正交異性板鋼橋面(3.14)2

1、正交異性板鋼橋面結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)工藝的探討the structural characteristics and manufacturing craft of steel box girder with an orthotropic steel bridge deck葉翔 葉覺明 （ ye xiang ye jue-ming ）中鐵大橋局武漢橋梁科學(xué)研究院 武漢 430034（ bridge science research institute, major bridge engineering bureau of china railways, wuhan 430034）摘要：正交異性鋼橋面板是鋼

2、結(jié)構(gòu)橋梁的重要結(jié)構(gòu)件，正交異性鋼橋面板由鋼板、u肋和橫隔板組成。以鋼箱梁正交異性鋼橋面板為例，介紹正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和組拼、焊接和工地連接工藝特點(diǎn)，探討在目前焊接和組裝工藝條件下，延長(zhǎng)正交異性鋼橋面板使用壽命的加工技術(shù)和工藝。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 st

3、iffener 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 assemblin

4、g workmanship， technology and technique to prolong the service life of orthotropic steel bridge deck was researched and discussed. 關(guān)鍵詞：正交異性鋼橋面板 板單元 橫隔板 u肋 焊接工藝 焊接殘余應(yīng)力key word: orthotropic steel bridge deck plate element cross spacer u-shaped stiffener welding technology weld residual stress對(duì)于大跨度懸索橋和

5、斜拉橋，鋼箱梁是非常有利的結(jié)構(gòu)形式。鋼箱梁以面板、底板、腹板、縱橫隔板及加勁結(jié)構(gòu)件為主要構(gòu)成。其中面板鋼板一般剛度較小，在輪載作用下易發(fā)生較大的變形，因此需要一定的鋼板厚度，同時(shí)在面板上安裝縱肋和垂直于縱肋的橫隔板加勁，這是一種典型的正交異性橋面板。鋼橋面板結(jié)構(gòu)在橋梁上是不可能更換的，如果產(chǎn)生缺陷或裂紋擴(kuò)展后修補(bǔ)又比較困難，需要從結(jié)構(gòu)和實(shí)用焊接加工技術(shù)工藝等方面予以重視，延長(zhǎng)橋面板的安全使用壽命。1.正交異性橋面板結(jié)構(gòu)和制造加工特點(diǎn)國(guó)內(nèi)鋼箱梁常用的正交異性橋面板結(jié)構(gòu)如圖1所示，這種正交異性橋面板由鋼板、u肋、橫隔板（橫梁結(jié)構(gòu)）、小隔板等組焊而成。面板焊接通常采用效率較高、輸入線能量少、焊接變形

6、小的co2氣體保護(hù)自動(dòng)焊。圖1 正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)示意圖橋梁鋼結(jié)構(gòu)一般是先制造單元件，然后組裝節(jié)段，最后工地連接。橋面板制造是先在板單元分段面板上裝u肋和橫隔板接板；然后和其他板單元組拼焊接成為鋼結(jié)構(gòu)梁段；在架橋工地將梁段連接起來。正交異性鋼橋面板在工地一般是將面板環(huán)焊連接，u肋則可以采用焊接或栓接。1.1 u肋國(guó)內(nèi)鋼箱梁正交異性鋼橋面板使用較多的是閉口u型縱肋（簡(jiǎn)稱u肋），常見的多用 6 8mm 厚的鋼板，利用模壓設(shè)備或冷軋?jiān)O(shè)備冷壓加工成型。u肋結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)要合理、u肋鋼板要適應(yīng)冷加工，保證壓制時(shí)不開裂。由于設(shè)備和工藝原因，所制成的u肋長(zhǎng)度有限，一般是按鋼箱梁節(jié)段的長(zhǎng)度制造加工。成橋應(yīng)用是

7、在u肋兩端或開孔用連接板螺栓連接，或預(yù)留嵌補(bǔ)段對(duì)接焊。 閉口式u型縱肋的特點(diǎn)是抗扭能力強(qiáng)，對(duì)車輪荷載在橫向的分布能力比較強(qiáng)。目前主要使用鋼板冷加工u肋，鄧文中先生根據(jù)國(guó)內(nèi)橋梁建設(shè)u肋需求量較大的特點(diǎn)建議國(guó)內(nèi)發(fā)展熱軋u肋，同時(shí)優(yōu)化改變其上下緣尺寸，加強(qiáng)u肋的剛度和減少焊接工作量，減小偏心焊縫所引起的應(yīng)力1。1.2 橫隔板橫隔板實(shí)際是一種橫梁結(jié)構(gòu)，為了避免難度較大的仰焊，公路橋梁鋼箱梁大多采用了拼接的分體橫隔板結(jié)構(gòu)。為了使u肋傳力途徑順暢，在通過橫隔板處開孔，讓u肋穿過橫隔板連續(xù)。為避免焊縫相交，在縱肋上緣和橋面板交叉處，在橫隔板上設(shè)置弧角；為讓縱肋下緣穿過橫隔板，也有專門的開孔要求。橫隔板開孔能

8、比較精確地在數(shù)控切割機(jī)上實(shí)現(xiàn)。研究和實(shí)橋應(yīng)用已經(jīng)表明，在橫隔板上為讓縱向u肋通過而開的孔，對(duì)橫隔板作為橫梁的作用沒有實(shí)質(zhì)上的削弱2。1.3 板單元板單元是鋼面板、u肋、橫隔板等的組焊結(jié)構(gòu)，先用角焊縫將u肋焊接在面板上，然后將橫隔板焊在面板上。還有u肋與橫隔板焊縫，將u肋剪力傳給橫隔板。在制造面板板件時(shí)，橋面板一般取長(zhǎng)方形，在寬度范圍內(nèi)包含 3 4 條縱肋，長(zhǎng)度為 12 20m 。組裝時(shí)利用工裝，將u肋準(zhǔn)確地安裝定位在定尺的鋼面板上。焊接前可先對(duì)鋼面板施加一預(yù)變形，以補(bǔ)償u肋焊縫造成的面板焊接變形。用多頭焊機(jī)，將各縱肋和面板之間的角焊縫同時(shí)完成。 u肋焊接并校平板單元后，安裝組焊橫隔板，在橫隔板

9、到位后，將橫隔板與面板、橫隔板與縱肋之間的焊縫都焊好，然后整體校平備用。2. 正交異性鋼橋面板的應(yīng)用問題正交異性鋼橋面板既承受車輪局部荷載，又與縱、橫隔板組成橋面結(jié)構(gòu)，同時(shí)又形成鋼箱梁的面板，因此構(gòu)造細(xì)節(jié)和力學(xué)作用比較復(fù)雜4（圖3）。正交異性板鋼橋面結(jié)構(gòu)是超靜定結(jié)構(gòu)，存在結(jié)構(gòu)疲勞、設(shè)計(jì)荷載取值、鋼箱梁局部應(yīng)力和應(yīng)力集中等問題。在車輪作用位置的正交異性板橋面變形，局部地區(qū)受到約束，從而引起很局部的很高的應(yīng)力；焊接時(shí)溫度的變化，在受到約束的環(huán)境下，局部地區(qū)會(huì)產(chǎn)生很高的殘余應(yīng)力；焊接變形和應(yīng)力的大小很難預(yù)測(cè)；有時(shí)甚至?xí)仍O(shè)計(jì)荷載引起的應(yīng)力更高；焊接材料、焊接工藝等原因造成的焊縫裂紋在荷載作用下擴(kuò)展；

10、制造加工焊縫焊趾的不適當(dāng)，形成應(yīng)力集中引發(fā)點(diǎn)。這幾種情況可能單獨(dú)出現(xiàn)，也可能同時(shí)存在，使正交異性板的問題疊加起來，結(jié)果引起鋼橋面結(jié)構(gòu)上的裂縫1。圖3 正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)和受力示意圖正交異性鋼橋面板可能出現(xiàn)疲勞裂紋缺陷，裂紋主要產(chǎn)生在u肋與橫隔板的連接區(qū)，具體部位有u肋與面板之間的肋角焊縫、縱橫肋交叉的弧形缺口處，u形肋鋼襯墊板對(duì)接焊縫處等。蘇通大橋鋼箱梁橋面板關(guān)鍵結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)疲勞試驗(yàn)和釜山kwang-ahn大橋的實(shí)際尺寸試件疲勞試驗(yàn)也反映出這一區(qū)域出現(xiàn)疲勞裂紋3.4。3.制造加工焊接技術(shù)工藝特點(diǎn)及改進(jìn)正交異性橋面板結(jié)構(gòu)具有焊縫長(zhǎng)，焊縫結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)比較復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)預(yù)熱、保溫、后熱及焊后熱處理等措施，

11、加之建橋市場(chǎng)的大量組焊工人缺少專業(yè)訓(xùn)練，較多缺陷可能起源于制造加工組拼和焊接技術(shù)工藝及實(shí)施過程控制。3.1 u肋焊縫u肋和橋面板是由位于u肋板外側(cè)的單邊焊縫來連接，由于u肋是閉口梯型，兩條焊縫只能在u肋外側(cè)單邊焊接，對(duì)u肋側(cè)板實(shí)際是偏心焊縫，容易引起應(yīng)力集中和疲勞裂紋。在橫隔板與橫隔板之間，u肋與面板的焊縫常常也是應(yīng)力集中的地方。如果這里的焊縫處理不適當(dāng)，就會(huì)在焊縫邊緣上引起應(yīng)力集中，容易引發(fā)疲勞裂縫。所以，現(xiàn)行規(guī)范對(duì)此焊縫都有比較嚴(yán)格的要求，大部份現(xiàn)行的規(guī)范要求這種焊縫達(dá)到80%的u肋板材的厚度，且不允許燒穿。組拼作業(yè)還要控制u肋位置及u肋與面板的間隙，間隙要求1.0mm。對(duì)于6-8mm的u

12、肋板材，這一加工焊接技術(shù)要求實(shí)際實(shí)施過程中完全達(dá)到是比較困難的。此外，還有坡口清潔、點(diǎn)焊和矯正溫度等實(shí)際條件影響。u肋與面板角焊縫焊接后，由于焊接熱影響、焊接殘余應(yīng)力、應(yīng)力集中等原因，面板會(huì)出現(xiàn)焊接角變形。焊接變形的產(chǎn)生不僅影響板單元的制造精度，而且若通過火焰矯正使其達(dá)到平面度要求，則需增加相當(dāng)多的工作量。焊縫完成后，實(shí)際焊縫只能做焊縫外觀質(zhì)量檢查，無法檢查焊縫熔深。設(shè)計(jì)要求u肋的焊接是二條焊縫同時(shí)對(duì)稱焊接，但為了實(shí)施適應(yīng)u肋坡口船舟焊和胎架反變形工藝，只能采用為單側(cè)自動(dòng)焊。板單元件u肋焊縫長(zhǎng)達(dá)10余米，焊縫容易受到橫向應(yīng)力和彎矩。加之為追求較高工效，容易出現(xiàn)技術(shù)工藝違章和失控現(xiàn)象。在這樣的施

13、工條件下保證u肋焊縫熔深和避免焊縫缺陷都是比較困難的，國(guó)內(nèi)某企業(yè)組焊板單元時(shí)就出現(xiàn)過因?yàn)?.6mm藥芯焊絲性能波動(dòng)、焊接工藝、天氣等原因，造成數(shù)千噸u肋板單元發(fā)現(xiàn)大量u肋滯后焊縫裂紋全部刨縫返工。上例刨縫和剖切破壞檢查還發(fā)現(xiàn)u肋焊縫內(nèi)部存在部分熔深不足、穿透和焊縫根部缺陷、根部裂紋等問題，需要引起足夠的重視。由于沒有有效的檢測(cè)方法，這些問題客觀存在只是沒有暴露。為了保證u肋焊接質(zhì)量，除對(duì)u肋焊縫除表面檢查、焊縫表面mt檢測(cè)抽檢外，應(yīng)對(duì)熔深和內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行ut抽檢。國(guó)內(nèi)已有橋梁鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目進(jìn)行過焊縫熔深ut檢測(cè)，但這一有效方法因缺少規(guī)范依據(jù)，難以推行。實(shí)際上建設(shè)行業(yè)已經(jīng)制定了jbt203-2007鋼

14、結(jié)構(gòu)超聲波探傷及質(zhì)量分級(jí)法，將焊接鋼板厚度檢測(cè)范圍擴(kuò)大到4mm，規(guī)范附錄中還專門提出了t型和角接接頭未焊透指示深度檢測(cè)。3.2 隔板和u肋的焊接實(shí)際應(yīng)用中，橫梁設(shè)計(jì)一般是采用橫隔板接板結(jié)構(gòu)，橫隔板接板部分先焊接在u肋板單元上，這樣可以避免施工困難和技術(shù)難度較大的仰焊。橫隔板結(jié)構(gòu)區(qū)域會(huì)存在一個(gè)面板、u肋、橫隔板焊縫交匯點(diǎn)，該區(qū)域存在較大的結(jié)構(gòu)約束和焊接殘余應(yīng)力等，應(yīng)力分布比較復(fù)雜。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在u肋與面板交匯處留一個(gè)弧孔，但因此處焊縫的端點(diǎn)處理困難，反而容易產(chǎn)生疲勞的裂縫。實(shí)用結(jié)構(gòu) u肋底部不與隔板焊接，但u肋腹板與隔板焊縫宜熔透，并把焊縫的端部打磨處理。當(dāng)車輪壓在u肋的跨度上不同的地方，u肋的變形

15、會(huì)使u肋在橫梁的地方發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，把橫梁的腹板來回推動(dòng)。當(dāng)動(dòng)載加在u肋和橫隔節(jié)點(diǎn)時(shí)，此處無橫隔板支撐，局部應(yīng)力就會(huì)較高，易引起疲勞。從南京三橋開始接受專家建議在此處u肋內(nèi)橫隔板位置加上小隔板，在動(dòng)載作用時(shí)橫隔板支撐在此處能連續(xù)起來。小隔板要與u肋尺寸匹配，與面板之間的間隙尺寸理論上要滿足磨光頂緊的要求。但現(xiàn)實(shí)是由于u肋尺寸本身不規(guī)范，只能通過減小隔板尺寸來安裝，加之內(nèi)置焊接不良，難以保證與面板密貼這一基本要求。需要重視u肋規(guī)范成型，小隔板精確下料，準(zhǔn)確定位，板厚尺寸與橫隔板相同，減少與面板的間隙等問題，這樣小隔板結(jié)構(gòu)才能真正發(fā)揮作用5。3.3 正交異性橋面板的工地連接公路鋼箱梁正交異性橋面板工地接

16、頭即箱梁節(jié)段之間的連接，過去均采用全焊或高強(qiáng)度螺栓連接，經(jīng)過改進(jìn)，現(xiàn)在較多的是采用栓焊結(jié)合的工地連接方法。全焊連接時(shí)，為了方便鋼箱梁正交異性板的組拼和工地對(duì)接，需要將對(duì)接的的面板對(duì)齊、修整，特別要注意u肋對(duì)齊。鋼箱梁工地接頭處橋面板采用單面焊雙面成型焊接工藝，面板內(nèi)側(cè)需貼陶瓷襯墊。為此制造板單元時(shí)在接頭處預(yù)先讓兩端的u肋各空一小節(jié)，板單元u肋在端頭還留一小段不與面板焊結(jié)；工地組拼好后，將先鋼箱梁的環(huán)焊焊好，然后再將u肋插入段嵌入，先焊u肋與插入段之間的對(duì)接，再焊u肋與面板之間的角焊縫。u肋連接只能從外面施焊，現(xiàn)行的辦法是在閉口肋的內(nèi)面襯一鋼墊片，再從外面施焊，由此可能存在一些隱患。面板u形肋嵌

17、補(bǔ)段對(duì)接焊和肋角角接焊均處于仰焊位置施焊，而仰焊工作條件惡劣，施工周期較長(zhǎng)，仰焊焊接質(zhì)量比俯焊難以控制，這一部位容易產(chǎn)生焊縫缺陷和疲勞裂紋，需要高素質(zhì)焊工承擔(dān)焊接。栓焊連接是鋼箱梁工地連接采用的一種新的連接方式，即鋼箱梁面板對(duì)接仍采用陶瓷襯墊單面焊雙面成型工藝，但u肋采用高強(qiáng)度螺栓對(duì)接拼接。改進(jìn)后的構(gòu)造細(xì)節(jié)避免了工地接頭u肋嵌補(bǔ)段的仰焊對(duì)接。具體辦法是在嵌補(bǔ)段用螺栓拼接板將接頭部位的u肋連接起來，在u肋兩側(cè)腹板上各外夾了兩塊帶摩擦面的拼接板用高強(qiáng)度螺栓栓接。這一連接結(jié)構(gòu)與面板環(huán)焊接頭，保證了鋼箱梁焊栓接頭部位的剛度。為了方便安裝螺栓，需在u肋端口下面開一個(gè)施工手孔。結(jié)語鋼箱梁正交異性鋼橋面板在

18、實(shí)際應(yīng)用中已暴露出疲勞裂紋缺陷等問題，需要重視改進(jìn)細(xì)部結(jié)構(gòu)，更多的是重視組拼和焊接技術(shù)工藝問題。根據(jù)試驗(yàn)研究和實(shí)用結(jié)果，細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)需要改進(jìn)和規(guī)范的主要有保證正交異性鋼橋面板面板適當(dāng)?shù)陌搴?，?guī)范u肋和橫隔板u肋開孔的形狀和尺寸，增加u肋內(nèi)部小隔板等。同時(shí)對(duì)u肋和橫隔板細(xì)節(jié)區(qū)域的焊縫需要分別特殊處理，要求局部焊縫連續(xù)熔透、端點(diǎn)打磨處理等。在結(jié)構(gòu)問題解決后，重點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)組拼和焊接，需要重視u肋結(jié)構(gòu)尺寸的控制，保證u肋、隔板等制造、安裝控制在合理的尺寸精度誤差范圍內(nèi)，小隔板結(jié)構(gòu)要強(qiáng)調(diào)與面板頂緊的功效。在此基礎(chǔ)上，探討和改進(jìn)焊接工藝，例如解決u肋焊縫對(duì)稱焊接，過程后熱保溫，專用機(jī)械整形；對(duì)細(xì)節(jié)部位焊縫熔透，表面特殊處理，消除缺陷和應(yīng)力集中等。需要重視實(shí)用組拼和焊接技術(shù)工藝改進(jìn)提高，采取有效措施消除焊接殘余應(yīng)力、變形和缺陷的危害，使正交異性板鋼橋面發(fā)揮安全可靠和經(jīng)濟(jì)耐用的功能。參考文獻(xiàn)：1.鄧文中 正交異性板鋼橋面的一個(gè)新構(gòu)思 蘇通大橋第五次專家論壇 2006年2.錢冬生 正交異性板和箱形結(jié)構(gòu)運(yùn)用于橋梁的歷史 2008年4月25日3. 周建林、劉曉光、溫玉玲 蘇通大橋鋼箱梁橋面板關(guān)鍵結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)疲勞試驗(yàn)橋梁建設(shè)2007