板在纵肋与面板焊缝处不开设过焊孔，横肋
腹板与面板及纵肋的角焊缝连续施焊，如图７（ｂ）所 示。上述过焊孔演变详图见图８。
用角焊缝焊接纵肋与横肋腹板。１９６６年建成通车的 英国Ｓｅｖｅｍ桥即采用了这一构造形式。然而在轮载 作用下，易引起横肋面外变形，且横肋横向受力时在纵 肋下翼缘角部有较大的应力集中（如图６（ｂ）所示）， 在该处极易引起疲劳裂纹。１９７１年ｓｅｖｅｍ桥即在该
收藕日期：２０ｌＯ一０８．２５；修回日期：２０１０—１１－２０ 作者简介：赵佃龙（１９７３一），男，山西应县人，高级工程师，硕士。
万方数据
２０１１年第２期
正交异性钢桥面板构造细节改进的探讨
并减少其疲劳裂纹的发生，提高耐久性。
１
Ｗ ＴＴＴⅢⅢ
可’
半圈形肋 板肋 球扁钢肋 Ｌ型肋 Ｔ型肋
正交异性钢桥面板疲劳裂纹类型
面板
ｆａ）横肋腹板在纵肋与面板焊缝处设置过焊孔
（ｂ）横肋腹板在纵肋与面板焊缝处不设置过焊孔
图７纵肋贯通横肋焊接细节的改善
（ａ）构造示意
ｒ
｜１—７一
Ｕ
厌＼易发』
７＼＼型堡±
（ｂ）易发生疲劳裂纹位置
易蘑……不尉勒
图８横肋在面板与纵肋角焊缝处过焊孔的改进
面板
图６纵肋不贯通横肋
万方数据
２０１１年第２期
正交异性钢桥面板构造细节改进的探讨
从疲劳裂纹的成因出发，可将正交异性钢桥面板
疲劳裂纹分为主应力引起的裂纹及面外变形产生次应
力引起的裂纹。
弋７—１］＿弋厂
角式肋 （ａ）早期 矩形肋 ■蛸肋
１）主应力引起的疲劳裂纹。这类裂纹可通过疲 劳检算来避免其产生。如日本的《钢构造物的疲劳设 计指针－同解说》。３１、欧洲的ＥＣ３Ｍ ｏ等规范已给出明
确检算方法。
ｕ型肋，用于行车道
丌或ｍ
板式肋或球扁钢肋，用于非行车道
２）次应力引起的疲劳裂纹。这类裂纹是一构件
（ｂ）现在 图２纵肋的演变
在轮载作用下产生挠曲变形，必然引起与之垂直的相 邻构件的面外变形，这些面外变形由于受到焊接连接 的约束而产生较大的次应力，从而引发裂纹。这种次 应力很难计算精确，所以难以通过疲劳检算予以控制。 但是，通过试验研究和实桥验证，从构造细节设计和焊 接制造要求等方面入手，如面板、纵肋、横肋三者之间 合理的刚度匹配，纵横肋相交处横肋腹板上合适的弧 形缺口尺寸与焊缝端部围焊要求，纵肋与面板角焊缝 熔透深度要求，以及纵肋及面板工地连接的改进等，使
ｍｍ，但实桥应用发现过宽开孑Ｌ引起的面板局部削弱使 得在局部轮载作用下，开孔处容易产生疲劳裂纹，所以
目前过焊孔宽度取７０ ｍｍ，如图５。 ２．３纵肋与横肋交叉部位构造细节 纵肋与横肋交叉部位是控制正交异性钢桥面板耐
（ａ）过去采用角焊缝
（ｂ）现在采用坡口角焊缝
久性的关键构造细节，特别是当采用闭口截面纵肋时，
为避免该处疲劳裂纹的萌生，各国在试验研究的
基础上规定了横肋腹板弧形缺口的构造细节。图１０
给出了欧洲规范推荐的弧形缺口详细构造细节，＾，为 纵肋高度。图１ｌ给出了日本道路桥示方书∞１规定的
弧形缺口细节、欧洲规范规定弧形缺口尺寸及两规范
弧形缺口尺寸
６≥２ｆ。㈣曲≥２５“
‘。。６为横肋腹板板厚
的对比情况。由图１１（ｃ）可知，两规范给出的弧形缺
成的日本来岛大桥、明石海峡大桥和多多罗大桥中得 到了应用。我国从南京长江二桥开始采用这一细节。
ｕ型肋嵌补段需采用钢衬垫板对接焊，这种细节
万方数据
茸ｉ碰
萨羽ｆ耳＝趾亍圈
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２．５大断面ｕ型肋的研究爰应用 目前，随着公路盘通荷载的增加及蕈载货个载重 最的上升．为防止铺装层的过早劣化及正变异性钢桥 面板豹疲劳开裂，同时由于人１．费Ｈ１在总费用中所占 比重的上升．而正交异性钢桥面板焊接１作量大＋足一 种加工程度比较高的构造。为缩短Ｔ期、减少制造费 用、提高结构疲劳耐久性，正变异性钢桥耐楹的构造形 式向增加面板厚度．加太纵向ＪＪ丌劫助断而＆间距，增大 横肋问距的方向发展。 嘲】４给出了日奉桥梁建设侨台建议的合理化正 交肆性钢桥面板的构造。
ｍｍ熔透角焊缝连接纵肋与面板的构造细节能够满足 使用要求。 以欧洲规范为例，目前其规定除人行道部分纵肋 与桥面板可采用图４（ａ）所示的角焊缝连接外，行车道 处均需采用部分熔透的坡口角焊缝，具体构造要求如
图４（ｂ）所示。
万方数据
２６
铁道建筑
面板纵肋对接焊缝处横肋过焊孑Ｌ以前宽度为１００
喉部高度口≥ｆ
中。
正交异性钢桥面板应用于桥梁已有６０余年，虽然
（ａ）开口断面纵肋
（ｂ）闭口断面纵肋
图１
正交异性钢桥面板典型构造（单位：ｍｍ）
我国正交异性钢桥面板应用始于２０世纪７０年代 的铁路钢箱梁桥‘２１，２０世纪末大量应用于公路桥梁， 然而许多桥梁上已出现程度不同的疲劳裂纹，大大影 响了结构的使用性和安全性，并引起了各方面的高度
在这一部位应力传递复杂，如构造设计不当极易引起
图４纵肋与面板焊接构造细节（单位：ｍｍ）
疲劳裂纹。根据纵肋与横肋布置关系可分为纵肋不贯 通横肋及纵肋贯通横肋两种情况。
２）面板纵向对接焊缝处横肋过焊孔的演变
Ｕ
Ｕ
（ａ）过去陶瓷衬垫孔１００
ｍｍ
（ｂ）现在陶瓷衬垫孔７０
ｍｍ
图５
面板纵向对接焊缝处横肋过焊孔的改进（单位：ｍｍ）