钱冬生--关于正交异性钢桥面板的疲劳

钱冬生--关于正交异性钢桥面板的疲劳
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

9

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

文4.1按文献[4]补列。

4 正交异性钢桥面板有6种构造需要考虑疲劳

文献[4]对这6种构造有所论述,今将它们逐个介绍如下。同时摘述文献[6]专门论述纵肋边缘对桥面板的焊连。

4.1 纵肋边缘用角焊缝连于面板的构造

(1)对于连续的角焊缝构造,疲劳开裂可以发生在焊缝根部,断口穿过焊缝;也可以发生在焊缝趾部,断口穿过基材(在本情况下,或是穿过纵肋壁,或是穿过桥面板)。按荷载位置及加载方向,开裂敏感点所受应力可以是拉或压,这就影响到开裂断面的位置。

(2)验算点的选择。按照老观点,验算点应该选在开裂敏感点,这样,焊缝根部和趾部的应力便是验算对象。但是,这些点的应力很难量测;一般只能在其附近量测几点,而后进行外插。文献[4]乃决定:将验算点取在离焊根(理论点)15mm 处;在做静力试验来决定应力影响线纵标及进行疲劳试验时,应力值都按贴在这里(离焊根15mm 处)的电阻应变计来决定。这种做法的优点是:①应力不受焊脚大小及焊趾几何缺陷的影响;②不同试件的成果可以直接相比;③在疲劳验算中,作用应力和疲劳抗力都取在同一点;④这一应力可以直接量测。图2表示疲劳试验的一种加载情况,在其左上的大样内,标出验算点(离焊根15mm )及应变计位置。试件宽度(在垂直于纸面方向)是305mm 。在荷载作用下,试件内的桥面板和纵肋壁都将受弯(可以将图示构造当作一宽度不变的刚架考虑)

图2 纵肋对桥面板的焊接及单体疲劳试验

(加载情况,应力测点位置)

应变计所量测的,就是弯矩所致表面(外缘)法应力。图3(a )表示桥面板下面应力的横向影响线,其绝大部分是压应力;图3(b )表示纵肋壁外面应力的横向影

响线,当轮荷载在左首时为拉应力,在右首时为压应力。用静力试验来决定影响线,在室内用板段作试件,用单个轮荷载加载,并移动其位置;在桥上则用两轴车作荷载,并移动其位置

图3 纵肋对桥面板的连接处应力的

横向影响线(载重30kN )

(3)疲劳试验表明:从焊根开裂扩展为焊缝断开,

其抗力颇受角焊缝尺寸影响。若照原构造取焊脚6mm ,则以肋壁离焊根15mm 处的应力脉动量所表示的疲劳抗力在F 级,无法达到设计寿命。若将焊脚增至9mm ,则抗力就提高到D 级,就能保证设计寿命。焊缝有效厚度的增加,也可以不开坡口,而是用自动、半自动焊接方法达到。从降低造价考虑,文献[4]倾向于不开坡口。

(4)焊缝在肋壁的趾部开裂,断口在肋壁之内不易发生;即使焊脚为6mm ,这一抗力也能达D 级;若焊脚为9mm ,抗力只是稍有提高。焊缝在桥面板的趾部开裂,断口在桥面板内,更加不易发生。对趾部喷丸或用等离子加工,都可提高这两项疲劳抗力。

(5)同实桥相比,疲劳试件(即使采用板段)内的残余应力相当小。即使用火焰局部加热,所引起的残余应力仍然不大。因此,即使荷载所致应力包含受压部分,其对实桥的疲劳致伤作用,仍应按应力脉动量等于最大和最小应力的代数差考虑。

1 桥梁建设 1996年第2期

4.2 纵肋对横梁的连接

当车轮位于一条纵肋之上并顺着桥的纵向行进时,它要从横梁的一侧移到另一侧。在做疲劳试验时,对板段的加载情况当如图4(a )所示,两个激励千斤顶交替地开动。为了简化,可取单件作疲劳试件,其加载情况可以如图4(b )所示,只需使用一个千斤顶。此图用于表示老式样的连接,纵肋在连接处中断,用角焊缝将纵肋端连于横梁。应力测点(即应变计黏贴处)布置在纵肋端部(离横梁15mm 处)和横梁腹板上(离纵肋15mm 处)。由图可见,前者的应力只是由零到压,而后者则是拉和压交互发生。但是,在纵肋之内当有残余拉应力时,这使前一种应力脉动量对疲劳开裂同样不利。残余拉应力主要

存在于最后施焊的那一段之内。对于纵肋端部焊缝,可

以先焊肋底缘,再焊其两斜壁,这样,两斜壁处就存在着较大的残余拉应力,使疲劳开裂发生于焊根,并逐步将焊缝裂通。如若先焊两斜壁,再焊底缘,则残余拉应力主要分布在纵肋底缘处;这时,底缘角焊缝的焊根,以及位于横梁的焊趾都有可能最先开裂。塞文桥渡为寻找这种疲劳开裂的修补方法,曾对角焊缝焊脚为6mm (原构造)及9mm (包含开坡口者)者进行了疲劳试验,证实其抗力分级都是G 级。这就是说:加大焊脚,并不能有所改善。如前所述,还是加兜底板,才能将抗力提高至D 级

图4 纵肋对横梁的连接,疲劳试验所用荷载及新生应力循环

现在讲新式样,也就是在横梁开孔,让纵肋穿过,并在横梁和纵肋相遇处用角焊缝相连。这时,图1(b )可以有A 、B 、C 三种做法。

做法A 是在同V 形纵肋底部对应处,在横梁上开出U 形孔;在纵肋对面板的角焊缝处,在横梁上也开孔;再在横梁腹板两面用脚长6mm 的角焊缝,将纵肋斜壁和横梁相连。做法B 是让横梁所开的孔照着纵肋形状办理,再用连续的成对角焊缝将纵肋和横梁的两面相连。做法C 只是将A 内的U 形孔改为圆形。TRRL 在1990年对做法A 和B 按图4(b )加载方法进行了疲劳试验。对于B 法,开裂发生在纵肋底部角焊缝的趾部,断裂面穿过纵肋;按纵肋端部底缘应力(测点设在离横梁15mm 处)计算,这一做法的抗力等级是F 级,不宜采用。对于A 法,就可能性讲,开裂可以在以下5点发生:成对角焊缝的上端,断裂面或在纵肋、或在横梁;成对角焊缝的下端,断裂面或在纵肋、或在横梁;角焊缝趾部,断裂面在纵肋。疲劳试验的结论是两条:①就角焊缝下端和角焊缝趾部讲,抗力相当高,可以列入C 级;但考虑到所需的检查手段和所允许的焊接缺陷,在设计时可以按D 级办理;②发生在焊缝上端,并在纵肋内的开裂,其抗力只能达到G 级,因此,应该参照B 法将设在纵肋对面板的角焊缝处的开孔取消;不过,实桥这样开孔者,并未在这里发生开裂,这当是桥面铺装与桥面板的共同作用,使这里的应力大为降低所致。对一座实桥这里的应力实测了两个星期,该桥的铺装厚度

1

1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

是38mm,当时的气温是7.6℃,所测到的最大应力脉动量只是按设计荷载及单纯钢结构(即不考虑铺装)计算值的一半。

4.3 纵肋的对接

TRRL1992年的一份报告指出:若用对接焊,疲劳试验证实其抗力可归入C级。只因这种焊接是在工地进行,对中的精度难予保证,焊接缺陷难予排除,在设计时可按D级处理。

另外,还对采用搭接角焊缝的对接进行了试验研究。发觉:若采用内外拼接板,抗力可按E级考虑;若只采用外拼接板,抗力就只能按G级考虑。

4.4 横梁对桥面板的焊接

焊接的布置同钢板梁的翼缘一样,用一对角焊缝。当车轮位于两条纵肋当中的桥面板上并顺着桥的纵向进行时,位于横梁两侧桥面板底面的应力影响线如图5 (b)所示,位于横梁腹板表面的应力影响线如图5(c)所示。前者是从零到压,后是从拉到压。为模拟这一过程,在疲劳试验中用两个激励器(液压伺服)轮番加载,如图5(a)所示。较为正规的疲劳试验是用板段为试件。简化的试验是用单件为试件,其加载情况如图6。激励器位置在离横梁150mm处。

图5 横梁腹板对桥面板的连接,疲劳试验

荷载及轮荷载所生应力的影响线

试验结果表明:单件试件的疲劳开裂,或是发生在焊缝位于面板的趾部,或是发生在焊缝位于横梁腹板的趾部,其抗力等级很相近,都是比D级高出不少。板段试件只进行了两个,但都未开裂,足见其抗力更高

图6 横梁腹板对桥面板的连接,单件疲劳试验示意图

4.5 箱梁腹板对面板的焊接

这里所说箱梁是指按梁的式样受力的箱,并不是指悬索桥的加劲梁。这里的连接也是用一对角焊缝,在构造上是同横梁对桥面板的焊接一样。但是,其受力情况则要好得多。当车轮顺桥前进时,其桥面板应力不会发生图5(b)所示的局部循环变化,而腹板应力也不会发生从拉到压的循环。当车轮在横向的位置不同时,面板和腹板的应力将有很大的差别,今用图7表示这两者的横向影响线。

TRRL没有专为这一构造进行疲劳试验。但认为可以比照横梁对面板的焊接,将其抗力按D级考虑。同时它还指出:对于这样靠近桥面的焊接讲,桥面铺装同桥面板的共同作用会使其应力降低,减少疲劳开裂危险。不过,在塞文桥渡之内,由于箱梁腹板在竖向的刚度很大,其两侧桥面板的下挠曾经使桥面铺装在位于主梁腹板上方的一条纵向线上开裂,使这里的共同作用完全消失,这也是值得注意的。

4.6 桥面板的对接焊(纵向及横向)

对接焊都采用单面施焊,6mm×40mm钢垫板点焊连于桥面板上。

就试件讲,纵向对焊是置于两纵肋的当中,横向对焊是置于离横梁25mm处。

对纵向对焊进行了两个疲劳试验。第一个试验是在发现点焊趾部开裂的长度达40mm时中止;第二个试验先是发现点焊在焊根处开裂,但继续加载达3.54×106次,在其从对接焊根部的开裂发展到裂缝长度达350mm时方才中止。对横向对焊,也进行了两个疲劳试验,焊接都没有开裂;但因桥面板在加载点之下发生较长的裂缝,迫使试验中止。

21 桥梁建设 1996年第2期

图7 主梁腹板对桥面板的连接,应力横向影响线(轻重30kN)

TRRL试验数目过少,难作结论。但可以认为:其抗力总是远高于D级。

5 四点认识

5.1 对正交异性钢桥面板讲,疲劳是其所会出现的一个极限状态。

在这一疲劳验算中,只需考虑车轮所致的应力(注:车队匀布荷载所生应力最大脉动量的出现次数很少,可以不考虑。)。

5.2 这一疲劳问题的特点

疲劳敏感点在薄板表面(焊缝趾部)和焊缝根部。致伤的应力来自薄板弯曲的法应力。对横梁讲,这类应力的纵向影响线如图5(b)和5(c);疲劳加载方式如图6。对纵肋和主梁腹板讲,这类应力很受荷载横向位置影响,需要考虑车轮迹线在横向的分布频数(B S5400第10篇图10-17),以及应力的横向影响线(如本文图3,图7)。

按传统规则,疲劳敏感点应该选作验算点。但这里的敏感点都是焊缝趾部和根部,其应力的确定很困难。为此,图2改用离焊根15mm处的应力为验算对象。(注:这一应力同趾部应力的关系不难找到。而这一应力同焊缝根部应力的关系则很受焊脚大小影响,因此,应将焊脚尺寸作为构造特征对待。若焊脚尺寸小,则焊缝会在这一应力值较低时便开裂;反之,这一应力值便可较高,才使焊缝开裂。)

在疲劳试件中,高值残余拉应力很少存在,这就会使实桥(高值残余拉应力很难避免)的疲劳行为同试验成果有出入。另外,实桥构造残余应力的分布显然同施焊次序有关;在同一焊口之内,在其最后施焊的区段处,残余拉应力最大。而且装配质量、相邻件的几何尺寸关系,也对残余应力有影响。

5.3 当前处理这一疲劳问题的办法

就基本原理讲,仍使用B S5400第10篇(1980年版)所阐明的方法。验算点可以取在离焊根15mm处。该处的应力影响线可凭静力试验决定。按应力影响线形状及其纵标大小,可以决定疲劳试验如何加载;再按疲劳试验结果决定各该构造的抗力等级。在静力试验中,一方面可在室内用单个车轮在板件(足尺)模型上进行,另一方面要用两轴车在实桥上验证。在疲劳试验中,试件可先用单件进行简化试验;再作板段试件试验,以资验证。整个工作包含4部分:①静力试验;②疲劳试验;

③按B S5400第10篇原理及数据推算构造的疲劳寿命;④在实桥布置若干个应力测读点,经常进行应力测读,以作监控。

5.4 凭所得知识,议论当前的工作

在已完成的箱梁内进行焊接修补,十分困难。因此,要针对薄弱环节,在箱梁制造和安装中,注意下列4点:

①纵肋对桥面板的角焊缝 在工厂采用埋弧自动焊时,利用熔深,可要求其有效厚度(喉深)不小于

7.5mm。对工地焊,需要求其脚长为9mm。

②纵肋的对接焊 要求全厚熔透。

③纵肋对横梁的角焊缝 保证焊缝端部质量。

④桥面板的对接焊 不使用永久性的钢垫板。对焊缝表面可不作机械加工,但需注意趾部无几何缺陷。

在使③、④不发生疲劳开裂的方面,良好的桥面铺装很有效。因此,要重视铺装的质量。

为积累经验、提高水平、且在遇到问题时能提供所必需的信息,要在箱内的典型地点预先设置电阻应变计,并经常进行测读。

(上转第7页)

31

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

将纵肋连于顶板的角焊缝尺寸不加大就无法发挥将纵肋厚度加大所增加的承载力;将它加大,则“瘦马”状焊接变形的矫正将更为费事。这般说来,让纵肋厚度是

6mm ,应更属合理。

(收稿日期:1996203228)

Reply i ng to Question s on Fabr ication of Stiffen i ng Steel Flat Box Girders of Suspen sion Br idge

Q ian D ongsheng Q iang Sh izhong

Abstract W ith reference to “all w elding ”p rocess flow and m echan ical p roperties (stress no t h igh )of stiffen ing steel flat box girders of su spen si on b ridges ab road ,cooperati on betw een b ridge and w elding engineers in fab ricati on ,fatigue and fractu re p rob lem s concerned ,and in acco rdance w ith view po in ts held by tho se standing fo r “bo lting and w elding ”techn ique ,econom y ,reasonab leness and feasib ility of “all w elding ”techn ique are clearly expounded ,w h ich shall be greatly conducive to pop u larizati on and app licati on of “all w elding ”techn ique in stiffen ing girders of su spen si on b ridges in Ch ina 。

Key W ords su spen si on b ridge ,steel stiffen ing girder ,all 2w elding jo in t ,bo lting and w elding jo in t ,com p arison

(下接第13页)

1 钢桥.混凝土桥及结合桥(下册).英国BS 5400译本.西南交

通大学出版社,1987

2 钱冬生.钢桥疲劳设计.西南交通大学出版社,1986

3 Gurney ,T .R .,M addox ,S .J .:A R e 2analysis of Fatigue D ata fo r W elded Jo ints in Steel ,II W Docum ent E 44 724 Cuningham e ,T .R .:Fatigue classificati on of w elded j o ints

in o rtho trop ic steel bridge deck s ,TRRL R esearch R epo rt 259.1990

5 Cuningham e ,T .R .:Strengthening fatigue p rone details in a

steel bridge deck ,P roc .of Internatinal Conference on Fat .of W elded Structures .1987

6 M addox ,S .J .,Gurney ,T .R .:Fatigue tests on j o ints in

o rtho trop ic deck s ,ditto .1987

(收稿日期:1996203228)

On Fatigue of Steel Orthotrop ic D eck Structure

Co mm en ts on R esea rches f or S treng then ing the Severn C rossing in U K

Q ian D ongsheng

Abstract Fo r m ati on cau ses of fatigue crack s ,fatigue tests conducted in researches and calcu lati on of fatigue life fo r the Severn C ro ssing in U K are in troduced and discu ssed .

Key W ords U K ,the Severn cro ssing ,steel o rtho trop ic deck ,fatigue

7

悬索桥加劲扁平钢箱梁制造问题答客问 钱冬生 强士中

正交异性桥面板设计参数和构造

正交异性桥面板设计参数和构造 细节的疲劳研究进展 1 背景 第二次世界大战后,一方面大量被战争毁坏的桥梁急需修复,另一方面建筑材料非常短缺。在此情况下,欧洲的工程师们开始尝试采用一种新型的桥面结构形式——正交异性钢桥面板。它由面板、纵肋和横肋组成,三者互相垂直,通过焊缝连接成一体共同工作。它以自重轻、极限承载力大、施工周期短等优点,成为世界上大、中跨度现代钢桥通常采用的桥面结构形式。从20世纪50年代德国最先使用这种桥面板至今,欧洲已有1000多座各种形式的正交异性钢桥面板桥梁,日本有将近250座正交异性钢桥面板桥梁,北美有100余座正交异性钢桥面板桥梁[1]。 我国正交异性钢桥面板我国正交异性钢桥面板的研究和应用起步较晚,直到20世纪70年代初,才建成第一座钢桥面板桥——潼关黄河铁路桥。改革开放以来,国内正交异性钢桥面板桥呈现出迅猛发展势头。迄今为止,我国已建造的采用正交异性钢桥面板的桥梁有30余座。正在建造的采用正交异性钢桥面板的铁路钢桥有郑州黄河公铁两用桥和京沪高速铁路南京大胜关长江大桥等。 正交异性钢桥面板有其独特的优点,但同时钢桥面板疲劳开裂的事例也在许多国家的钢桥中出现。最早报道的是英国Seven桥,该桥1966年建成通车后,分别于1971年和1977年发现了3种焊接细节的疲劳裂纹。德国的Haseltal和Sinntal桥投入使用后不久,钢桥面板也都出现了疲劳裂纹。此外,法国、日本、美国、荷兰等国也都发现了钢桥面板疲劳开裂事例。钢桥面板在我国使用的时间虽然不长,但是已经在某些桥中发现了钢桥面板疲劳开裂的现象。这些疲劳裂纹严重影响了桥梁的使用寿命,因此,对正交异性桥面板疲劳问题的研究是目前桥梁建设中的关键和热点,各国学者在此领域取得了一系列研究成果。国内在20世纪80年代初,铁道科学研究院等相关单位以西江大桥为研究背景,对公路正交异性钢桥面板参与主桁共同工作时的结构特性进行了较为全面的分析及试验研究[2]。1995年,同济大学童乐为在博士论文中对采用开口肋形式的钢桥面板的疲劳性能进行了较为系统的分析[3]。时至今日,正交异性桥面板的结构形式较当初已经发生很大变化,大量新的研究成果相继涌现。 2 正交异性桥面板设计参数的疲劳研究 2.1 面板 面板的最小厚度一般取决于其在轮载作用下的允许变形,为保证桥面铺装层不产生裂纹,纵肋之间面板的竖向挠曲变形不大于0.4mm。基于上述原 则,面板厚度t d可由Kloeppel公式计算: 式中:a为开口截面纵肋间距或闭口截面纵肋腹板最大间距,mm;p 为轮载面压力,kPa。 同时各国规范根据各自的车辆荷载及桥面铺装层情况,为保证钢桥面板的施

正交异性板简支钢梁桥建模(algor,ansys)

现代钢桥设计与计算理论参考材料 正交异性板简支梁桥空间模型计算孙秀贵孟续东陈艳秋唐毅周刚郑凯锋 西南交通大学

第一篇正交异性板简支钢梁桥ALGOR建模计算一、打开aglor软件和设定基本操作说明 将桌面上或相应目录中的algor的图标双击打开程序。 选择新建>FEM模型,分析类型选择>线性材料模型的静应力,点击新建,如下图。 弹出“另存为”对话框,确定文件名以及文件的保存路径,最后点击保存。

二、设置单位体系 在主菜单中选择工具>单位 在“unit system”对话框中选择“Metric mks(SI)”; 进行同样操作,更改“unit system”对话框,选择“Custom”; 在“length”对话框中选择“mm”,其他对话框保持不变; 点击“ok”按钮。 三、建立材料库 主菜单>工具>管理材料库 选择“Create New Library”,输入自定义材料库文件的保存路径和名称,单击保存按钮。 再点击确定按钮。

根据本模型需要,建立两种材料:1、钢材;2、混凝土。 右击自定义的材料库,选择“Add New Material” “Material name”对话框中输入材料名称“steel”; “Material model”对话框中选择标准; 在单位体系对话框中选择米制,米千克秒(SI); 更改单位体系,为自定义,长度对话框中选择“毫米(mm)”,单击“ok”按钮。

进行上述相同操作,增加材料“concrete”自定义材料。建立两种材料后,如下图所示: 分别对新建的两种材料输入材料特性: concrete(采用C40混凝土): 质量密度(N/mm^3/g):2.548e-9 弹性模量(N/mm^2):3.25e+4 泊松比:0.2; 剪切弹性模量(N/mm^2):1..3e+4 线膨胀系数:1.0e-5 Steel: 质量密度(N/mm^3/g):7.85e-9

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

正交异性钢桥面铺装结构理论研究进展_杨建军

文章编号:1671-2579(2006)04-0179-06 正交异性钢桥面铺装结构理论研究进展 杨建军,周志刚,刘晓燕 (长沙理工大学,湖南长沙 410076) 摘 要:正交异性钢箱梁桥桥面铺装在大跨径桥梁上的工程应用一直是一项极具挑战性的工程技术难题,因此正交异性钢桥面铺装技术的研究受到学术界和工程界的广泛关注。近几年来关于该课题的研究不断深入,取得了一些阶段性的研究成果。该文综述了国内外关于正交异性钢桥面铺装体系结构理论方面的主要研究成果,特别是近10年来在该领域取得的新进展,以期为关注该课题的科研人员和相关项目的工程技术人员提供参考。 关键词:正交异性;桥面铺装;钢箱梁;结构理论;研究进展 钢箱梁桥面铺装是国际性的工程技术难题。由于钢箱梁桥面铺装的使用条件、施工工艺、质量控制与要求的特殊性,对它的强度、抗疲劳性能、抗车辙性能、抗剪切性能以及变形协调性等均有较高的要求,目前尚未形成普遍有效的钢桥面铺装设计理论与方法。随着国内外大跨径桥梁建设的发展(表1为我国新建或在 建的部分大跨径钢箱梁桥),以及扁平异性钢箱梁以其卓越的力学性能和经济性能得到了广泛的采用,但正交异性钢桥面铺装的工程应用一直没有得到很好解决,国内外钢箱梁桥面铺装在使用年限内发生破坏的情况屡见不鲜,因此正交异性钢桥面铺装技术的研究受到学术界和工程界的广泛关注。 收稿日期:2006-04-10 基金项目:湖南省自然科学基金重点项目(编号:04JJ6027).作者简介:杨建军,男,硕士研究生,讲师. 6 总结 (1)国外对钢桥面铺装的研究和应用较早,但随着现代交通的发展,其钢桥面铺装也出现了部分问题,需要用发展的眼光不断进行研究。 (2)钢桥面铺装设计需要考虑的因素主要包括:气温环境条件、交通荷载特点、桥面板刚度特性等。 (3)我国钢桥面铺装使用的环境条件较国外更苛刻,应在合理借鉴国外成功经验的基础上,研究设计出适合我国气候、交通、桥面板结构特点的钢桥面铺装方案。参考文献: [1] Medani,T.O.Asphalt Surfacing A pplied to Orthotr opic Steel Bridg e Decks,A Literature Study.Report 7-01-127-1[R],Road and Railroad Res.L ab.Delft U niver sity of T echno lo gy ,the N ether lands,M arch 2001. [2] M edani,T.O.T ow ards a N ew D esign Philoso phy for Surfacing s o n O rthotr opic Steel Bridg e Decks.Report 7-01-127-2[R ],Ro ad and Railro ad https://www.360docs.net/doc/5c11905781.html,b.Delft U niv ersity of T echnolo g y,the N etherlands,June 2001.[3] R.Gar y H icks,Ian J.Dussek,Char les Seim.A sphalt Sur faces o n Steel Deck Br idges.T r anspor tatio n Research Record N o.00-0149[C],N atio nal Resear ch Council,Washingto n D.C.,2000. [4] 潘承纬.Guss 沥青混凝土成效特性之研究[D].国立中 央大学土木工程研究所硕士学位论文,2002. [5] 陈仕周,张 华.钢桥面SM A 铺装技术的研究与发展 [J].公路交通科技,2004(10). [6] 吕伟民,郭忠印.高强沥青混凝土的配制及其特性[J]. 中国公路学报,1996(1). [7] 黄 卫,张晓春,胡光伟.大跨径钢桥面铺装理论与设计 的研究进展[J].东南大学学报(自然科学版),2002(3). 第26卷 第4期 2006年8月 中 外 公 路 179

粉房湾长江大桥正交异性桥面板单元制作及变形控制

2012年6月上第41卷第366期施工技术 CONSTRUCTION TECHNOLOGY 11 粉房湾长江大桥正交异性桥面板 单元制作及变形控制 沈念龙,李朝兵,丁瑞平,汪雪风 (中建钢构江苏有限公司,江苏 靖江 214532) [摘要]结合重庆粉房湾长江大桥钢结构工程实例,针对本工程特点与难点,详细介绍了桥面板的制作要点以及变形控制, 包括钢板校正、U 形肋拼装、焊接变形控制,板块摆放及约束,焊接顺序和方向,焊接校正方法及操作步骤。通过对正交异性桥面板单元制作及变形控制技术的研究,并应用于粉房湾长江大桥钢结构工程中,取得了良好的效果。 [关键词]桥梁工程;斜拉桥;正交异性桥面板;变形控制;焊接[中图分类号]TU758.11;U443.31 [文献标识码]A [文章编号]1002-8498(2012)11-0011-02 Unit Making and Deformation Control of Orthotropic Bridge Deck for Powder Room Bay Yangtze River Bridge Shen Nianlong ,Li Chaobing ,Ding Ruiping ,Wang Xuefeng (China Construction Steel Structure Jiangsu Co.,Ltd.,Jingjiang ,Jiangsu 214532,China ) Abstract :Combined with steel structure engineering of Powder Room Bay Yangtze River Bridge in Chongqing , based on the engineering characteristics and difficulties ,the authors introduce main points of making for bridge deck ,including plate correction ,U-rib assembling ,welding deformation control ,plate displaying and constraining ,welding sequence and direction ,the method of welding correction ,operation steps.Through study on unit making and deformation control of orthotropic bridge deck ,and application in steel structure engineering of Powder Room Bay Yangtze River Bridge ,good effect is obtained.Key words :bridges ;cable stayed bridges ;orthotropic bridge decks ;deformation control ;welding [收稿日期]2012-04-12 [基金项目]中建三局课题(CSCEC3B-2011-23) [作者简介]沈念龙,中建钢构江苏有限公司助理工程师,江苏省靖 江市江阴-靖江工业园区联心路二圩 214532,电话:(0523)84693721,E-mail :nianlong03@163.com 1 工程概况 重庆粉房湾长江大桥为主跨(216.5+464+216.5)m 双塔双索面半漂浮体系斜拉桥。主桥全长为897m ,由464m 中跨和两侧对称布置的216.5m 边跨组成,在距离梁端60.50m 的位置处设置2个永久辅助墩,大桥设置辅助墩后,结构体系可进一步分为(60.5+156+464+156+60.5)m 5跨连续钢桁架梁斜拉桥。采用上、下层布置方式,公路在上层,铁路在下层。主桥设计基准年限为100年。总用钢量为2.3万t 。 正交异性桥面板是重庆粉房湾长江大桥主要桥面结构,也是许多钢箱梁及钢桁架桥梁中常见的桥面结构,其制作质量的好坏往往反映其钢桥的制作工艺水平。 本文以重庆粉房湾长江大桥正交异性桥面板单元的制作为例,主要从钢板校正、U 形肋拼装、焊接变形控制等方面对带肋桥面板的制作进行探讨。2 桥面板制作要点 1)制作桥面板的钢板在下料前都需要经过预处理, 以达到钢板整平、临时防腐和消除钢板轧制残余应力的目的,为下料和制作提供条件。 2)在专用画线平台上画出板块单元纵、横基线及U 形肋或板条肋位置线。 3)在专用门式组装胎型上组装板单元。4)在船形专用翻转反变形胎架上依照确定的焊接工艺施焊U 形肋及板条肋,并按标准进行外观检查和内部探伤。3变形控制 3.1 板块摆放及约束 为了控制焊接变形,板块的焊接制作专用的焊接反变形胎架,根据不同的板块宽度、厚度,横向设置不同的反变形量, 板块置于胎架上后周边用丝杠

钢桥正交异形桥面板

跨度46.8m公路正交异性板桥面简支钢梁桥(ANSYS板单元模型计算分析) 西南交通大学桥梁工程系 2012年6月

目录 第1章计算资料 (1) 1.1 计算内容 (1) 1.2 设计要求 (1) 第2章桥面板单元模型建立 (2) 2.1 结构计算模型 (2) 2.2 结构边界条件 (5) 2.3 构件截面尺寸 (6) 2.4 结构计算模型参数汇总 (6) 第3章横载作用下的应力及竖向变形 (8) 3.1 顶板的应力和竖向变形 (8) 3.2 U肋的应力及竖向变形 (10) 3.3 横梁腹板的应力和竖向变形 (12) 3.4 横梁翼缘的应力和竖向变形 (14) 3.5 主梁腹板的应力和竖向变形 (16) 3.6 主梁翼缘的应力和竖向变形 (18) 第4章恒载和跨中最不利活载作用下的应力及变形 (20) 4.1 车辆荷载 (20) 4.2 顶板的应力和竖向变形 (22) 4.3 U肋的应力和竖向变形 (25) 4.4 横梁腹板的应力和竖向变形 (29) 4.5 横梁翼缘的应力和竖向变形 (34) 4.6 主梁腹板的应力和竖向变形 (37) 4.7 主梁翼缘的应力和竖向变形 (40) 第5章荷载组合作用下的结构应力 (44) 5.1 概述 (44) 5.2 计算工况 (44) 5.3 U肋最大拉应力 (45) 5.4 U肋最大压应力 (47) 5.5 顶板最大压应力 (49) 5.6 顶板最大拉应力 (50) 5.7 端横梁最大拉应力和剪应力 (51) 5.8 端横梁最大压应力 (54) 5.9 跨中横梁最大拉应力 (55) 5.10 跨中横梁最大压应力 (57) 5.11 主梁下翼缘最大拉应力 (59) 5.12 主梁腹板最大剪应力 (61) 第6章设计总结 (63) 6.1 恒载作用下全桥各构件内力汇总 (63) 6.2 恒载和跨中最不利活载作用下全桥各构件内力汇总 (63) 6.3 恒载和车辆荷载作用下最不利内力汇总 (64) 6.4 结构验算 (64) 6.5 总结 (64)

李乔说桥-13:正交异性钢桥面板

李乔说桥-13:正交异性钢桥面板 1让人爱、让人恨的桥面板形式对正交异性钢桥面板,大家都很熟悉,这是钢桥尤其是大跨度钢桥结构中采用最多的一种桥面板结构形式,也是现代钢桥结构重要的标志性成果之一。但这种桥面结构同时也是钢桥领域里最令人头痛的结构之一,可以说是既“让人爱”又“让人恨”的一种桥面结构形式。让人爱,是因为这种结构具有众多的优点,如重量轻、承载力高、适用性强等,是目前为止仍然不能用其他形式桥面板取代的主要结构形式。而让人恨,则是因为它服役几十年以来,不断地出现令人头痛的疲劳开裂和桥面铺装破坏问题,而且成为了一个出现概率很高的普遍性病害、至今也没有公认的既经济又有效的解决措施的病害。 一般的正交异性钢桥面板指在桥面的面板下面采用纵横加 劲肋加强的构造形式,而目前应用最为广泛的正交异性钢桥面板是采用U形纵向加劲肋的构造形式。如图1所示,它由面板(顶板)、U形纵向加劲肋以及横向加劲肋或横隔板组成。目前世界各国已建成的采用正交异性钢桥面板的各类桥梁已超过1500座,我国正在运营和在建中的该类型桥梁数量已达200余座。(a)大跨度钢箱梁斜拉桥(b) 采用正交异性钢桥面板的钢箱梁横断面(c) 正交异性钢桥面板构造示意图及疲劳开裂统计图1 大跨度钢桥及正交异性钢桥面板

2 两大病害最早在大跨度钢桥上发现正交异性钢桥面板疲 劳开裂的是英国Severn桥,该桥开通运营仅5年即发现其 正交异性钢桥面板出现疲劳裂纹。此后,正交异性钢桥面板结构在包括欧洲、美国、日本及我国等世界范围内相继出现了大量的疲劳开裂案例。例如国内某大桥通车数年后即发现大量疲劳裂缝,经过维修加固,再经过几年的运营,又出现了更多的疲劳开裂。这种现象在很多类似结构的桥面板中出现,给桥梁的安全和耐久性带来巨大影响。由于桥面铺装的存在,这种发生在桥面板上的裂缝在开裂初期不容易被发现,一旦发现就已经贯穿顶板了。而且这种裂缝较难修复加固,多数情况下必须中断交通并拆除桥面铺装才能进行。 根据日本对东京2条代表性高速公路中约7000个闭口纵肋正交异性钢桥面板的疲劳病害进行的统计分析结果,主要疲劳裂纹类型及其构成如图1(c)所示。图中带圆圈的编号表示疲劳开裂的部位及类型,圆饼图表示各类型开裂所占的比例。由图可见,占比例最大的为②、③、④类,分别为纵向U肋与横隔板、竖向加劲肋与纵腹板以及纵向U肋与顶板的焊缝开裂。其中的第③类开裂对应的构造现在基本不再采用,所以目前出现最多的是②、④两类。 除了钢桥面板开裂以外,这种结构带来的另一个通病是桥面铺装过早损坏(图2),并成为每座同类桥面板结构的大桥设计时让人颇为纠结的问题。从我国90年代修建的此类结构

正交异性板钢桥面(3.14)2

正交异性板钢桥面结构应用技术工艺的探讨 The structural characteristics and manufacturing craft of steel box girder with an orthotropic steel bridge deck 叶翔叶觉明 ( Ye Xiang Ye Jue-ming ) 中铁大桥局武汉桥梁科学研究院武汉 430034 ( Bridge Science Research Institute, Major Bridge Engineering Bureau of China Railways, Wuhan 430034) 摘要: 正交异性钢桥面板是钢结构桥梁的重要结构件,正交异性钢桥面板由钢板、U肋和横隔板组成。以钢箱梁正交异性钢桥面板为例,介绍正交异性钢桥面板结构特点和组拼、 焊接和工地连接工艺特点,探讨在目前焊接和组装工艺条件下,延长正交异性钢桥面板 使用寿命的加工技术和工艺。 abstract: The orthotropic steel bridge deck is important structural of the steel structure bridge, the orthotropic steel bridge deck made is composed by the steel plate、 the U-shaped stiffener and the cross spacer . Taking the steel box girder deck plate as research object, the orthotropic steel bridge deck unique feature and craft characteristic for assembling、welding and site connection of the plate elements was deal with。 under the condition of the current welding and assembling workmanship, technology and technique to prolong the service life of orthotropic steel bridge deck was researched and discussed. 关键词: 正交异性钢桥面板板单元横隔板 U肋焊接工艺焊接残余应力 Key word: orthotropic steel bridge deck plate element cross spacer U-shaped stiffener welding technology Weld residual stress 对于大跨度悬索桥和斜拉桥,钢箱梁是非常有利的结构形式。钢箱梁以面板、底板、腹板、纵横隔板及加劲结构件为主要构成。其中面板钢板一般刚度较小,在轮载作用下易发生较大的变形,因此需要一定的钢板厚度,同时在面板上安装纵肋和垂直于纵肋的横隔板加劲,这是一种典型的正交异性桥面板。钢桥面板结构在桥梁上是不可能更换的,如果产生缺陷或裂纹扩展后修补又比较困难,需要从结构和实用焊接加工技术工艺等方面予以重视,延长桥面板的安全使用寿命。 1.正交异性桥面板结构和制造加工特点

国外正交异性钢桥面铺装综述

国外正交异性钢桥面铺装综述 要:由于钢桥面铺装承受了交通荷载和自然环境的复杂影响,使用条件严酷,因此,成为各国工程技术人员研究解决的难题。在日本、欧洲、美国等经济发达地区,桥面铺装技术问题解决得较好,基本形成了本国的铺装体系和典型结构设计方法(经验法)。文章对具有代表性国家的情况进行了对照参考,为国内相关研究提供借鉴。 关键词:钢桥面铺装;国外发展;对照参考 1 异性钢桥的介绍 在某种意义上,正交异性钢桥是20世纪30年代的battledeck板的发展。它包括钢桥面钢板焊接到纵向(通常工字钢)的纵梁,并由横梁支撑。在该系统中,桥面板既没有加强横梁强度,也没有形成其上翼缘,也没有形成主纵梁的强度,它仅仅是将轮载横向传递给纵梁。加劲肋、横肋、纵肋在垂直方向相互交织形成组合体而发挥作用,形成一种效率很高的网格状承重结构,并且由于其相对较低的自重,并且可以大量采取预制并满足大量的需求量,已建成或正在建设的大跨径桥梁面板多数采用正交异性钢桥面板。 2 桥面铺装 2.1 介绍 沥青用于钢桥面铺装主要有三个目的:(1)给予行车路面良好的防滑性;(2)通过改变其厚度对钢板的不平整予以改善得到平整的行车舒适性;(3)通过防水层来保护钢桥面板。 考虑到满足这些功能,通常不可能只由一种材料以满足其要求,需被划

分为几个层面铺筑于钢桥面板上,一般铺装包括粘结层、粘附层、隔离层和磨耗层。 (1)粘结层:以保证钢板和隔离层之间有足够的粘附力;(2)隔离层:防止底层钢板的腐蚀,并使钢板与磨耗层之间柔性过渡;(3)粘附层:保证隔离层和沥青磨耗层之间足够强的附着力;(4)磨耗层:承受并传递交通荷载到底层结构,并且提供必要的防滑性。 2.2 材料要求 由于要将不同功能层之间进行明显区分是不可能的,要满足有些要求不光只顾及一个层面。 对于正交异性钢桥面板材料的总体要求:(1)要求在高温下,沥青铺装层必须满足刚度要求,足够的抗车辙能力;(2)在低温下的材料应该是塑料或应具有高拉伸强度,以防止疲劳开裂,要求它不能开裂并且不应与钢板的粘结发生松动;(3)不同层间要保持良好的粘结力;(4)良好的抗滑性。 2.2.1 粘结层 (1)能够提供可靠的防腐性;(2)保证上覆层与钢板之间有足够强的附着力,所以它需要抵抗剪切应力,并能够在宽的温度范围保持其性能;(3)具有良好的密实性、憎水性,能够防止水气的渗入,这些功能可以由一个或多个结构层次来实现。 据国外学者Kohler和Deters(1974),粘结层需要具备低粘度以符合上述要求。 2.2.2 隔离层

正交异性钢桥面系统设计与基本维护指南_报批稿

正交异性钢桥面系统的设计 和基本维护指南 (报批稿) Guidelines for Design and Maintain of Orthotropic Steel Deck 中交公路规划设计院有限公司 中 国 铁 道 科 学 研 究 院 浙江省舟山连岛工程建设指挥部 2010.09.25

前 言 本指南针对正交异性钢桥面板的设计、加工制造和正交异性钢桥面板维护技术而编制。在制订过程中,积极借鉴了欧洲《BS EN 1993-2:2006 Eurocode 3—Design of steel structures—Part 2:Steel bridges》、美国联邦州际公路与运输协会《AASHTO LRFD Bridge Design Specifications》和日本《钢构造物的疲劳设计指针同解说》,参考根据国家科技支撑计划项目——跨海特大跨径钢箱梁悬索桥关键技术研究及工程示范-特大跨径悬索桥分体式钢箱梁成套技术研究与示范(2008BAG07B04)的科研成果,并考虑了当前的设计和制造水平及公路运输的未来发展趋势。 本指南主要内容包括:术语和定义、符号及代号、材料及连接方法、结构及构造设计、疲劳设计强度、疲劳设计荷载、疲劳检算方法、加工质量要求以及基本养护维修方法,可供公路桥梁中索支撑的连续钢箱梁或索支撑的连续钢桁梁的正交异性钢桥面的设计和养护维修参考使用。 本指南在执行过程中,如发现需要修改和补充之处,请将意见及有关资料寄交中交公路规划设计院有限公司(地址:北京市西城区德胜门外大街85号A607,邮编:100088,电子邮件:njsq1418@https://www.360docs.net/doc/5c11905781.html, )。 本指南由浙江省交通运输厅提出并归口。 本指南由中交公路规划设计院有限公司、中国铁道科学研究院铁道建筑研究所、浙江省舟山连岛工程建设指挥部起草。 本指南主要起草人:崔冰、刘晓光、张胜利、张玉玲、陶晓燕、童育强、孔庆凯、崔鑫、赵欣欣、曾志斌、田越、荣振环、于旭东。 本指南附录A为规范性附录。

正交异性板

正交异性板 正交异性版即正交异性钢桥面板,是用纵横向互相垂直的加劲肋(纵肋和横肋)连同桥面盖板所组成的共同承受车轮荷载的结构。这种结构由于其刚度在互相垂直的二个方向上有所不同,造成构造上的各向异性。 细部构造 对于大跨度悬索桥和斜拉桥,钢箱梁自重约为PC箱梁自重的1/5,1/6.5。正交异性钢板结构桥面板的自重约为钢筋混凝土桥面板或预制预应力混凝土桥面板自重的1/2,1/3。所以,受自重影响很大的大跨度桥梁,正交异性板铜箱梁是非常有利的结构形式。 通常在钢桥面板上铺装沥青混凝土铺装层,其主要作用是保护钢桥面板和有利于车辆的行走性。近代正交异性钢桥面板的构造细节如图回所示,由钢面板纵助和横肋组成,且互相垂直。钢面板厚度一般为12mm,纵肋通常为U形肋或球扁钢肋 或板式助,U形肋板厚一般为6mm或8mm,横梁间距一般为3.4,4.5m,两横梁之间设一横肋。 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。 分析方法 正交异性板除作为桥面外,还是主梁截面的组成部份,它既是纵横梁的上翼缘,又是主梁的上翼缘。传统的分析方法是把它分成三个结构体系加以研究,即: (1)主梁体系:由盖板和纵肋组成主梁的上翼缘,是主梁的一部份。 (2)桥面体系:由纵肋、横梁和盖板组成,盖板成为纵肋和横梁的共同上翼缘。 (3)盖板体系:仅指盖板,它被视为支承在纵肋和横梁上的各向同性连续板。

计算方法 解析法是将正交异性钢桥面板结构作为弹性支承连续正交异性板分析的较为成熟的经典计算方法。根据所取的计算模型不同,解析法计算又可分为以下几种: (1)把板从肋的中间分开,并归并到纵横肋上去,构成格子梁体系。它的缺点是未能考虑板的剪切刚度。 (2)把纵横梁分摊到板上,也就是将板化成一种理想的正交异性板。当荷载作用在横肋上时,这种方法是较好的,但当荷载作用在两横肋中间时,此法的精度就差了。 (3)对法2的改进,即将作用有荷载的那个节间单独处理,令节间的横向抗弯刚度等于盖板的抗弯刚度,其余节间解同法2 (4)Pelikan-Esslinger法。此法是将纵肋均分摊到盖板上,而将横肋作为刚性支承,求解后再将横肋的弹性支承计入。 随着计算机技术的发展,正交异性板的求解又有了很多新的数值法。目前较有成效的是有限差分法、有限条法和有限单元法。疲劳问题 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

钢桁梁正交异性板桥面施工工艺

钢桁梁正交异性板桥面施工工艺 7.6.1 工艺概述 本施工工艺适用于钢桁梁正交异性板桥面施工。 7.6.2 作业内容 钢桁梁正交异性板桥面施工主要包括桥面板焊接和桥面板安装。 7.6.3 质量标准及检验方法 《铁路钢桥制造规范》(TB10212-2009) 《铁路桥涵工程施工质量验收标准》(TB10415—2003) 《高速铁路桥涵工程施工质量验收标准》(TB10752-2010) 《客货共线铁路桥涵工程施工技术指南》(TZ203-2008) 《铁路钢桥保护涂装》(TB/T1527-2004) 7.6.4 工艺流程图 桥面板架设采用桥面系同步安装方案施工。 7.6.5 工艺步骤及质量控制 一、板桁组合桥面板焊接 板桁组合桥面板焊接采用单面焊双面成型工艺保证焊缝熔透。桥面板焊缝下部采用CO2气体保护电弧焊打底,上部采用埋弧焊。桥面板横向焊缝应顺桥向打磨匀顺,纵向焊缝应横桥向打磨匀顺。焊接工艺需符合设计要求,坡口熔透焊应按规范的要求进行无损检查。

二、桥面板安装 桥面板安装应在本节间主桁杆件安装完毕后进行,安装时应在连接接头上打入40%的冲钉,穿60%的高强度螺栓并初拧,逐步用高强度螺栓换下所有的冲钉并初拧,待焊缝施焊完毕后,再将所有的高强度螺栓终拧。桥面板安装后纵向焊缝在下一个节间钢梁安装时焊完,横向焊缝可适当滞后1~2 个节间施焊。有运输道的桥面板纵横缝的焊接,在下一个节间钢梁安装时必须焊完。最前端桥面板应先连接纵梁(肋)、横梁(肋)的螺栓,之后再进行焊接。 三、桥面板安装注意事项: ⑴焊接工作环境湿度应小于80%,焊接低合金钢的环境温度不应低于5℃。焊接过程中,注意焊接部位需要挡风。 ⑵安装桥面板时,不得碰撞钢梁杆件。 ⑶桥面板施焊期间,尽量减少作用其上的动荷载。 ⑷桥面剪力钉和道砟槽的施工,应分别从各墩顶开始,向跨中方向施工。双幅桥面施工应同步进行。 ⑸道砟槽施工原则上应该在钢梁合龙后主结构(含平联杆件)全部安装完毕,吊索完全放松,结构处于一期恒载作用下施工。 四、桥面板焊接一般要求 ⑴进行正交异性板块焊接的焊工应持有焊工资格证书,具备钢桥焊接资格,且经监理认可并只能从事证书中认定范围内的工作。 ⑵焊工焊接前应检查所用焊接设备及仪表运行情况,确认准确无误后方可开工作业。 ⑶焊工必须熟悉本工艺规程和施工图,未经焊接主管工程师同意,不得更改本工艺规程、施工图对焊接的有关规定,并对所焊焊缝质量负责。

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

相关文档
最新文档