大型公路钢箱梁正变异性桥面板

论文作者：李凇泉 万珊珊 史永吉 刘晓光 王辉平

摘要：介绍了大型公路钢箱梁正交异性桥面板工地接头构造细节的演变，并通过两个足尺试件的静载和疲劳试验，以及有限元 分析 ，证明正交异性桥面板工地接头采用焊栓连接具有足够的刚度、承载力和耐久性。

关键词：钢箱梁 正交异性桥面板 工地接头 试验 有限元分析

一、前言

大型公路钢箱梁正交异性桥面板工地接头即箱梁节段之间的连接，过去均采用全焊或高强度螺栓连接。各国实桥运营经验表明，这两种连接方式各有不足。全焊连接时，U形肋嵌补段对接焊和肋角角接焊均处于仰焊位置施焊，而仰焊工作条件恶劣，施工周期较长，仰焊焊接质量比俯焊难以保证，经过一段时间运营后在这些焊接处容易产生疲劳裂纹。采用高强度螺栓连接时（桥面板、纵向U形助），桥面铺装层因栓接接头而受到削弱，给销装工艺和质量控制带来很大难度，铺装层容易产生裂纹、剥离等病害，而且螺栓用量大，造价高。基于以上原因，最近出现了一种新的连接方式，即桥面板用焊接（陶瓷衬垫单面焊双面成型工艺），U形肋采用高强度螺栓连接。日本已将此方案作为首选方案纳入设计规范。该方案克

服了全焊连接和全部栓接的各自缺点，可以说这是 目前 最先进的连接方式。南京长江第二大桥南汊桥在我国首次采用这种连接方式，因为是第一次采用，需通过模型试验和有限元分析来验证其连接刚度、局部应力和疲劳性能。本文对正变异性桥面板工地接头构造细节的演变进行了综述，并对该接头的足尺试件进行了试验 研究 和有限元分析。

二、钢桥面板工地接头构造细节的演变

1.钢桥面板的构造细节

制造时，全桥分成若干节段在工厂组拼，吊装后在桥上进行节段间的工地连接。通常所有纵向角焊缝（纵向肋和纵隔板等）贯通，横隔板与纵向焊缝、纵肋下翼缘相交处切割成弧形缺口与其避开。

2．正交异性钢桥面板的疲劳及其工地接头构造细节的改进

钢桥面板作为主梁的上翼缘，同时又直接承受车辆的轮载作用。如上所述，钢桥面板是由面板、纵肋和横助三种薄板件焊接而成，在焊缝交叉处设弧形缺口，其构造细节很复杂。当车辆通过时，轮载在各部件上产生的应力，以及在各部件交叉处产生的局部应力和变形也非常复杂，所以钢桥面板的疲劳 问题 是设计考虑的重点之一。自1966年英国Severn桥（悬索桥）采用扁平钢箱梁以来，钢桥面板陆续出现许多疲劳裂纹，主要产生的部位有纵助与面板之间的肋角焊缝、纵横肋交叉的弧形缺口处，U形肋钢衬垫板对接焊缝处等，其中梁段之间钢桥面板工地接头是抗疲劳最薄弱的部位。

由于钢桥面板不可能更换，产生裂纹后修补又比较困难，50年来．通过一系列的试验研究和有限元分析，以及实践经验 总结 ，对钢桥面板构造细节的设计和焊接不断进行了改进，使得钢桥面板产生裂纹的概率大大减少。这里仅介绍钢桥面板工地接头构造细节设计的演变，过去采用的纵向肋焊接对接和高强度螺栓对接，改进后的构造细节，即面板对接采用陶瓷衬垫单面焊双面成型工艺，U形肋采用高强度螺栓对接拼接。

改进后的构造细节既克服了工地接头纵向U形肋嵌补段的仰焊对接，从而改善了疲劳性能，又避免了面板栓接拼接对桥面铺装层的不利影响。这种构造细节在1999年建成的日本来岛大桥、明石海峡大桥（悬索桥）和多多罗大桥（斜拉桥）中得到 应用 。

三、试件设计和制造

两个足尺试件模拟南京长江第二大桥南汊桥的设计图，取一个U形肋单元，跨长3750mm（实桥横隔板间距），桥面板宽 600mm，厚 14mm， U形肋尺寸为 184mm*8mm*300mm，圆弧缺口宽度分为两种，试件Ⅰ为50mm，试件Ⅱ为100mm。

试件材质为 16Mnq，屈服强度为 395MPa，拉伸强度为 540MPa。试件的制造严格按照《南京长江第二大桥南汊桥钢箱梁制造规则》的有关 内容 进行，试件在工厂制造完成后，经外观检查、超声波探伤和高强度螺栓检查，全部合格。

四、试验概况

1.加载方案

2.测点布置

为 研究 缺口附近面板上的应力分布情况，在缺口附近面板上密集布置测点，其中面板焊缝附近的12个测点贴双向应变片测量纵、根双向应力。除了缺口附近布置测点外，在试件跨中及与试件焊栓接头对称的位置，也相应地布置了测点。

为了研究试件及缺口部位的竖向刚度，在试件的跨中、焊栓接头部位、对称于焊栓接头的部位、以及试件两端都安装了位移计。

3.静载试验

4.疲劳试验

选取试件Ⅰ进行疲劳试验，疲劳试验加载位置为焊栓接头处，荷载范围40～90kN，循环次数为 200万次。根据有限元计算，试件跨中加 4OkN荷载时，试件跨中 U形肋下表面的最大应力与桥梁恒载作用下产生的最大应力相当，当加90kN荷载时，其最大应力与桥梁恒载、活载共同作用下产生的最大应力相当，故选取以上疲劳试验加载范围。

五、试验结果 分析

1.竖向挠度

实测各测点在不同荷载等级下的竖向挠度。可以得出以下结论：

（1）各测点的挠度与作用荷载的大小基本上呈线性关系。

（2）实测值与计算值基本接近，表明实测值基本可信。

（3）在跨中作用荷载时，有限元计算结果显示，焊栓接头处的挠度比对称于焊栓接头的部位的挠度稍小，这是由于焊栓接头部位U形肋的两侧腹板上通过高强度螺栓连接各外夹了两块拼接板，这相当于将U形助每侧局部的腹板厚度增加了两倍，而且可以与面板上的焊接接头共同工作，从而增加了焊栓接头部位的刚度，尽管该部位U形肋下面开了一个施工进手孔，但并不 影响 试件局部的刚度。

（4）同样在焊栓接头处加载时，试件Ⅰ接头处和跨中部位的挠度比试件Ⅱ对应部位的挠度稍大，这与高强度螺栓的拧紧程度有关。但是从有限元计算结果可以看出，两个试件对应部位的挠度完全一致，这说明缺口的大小对试件的刚度没有影响。

2.局部应力

试件Ⅱ跨中下翼缘实测应力和计算应力，两个试件在80kN（为公路桥梁设计通用规范规定最大轮载的 1.14倍）荷载作用下部分测点的实例应力如表回所示。从实测结果可以得出以下结论：

（1）实例应力基本上随着荷载的增加而呈线性增加，而且基本上与计算值相吻合。

（2）在外加荷载作用下，两个试件的大多数对称测点的实测应力基本对称。

（3）当在焊栓接头处加载时，将两个试件的实例应力进行比较，就会发现：①试件IU形助圆弧缺口附近面板上的横向应力比试件Ⅱ大，但数值较小，在其他测点，两个试件面板上的实测横向应力基本上一致，在试件中心线与焊栓接头中心线的交点附近，两个试件面板上的横向应力都较大，但也不超过设计容许应力；②试件Ⅱ焊栓接头附近面板上的纵向应力比试件I大，在其他测点，两个试件的实测纵向应力基本上一致；③试件IU形肋圆弧缺口附近的应力比试件Ⅱ大，但数值均较小。这表明圆弧缺口的大小对试件应力的影响仅限于U形肋圆弧缺口附近，而且U形肋圆弧缺口宽度为50～100mm都是安全的。

（4）当在跨中加载时，在所有的测点，两个试件的应力都差不多，而且数值很小，与焊栓接头处对称部位的纵向应力和横向应力也与焊栓接头处对应点的纵向应力和横向应力基本一致。

3.疲劳强度

六、有限元分析

1.计算模型

计算采用4节点板单元，假定焊栓接头处的拼接板与U型助之间不产生滑动，即作为整体共同工作，不考虑桥面铺装层的影响。

2.计算结果分析

（l）在两种轮载作用下，圆弧缺口处的变形。在U型肋与面板的连接处，U型助产生向外的面外变形。

（4）两个试件在两种轮载作用下的A，B，C三点的最大应力随轮载位置变化而变化的曲线。可以得出以下结论：

a．当轮载经过圆弧缺口时，A点的主应力以正为主，且对两个试件主应力的影响趋势相同，两个试件的最大主应力曲线几乎重合。

b．轮载位置对两个试件的主应力的影响趋势正好相反，即当轮载经过圆弧缺口时，试件I的主应力随着轮载的前进先变小，然后增大，试件Ⅱ则生好相反。但不管哪种情况，轮载位置对B点主应力的影响幅值都较小，在所计算的多种工况中，在对称轮载作用下，试件I的主应力的变化幅值不超过 9.4MPa，试件Ⅱ的主应力的变

c．当轮载经过圆弧缺口时，对两个试件主应力的影响趋势相同，即都是先变小，再增大。在对称轮载作用下，C点的最大主应力为正，最小主应力为负，在偏心轮载作用下，最小主应力为负，最大主应力则先变为负，然后转为正，特别是试件Ⅱ，变化幅值较大，最大主应力变化幅值为 29.OMPa，最小主应力变化幅值为 36.7MPa。

七、结束语

正交异性钢桥面板工地接头中面板采用全熔透对接焊、U形肋在两侧肋板采用摩擦型高强度螺栓拼接后，通过两个足尺试件的静载和疲劳试验以及有限元分析，结果表明U形肋圆弧缺口宽度分别为50mm和100mm的两种构造细节均有可靠的连接刚度，实测局部应力都小于设计容许应力，疲劳强度也满足规范要求，因此，两种构造细节都有可靠的工作性能。在满足施工要求的条件下，建议U形肋圆弧缺口不要过大，实际结构上U形助圆弧缺口宽度为70mm。