广东建材2018年第11期正交异性钢桥面板疲劳性能的影响分析刘森（厦门市路桥管理有限公司）【摘要】正交异性钢桥面板由于重量轻，极限承载力大，适用范围广，已广泛应用于大跨度公路桥梁钢箱梁。作为全焊接结构，由于其复杂的几何结构，在车轮载荷下的独特力性能，焊接操作引入的残余应力和焊接缺陷等导致正交异性钢桥面板疲劳开裂现象突出。在本文的研究中，首先分析了正交异性钢桥面板的力学特性和疲劳影响因素，然后提出了疲劳修复方法。【关键词】正交异性钢桥面板；疲劳性能；成因；修复1引言正交异性钢桥面板因其在机械性能和经济性方面的突出优势而被广泛应用于现代桥梁工程中。然而，虽然具有突出的优点，但这种结构的疲劳问题更加突出。国内外正交异性桥梁钢桥面典型疲劳案例表明：一旦正交异性钢桥面发生疲劳，就会直接影响结构的运行质量，甚至会大大降低其承载能力；疾病修复不仅昂贵且难以实现期望的修复效果。因此，研究正交异性钢桥面板的疲劳特性具有重要的理论和实际意义。2正交异性钢桥面板的受力特点作为主梁的组成部分，正交异性钢桥面板是纵梁的上法兰和主梁的上法兰。根据传统的三结构系统分析方法，可以概括为主梁系统、桥面系统和覆盖系统。主梁系统是指由盖板和纵向肋构成的主梁的上凸缘，纵梁是主梁的组成部分。甲板系统是指盖板作为纵肋和横肋的公共上法兰，桥面系统的三个部件支撑在主梁上以承受桥面上的载荷。盖系统仅将盖子视为支撑在纵向肋和横向肋上的各向同性连续板，直接承受车轮的局部载荷并将载荷传递给纵向肋和横向肋。钢桥面板的应力分布具有以下特点。⑴在车辆活载荷的作用下，主梁系统的应力相对较小，主要反映在桥面系统和盖板系统的局部应力中。⑵车轮载荷的大小决定了钢桥面板的应力大小，但其车轮载荷影响线较短，冲击范围相对有限。⑶对于钢桥面板的某些结构细节，车辆产生的应力循环次数与应力的纵向影响线的长度和车辆的轴距有关。⑷盖板中的第三系统平膜具有较小的应力，主要由平面外弯曲应力反映。⑸在纵向肋的下边缘的平面中仅存在纵向膜应力，并且存在纵向肋腹板的平面外的弯曲应力和面内膜应力。⑹梁的腹板上的应力主要由平面中的薄膜应力反映，但在与纵向肋的腹板连接处的腹板处存在一定的平面外弯曲应力。且应力集中现象明显。⑺纵向肋穿过梁腹板的弯曲开口处的应力集中也是非常明显的。总之，正交异性钢桥面板由于应力线短、接头细节的应力集中以及面外变形下的二次应力而易于疲劳开裂。3正交异性钢桥面板疲劳问题的影响因素正交异性钢桥面板具有力性能和经济性的双重优势。横向肋（隔板）板连接以形成板结构，该板结构满足纵向和横向上的不同力要求。结构体系和成形方法使正交异性钢桥面板具有突出的优点，结构复杂，焊缝多，局部轮载直接作用。桥面板以鼓形变形，并且应力集中发生在几何构造的不连续部分中，例如主构件的互连和相互约束。焊接工作中的瑕疵问题以及制造时出现的偏差问题，都会产生应力集中现象，这又会加重导致疲劳和板面的脆性。随着现代交通工具的发达，桥面和路面往往要承受非常大的压力，这种情况下，疲劳易损部位就很容易出现裂缝，进而不断扩大范围，最后导致钢桥表面部位的疲劳问题，一些常见的疲劳部位以及脆弱部位如图1所示。日本东京两条具有代表性的高速公路约7，000个封闭纵肋正交异性钢桥面板疲劳缺陷的统计分析得到的主要疲劳裂纹类型及其组成如表1所示。在我国，到现在为止，桥面一共出现了大约十七种疲劳裂痕，这其中比较常见的一种裂痕以及它所占的百质量控制与检测
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广东建材2018年第11期图2纵向加劲肋的焊缝处典型裂纹扩展模式（a）纵肋与横肋（隔）板焊缝（含开孔部位）（b）纵肋与顶板焊缝表2传统修复加固方法技术对比维修加固方法技术要点与原理修复效果及特点止裂孔法集中对尖端的高应力进行处理，避免裂痕进一步扩散；施工方法是通过在出现裂缝的疲劳尖端或者是在扩散的路径上进行钻孔。只能对裂痕的扩散有一定的阻碍效果，无法完全修复。通过超声波对裂纹部位进行持续的冲击，最后消除掉焊接产生的拉应力。超声冲击法的修复效果主要取决于施工工艺的质量，与裂纹出现的大小、焊缝的位置无关。高压水冲击法利用高压对焊缝表面进行处理，清楚表面的残余压应力。优点：处理速度快；缺点：处理费用偏高、装置使用复杂。半球形锤头锤击焊趾，引入表面残余压应力。锤击法较为兼顾成本与成效，施工成本偏低、施工质量较高，操作简单。压缩空气将丸粒喷射至焊缝表面及其周围。优点：修复质量较高；缺点：施工成本较高、施工工艺复杂且施工中会产生较大的噪音，影响较大，产生的丸粒也不便于回收。抛除原裂纹后重焊焊缝质量对其修复效果有主要影响。以钨极氢弧为热源，重新熔化焊趾，清除焊接缺陷。能够强化疲劳，且能恢复到裂缝开裂前的状态。局部加热焊缝，调节焊接残余应力场。应用于纵向非连续焊缝或接头。机械修复法超声冲击法高压水冲击法锤击法喷丸法热修复法裂纹焊合法TIG重熔法局部加热法表1正交异性钢桥面板典型疲劳易损部位编号位置比例(%)编号位置比例(%)1纵肋与横肋（隔）板焊缝0.95纵肋现场接头过焊孔焊缝0.602纵肋与横肋（隔）板焊缝（含开孔部位）38.26顶板与横肋（隔）板焊缝2.33顶板与竖向加劲肋焊缝31.57纵肋对接焊缝5.74顶板与纵肋焊缝18.98纵肋与边横隔板焊缝1.7图1典型疲劳易损部位示意分比和上面调查的结果数据基本上符合。疲劳部位和易损部位一样时，结构上的细小地方、焊接工作的瑕疵还有用力的方式等条件都会导致疲劳失效。裂痕最开始出现的部位以及它的扩展方向具有多样化，这里以纵向加强筋的焊接工作为例子。它的裂痕方式如图2所示。图2（a）中σlr代表纵肋与横肋（隔）板焊缝处纵向应力；σvr表示纵肋和横肋（分离器）焊缝处的垂直应力；σtr代表横肋（隔）板开口处切向应力。统计分析表明：①在所有裂痕种类以及它的开裂方式中，横向筋和横向肋条的焊接工作部位出现裂痕的几率高达38.2%。这部分焊接工作是整个工程中最复杂、最具有难度的，很容易出现应力集中，焊接过程中也极易出现瑕疵。根据调查，所有出现裂痕的钢桥面板大多是因为应力集中太高或者焊接工作的瑕疵太多，这两者对桥面质量影响很大。②根据调查数据，出现疲劳时，顶板和纵肋之间的焊缝比例约一比五；该部位主要是在屋脊根部产生裂痕然后向顶板扩大。由于维修很难，通常在裂痕处打通顶板，只有裂痕恶化到一定程度后才被发觉，此时雨水已经灌满裂痕甚至流入大梁内部。此外，这部分的维修和完善工作很难，必须中断交通。③在所有情况下，顶板和垂直加强筋焊缝的疲劳损坏率很高。1纵肋对接焊缝的疲劳开裂是一定比例的。4正交异性钢桥面板疲劳裂纹控制措施4.1传统修复加固方法(见表2)质量控制与检测
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广东建材2018年第11期图3组合桥面体系加固方法图4顶板与纵肋焊接细节的典型装配式快速加固体系（a）体系1：角钢体系（b）体系2：倒U形肋体系（d）加固体系疲劳细节说明（c）体系3：纵肋钢板体系4.2新型修复加固方法4.2.1碳纤维补强法碳纤维补强法主要是利用碳纤维材料的诸多优点对裂缝处进行粘贴、焊缝。在实际的应用过程中，碳纤维材料由于强度高、自重轻，给桥面带来的压力也会减小，同时还具有耐腐蚀的特点，使得碳纤维补强的位置具有更持久的补强效果，最后碳纤维补强法实际操作起来较为简单，施工人员能够很快适应操作步骤。除此之外，碳纤维材料还能修复构件破损时产生的预应力，高拉伸强度的特点使得碳纤维补强具有更好的修复效果。4.2.2组合桥面板体系法组合桥面板体系加固法是一种整体加固的方法，其加固方法如下：以一些质量较好的水泥或其他的复合材料为原料，将其覆盖在原来的钢桥表面，由于二者之间可以产生具有相同效果的作用力，所以可以起到加固的作用，详情可见图3。这一加固方法是国外一个著名专家在实际工作中最先提出的，且目前已得到行业认可，并被广泛应用于桥面的加固，随着不断改进，目前已出现了其他材料的结构层，同时还研究出了不同种类的复合性桥面板。其具体原理如下：通过在桥面覆盖其他材料，可以增加桥面的强度，同时还可以使疲劳裂纹加大，进而降低桥面的疲劳性，起到加固桥面的作用。但同时它也存在其他方面的不足，一方面在覆盖新的材料时会用到许多剪切连接工具，这会加重桥面的焊接缺陷，另一方面这一加固方法比较复杂，需要消耗较长的时间来进行，因此会加重其他路段的交通压力。4.3装配式加固法装配式加固法是一种局部加固方法，即只对开裂的桥面进行加固，这一方法使用的主要是钢及其他性能较好的材料，以装配的方法将其与开裂处连接起来，形成一个共同的受力结构。与组合桥面板体系加固法相比，这种方法具有工程简单、施工费用较低、对交通影响小等优点，因此更有优势，前景更好。具体结构如图4所示。5结语综上所述，正交异性钢桥面板能够很好地衡量一个国家在钢结构桥梁设计方面的实力，正交异性钢桥面板在桥梁的建设过程中有至关重要的作用，桥梁设计对国家的经济发展有着很大的促进作用。然而，桥面板的疲劳开裂以及由于其结构特点和使用环境造成的路面层的脆弱性长期困扰着桥梁工程界。因此需要重视正交异性刚强面板的施工与修复。●【参考文献】[1]吉伯海,田园,傅中秋,等.正交异性钢桥面板横隔板切口疲劳应力幅分析[J].工业建筑,2014（5）：128-153.[2]曹志.正交异性钢桥面板构造细节的疲劳性能研究[D].成都：西南交通大学,2015.[3]陶晓燕,刘晓光,张玉玲.正交异性钢桥面板受力特征研究[J].钢结构,2010（7）：12-14.质量控制与检测
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