正交异性板和箱形结构运用于桥梁的历史

正交异性板和箱形结构运用于桥梁的历史（三）

发布时间：2008-04-25 作者：钱冬生

摘要：介绍了正交异性板和箱形结构运用于桥梁的历史。

4 、英国的塞文桥——它在1966 年的胜利建成，与在1991 年的整修完竣

塞文桥在1966 年的建成，是当时桥梁界的一大盛事。它总长约3km ；包括： Wye 斜拉桥（主跨234.7m ）、引桥（跨度61.7~ 64.0m 连续钢箱紧）和正桥（主跨988m 的悬索桥）。它的悬索桥第一次使用流线形的扁钢箱加劲梁，这是由风洞试验认识到它的实用价值的（阻力系数小、对风致振动的反应较优），其加劲梁钢面板厚11.50mm ，纵肋为闭口的梯形，肋厚6.4mm ，肋的高度228mm ，纵肋的中心距为610mm ，纵肋跨度（横肋中距）用到4.57m 。横肋板厚 6.4mm ，高度为3m （从桥面板到箱底板，它实际上就是横隔板）。这加劲梁又第一次使用全焊钢结构，因耽心它在振动时的阻尼系数要比铆接结构为小（注：对桥面辅装的阻尼作用当时还缺乏认识），不利于抑制振动，乃将其吊索从竖置改为呈V 字形的斜置，因为，斜置吊索当桥振动时所受的拉力有脉动，这一脉动将使其钢绞线时松时紧，由此而对振动产生阻尼。对于塔柱，它又第一次采用了矩形单箱式；而且对于柱的工地水平接头，不是用拼接板及高强栓作连接，而是靠承压传力，并用20 根φ 50mm 高强栓在竖向将上下拉紧（用以抵抗施工荷载）；这使每塔用钢量仅是1200t 。对于塔顶主鞍，又第一次采用了全焊式。[8] ：127~139 在施工方面，也是非常俭省。加劲梁的制造，是分为88 个节段，每个节段再分为若干板件；将板件在工厂预制完成后，运到一造船厂的滑道附近，在滑道上进行节段的拼装；在滑道长度方面只需其能保留三个节段，每当向上再拼装一个新节段时，就先将最下一个节段

滑到水中。为了节段能够浮运，在其开口端加一5mm 厚的封头钢板，将封头钢板上缘与纵肋相焊。浮在水上的节段就用拖船拖到工地附近，在水面储存着，这就省去了储存场地。待到架梁时，就将各节段拖到桥位。这时，节段因浸水太久，表面已积有污垢。在用缆上起重装置将它吊出水面后，必须射水冲洗。典型节段重量是130t 。从1964 年10 月到1966 年3 月，由于潮位不合适或天气不好而颇有延误，但总算将88 个节段架设完成。在那时，英国因二次世界大战遭受破坏，还处于财力拮据状态，在当时的技术水平下，能够取得这样的成果，确是不容易。

所存在的问题，一是疲劳，二是设计荷载取值过低，三是对箱形梁承受局部力之处不够重视。

关于正交异性板的疲劳，以往虽曾进行过一些疲劳试验，但其成果远远不够制订设计规则之用。塞文桥加劲梁节段由于需要它能浮在水上而加了封头板，并让封头板与纵肋相焊，这就在纵肋在焊有封头板处造成应力集中，在这桥开通5 年、即1971 年，发现其处疲劳开裂。几经研究，最后决定对其裂缝过大处，在纵肋上开一洞，再在其处肋身内外加拼接板，用高强栓将拼接板同肋相连，形成接头，借使这种开裂得以补板。这桥的纵肋端头与横肋的焊接，是用6mm 角焊缝；1977 年，发现在这种焊缝处开裂。经过试验研究，决定在纵肋端头之下，用8mm × 40mm 薄钢片在加热后绕着纵肋，并让其一边贴着横肋，再用焊接将薄钢片两边分别连于横肋与纵肋，凭薄钢片加固这一接头。这桥纵肋与桥面板的连接，原是用6mm 角焊缝，从1977 年起也发现其有裂纹。经过试验研究，认为：用角焊缝是行的，但需让焊脚从6mm 放大到9mm 。当经进行工艺研究，决定将需要修补之处，铣去焊缝，并让铣出的纵肋竖向面尺寸达9mm ，随后再用手工焊三趟，使角焊缝焊脚达到9mm 。经过18 个月的日夜奋战，这项修补工作终于完成。

TRRL （ Transport and Road Research Laboratory ，运输和道路试验研究所）在1990 年发表其259 号研究报告，标题是Fatigue classification of welded joints in orthotropic steel bridge decks ( 钢正交异性板焊接连接处的疲劳等级) ，作者为Cuninghame TR 。标题内的疲劳等级，是指BS5400 所用的区分疲劳强度的等级。按照计算，若等级不低于D ，则按BS5400 所讲的基本原理推算的疲劳寿命不会少于120 年。这样，疲劳验算就不会控制。因此，进行疲劳试验的目的，可以归结为确定其疲劳等级。这个研究报告将正交异性板需要进行疲劳验算的接头选定为6 种；并将纵肋与横肋的焊接分为两种进行试验：一种是（塞文桥使用的）老式样，纵肋端头与横肋相焊，让焊缝传递其处的全部内力；另一种是让纵肋在横肋开孔内连续穿过，让角焊缝仅传递纵肋的竖向反力（剪力）。试验结果是：塞文桥所用的老式样达不到D 级，而新式样且让横肋在纵肋上缘处不开圆孔者则可达到D 级。其横肋之开圆孔者虽然按疲劳试件（没有铺装层者）试验结果达不到 D 级，但在实桥（有铺装层者）的运营之中，却不曾遇到疲劳开裂。经对一座实桥测读该处活载的应力变化幅度，发觉：当温度为7.6 ℃时，实测应力值只是按钢结构（没有铺装层者）计算值的一半。对于其他5 种接头，一般均不低于D 级。虽然这一研究报告没有能将有铺装层的正交异性钢桥面板包括在内，但它已弥补了BS5400 第10 篇疲劳设计的不足，是很有价值的。

塞文悬索桥的吊索钢绞线，在1977 年就发现其在长度较短者的锚头处有钢丝开裂。这一则是由于当初对设计活荷载取值过小，再则由于对锚头构造细节未曾精心设计。在整修中，将钢绞线直径一律从53mm 增至65mm 。在锚头的钢绞线钢丝散开处，一律用氯丁二烯制造的缓冲构造控制其处钢丝的曲率变化。还在锚头中心设一注油管，让润滑油通到钢丝散开处。对于较长的吊索，为抑制其振动波的幅度，还装置了减振器。

大致从1970 年开始，货运汽车重量就不断发展，而且，它们往往结队运行。因此，设计活荷载应重新制订。塞文桥的活荷载，原是照BS153 取值。1978 年，BS5400 第二篇荷载规范颁行，其值提高不少。1988 年，英国运输部发布部标准，即公路桥荷载规范BD37/88 ，其规定乃更加符合实际。由于塞文桥的全面整修开始于1985 年，所取用的检算汽车荷载就只能在BS5400 的基础上进行调研制定。双向四线，在加载长度很大时的均布活载值，竟达原设计所取值的2.8 倍。这使大缆、塔、锚碇，加劲梁四者都应检算。大缆和锚碇，都难于加固，只好降低其安全系数。加劲梁的强度检算不控制。单箱矩形截面的塔柱是由有纵肋加劲的4 块板件组成，这些板件承受了巨大的恒载应力。若用补强材料增大其截面，则补强材料很难承担恒载应力。于是，只好在箱内四角，各添一φ 406mm 钢管，钢管分成6m 长的节段，在箱内接成全高；每6m 给钢管设一支撑（以柱壁为根），以缩小其自由长度；用千斤顶使钢管接受压力。钢管上端顶紧主鞍座（在鞍座内部用钢结构将鞍槽所受的压力传到4 根钢管）、下端顶紧混凝土桥墩。在施工过程中，用应变计检测各部件所受应力，以确保整修质量。为这些塔柱加固所增添的钢材，达原塔柱用钢量的32% 。

塞文悬索桥是三跨两铰式，主跨及边跨加劲梁都是两端简支。为制止邻跨间的碰撞，原应在各跨两端设置水平的纵向止撞柱，借能凭借止撞柱顶紧使桥面伸缩缝及箱梁端部得到保护。但原设计将止撞柱省去了。在整修之中，便在各跨梁端，在箱梁之内，各加一段纵向腹板，再沿腹板设置止撞柱，还在梁端外侧设置能传递冲撞力的设施。另外，对梁的某些段落讲，让横肋（横隔板）间距为4.57m 也嫌过大，乃在整修时在其间距之中增添一横肋。对于桥上有车时的风力，现在因为车重增加了，为检算荷载组合的效应，也应对各种风力的