正交异性板钢箱梁桥面结构及疲劳破坏概述

周鑫鑫 杨清尘 刘泰玮

(重庆交通大学 重庆 400000)

正交异性板钢箱梁桥面结构及疲劳破坏概述

周鑫鑫 杨清尘 刘泰玮

(重庆交通大学 重庆 400000)

正交异性板箱梁桥面结构有着诸多的优点，但因结构本身和燥缝存在的初始缺陷以及直接承受车轮荷载反复作用的综合影响，正交异性钢桥面板是极易出现疲劳损伤的。本文通过总结概述，对其结构以及疲劳破坏的研究发展有一个初步的认识。

正交异性板；疲劳破坏；钢箱梁

一、世界各国对正交异性板钢箱梁桥面结构的运用

第二次世界大战以前，在设计钢主梁时，从满足结构抗风和强度出发，悬索桥主梁一般采用钢析架形式，如金门大桥、布鲁克林桥;梁式桥主梁采用钢板梁形式。第二次世界大战后，当时的德国需要修复大量被战争毁坏的旧桥，另外也需新建大量的桥梁，但是材料短缺是一大难题。为了解决这个问题，工程师们研究出了一种新的桥面结构形式——正交异性钢桥面板。它由纵横向相互垂直的加劲肋(纵肋和横肋)连同桥面盖板共同组成。这种形式的桥面板同时充当主梁上翼缘，与主梁一起参与结构受力，这样既减轻了自重，又节约了材料。德国的工程师们最先将这种正交异性桥面板应用于桥梁结构，随后日本、南斯拉夫、奥地利、加拿大、美国等改建和修建了大量的正交异性桥面板桥梁结构。

1950年德国建成了Kurpfalz桥，该桥是世界上第一座钢桥面板不但作为桥面系，同时还作为主梁的上翼缘参与主梁工作的桥梁，其建筑高度只有1.72m，用钢量390kg/m2，仅为原址毁坏旧桥用钢量的2/3，这充分体现了正交异性钢桥面板的优越性。第一座拥有正交异性桥面板的悬索桥是跨越莱茵河于1951年建成的Cologne-Muelhein桥。1966 年英国修建了第一座采用流线型钢箱梁为加劲肋的跨度 988 m 的悬索桥—塞文桥(Seven)。而之后修建的单跨 1 073 m 的博斯普鲁斯桥，恒比尔桥(280 m+1 410 m+530 m)等均采用正交异性箱型加劲梁。日本著名的斜拉桥多多罗大桥(主跨 890 m)主梁采用的也是正交异性板钢箱梁结构。

二、我国对正交异性板钢箱梁桥面结构的运用

我国对正交异性板钢箱梁和正交异性钢桥面板的研究和应用较晚，直到20世纪80年代中后期才开始正式将正交异性钢桥面板应用于桥梁结构中，到目前为止，我国几十座大跨径桥梁都是采用正交异性板钢桥面结构形式。江阴长江大桥、南京长江二桥、润扬长江公路大桥、广东虎门大桥、南京长江第三大桥、苏通长江大桥等，其加劲梁均为扁平流线型闭口肋钢箱梁。

正交异性钢桥面板是由互相垂直的纵横向加劲助与桥面板一起构成的共同承受车轮荷载的结构。由于其具有自重轻、建筑高度低、极限承载能力大，使用寿命长，易于加工制造和安装、结构连续、可釆用无断缝路面等诸多优点，正交异性钢桥面板在国内外的大、中跨度现代钢桥中被越来越多运用。现在我国很多城市高架桥也开始大量采用正交异性板钢箱梁结构。

三、疲劳破坏概述

正交异性钢桥面板在具有上述的诸多优点的同时，也具有结构板件众多、构造复杂等重要特性，再考虑到燥接工艺造成的残余应力，结构本身和燥缝存在的初始缺陷以及直接承受车轮荷载反复作用的综合影响，正交异性钢桥面板是极易出现疲劳损伤的。德国早期建设的Haseltal桥和Sinntal桥在运营不久后就出现了疲劳损伤，日本、美国等国家也陆续在正交异性钢桥面板桥梁上发现了疲劳损伤。我国对正交异性钢桥面板的使用时间不长，但是由于车辆载重和交通量持续快速的增长，现已在诸如广州虎门大桥、江阴长江大桥、厦门海沧大桥等多座桥梁的正交异性钢桥面板中发现疲劳损伤。

疲劳破坏是钢桥破坏中最为普遍的形式之一，它是指钢材在等幅或者变幅荷载的反复作用下，由于钢材存在瑕疵或者局部有细微裂纹产生进而不断发展直到发生断裂破坏的过程。正交异性钢桥疲劳破坏的原因是多方面的，首先，正交异性钢桥面板构造复杂，纵横肋与桥面板之间多处焊缝由于焊接产生残余应力；其次，结构本身的缺陷以及施工质量，车轮荷载反复作用，交通量及车辆轴重的增加；另外，钢桥面板各部位的应力影响线较短，增加了轮载产生的应力循环次数。以上的这些因素都促进了正交异性钢桥面板的疲劳破坏。在实际工程中，纵肋等多为现场焊接，接头多，再加上对焊工的技术要求比较高，焊接质量不容易保证。此外，由于目前多采用闭口式纵肋断面形式，不方便对钢桥面板的疲劳裂纹进行检查和修复，一旦出现疲劳开裂，修复起来十分麻烦，修复费用也非常昂贵。经过工程师们研究及大量模型和现场试验显示，闭口肋形式的正交异性板钢箱梁疲劳裂纹主要出现在以下几个关键部位：纵肋与桥面板的连接区域；纵肋与横隔板的连接区域(即横隔板弧形开口处)；钢桥面板的横向拼接区域(即U肋嵌补段)。

19世纪初，人们开始对疲劳现象有所重视。德国学者Wohler A最先对疲劳现象进行系统研究并设计制造了第一台疲劳试验机，对金属试件进行了疲劳试验。他在1871年发表的论文中，首次对疲劳极限的概念以及疲劳寿命和循环应力的关系进行了系统的论述，并且建立了两者的关系曲线—S-N曲线，指出疲劳破坏的直接因素是应力幅。Wohler A被公认是疲劳的奠基人，他不仅开创了金属疲劳的研究的先河，并且奠定了钢桥面板的疲劳研究的基础。前苏联人C.B.Cepehceh在20世纪40年代提出了常规疲劳设计，并推导出了常规疲劳的设计计算公式。疲劳寿命的设计方法分为有限寿命设计和无线寿命设计，其中根据S-N曲线的水平段进行的设计称为无限寿命设计；根据S-N曲线的斜线段进行的设计称为有限寿命设计。目前我们主要研究的是有限寿命设计，方法主要有：Miner线性累积损伤法则，雨流计数法，疲劳寿命的仿真计算等。其中，Miner线性累积损伤法则到今天为止仍然是钢桥疲劳设计中十分重要且有效的法则。

目前，在国内外的正交异性钢桥面板的桥梁中已观察到不同程度的疲劳开裂，由于疲劳破坏造成的桥梁事故也越来越多，因此，欧洲、日本和美国开始对钢桥面板的疲劳进行系统研究，从简单的小尺寸模型试验逐渐发展为足尺模型试验，将钢桥面板的设计、制造、安装与疲劳综合考虑并取得了一系列研究成果，并陆续纳入到钢桥设计规范中，比较完善的如英国规范BS5400，欧洲规范EURO CODE，美国规范AASHTO LRFD等等。

四、结语

综上所述，正交异性钢桥面板由于其独特的优点，在大、中跨径桥梁中得到广泛应用，国外对正交异性钢桥面板的疲劳性能有一定研究，但由于复杂的构造细节，与以往钢桥主梁的疲劳性能研究相比还远远不够，许多复杂问题还没有研究清楚，对于有些问题研究甚至得出相悖的结论，因此目前仍有许多学者对其疲劳细节进行探讨;我国对正交异性钢桥面的研究才刚刚起步，对其疲劳性能的研究不够充分，试验所用试件少，得出的结论还缺乏可靠性，为了更好地促进正交异性钢桥面板在我国的工程应用，亟待对正交异性钢桥面板疲劳及设计参数理论进行系统研究。

周鑫鑫(1995.10-)，浙江衢州人，桥梁工程专业，重庆交通大学;杨清尘，重庆交通大学，地铁及轨道工程专业;刘泰玮，重庆交通大学，桥梁工程专业。