钢桥面板疲劳裂纹分析.pdfVIP

钢桥面板疲劳裂纹分析

1概述

钢桥面板诞生于20世纪30年代的美国和德国。20世纪70年代以后，使用

U肋的正交异性钢桥面板得到广泛运用。

在中国，早期的钢箱梁主要用于悬索桥的加劲梁，例如西陵长江大桥（1996

年）、虎门大桥（1997年）、江阴长江大桥（1999年）。其后，主梁采用钢箱

梁的斜拉桥有南京第二长江大桥（2001年）、武汉军山长江大桥（2002年），

截止2010年建成了许多采用钢箱梁的大跨径悬索桥和斜拉桥。而连续钢箱梁桥

的建设则迟于悬索桥和斜拉桥，最大跨径185m的崇明至启东长江公路大桥。

钢桥面板的疲劳损伤事例以英国的Severn桥、Wye桥最为著名，在日本，

重车交通线路的国道、城市高速公路上于20世纪80年代末也发现了疲劳损伤。

之后，由于疲劳损伤不断增多，相关机构开始进行研究和疲劳试验，分析疲劳损

伤的原因、研究和实施修复对策，设计钢桥面板时开始充分考虑到疲劳耐久性。

国内最近正在设计和施工的大跨度公路桥梁中，很多都采用了有利于钢桥面

板抗疲劳耐久性的细节构造。

因此，对正交异性钢桥面板疲劳病害成因的分析和研究对正交异性钢桥面板

的抗疲劳设计有一定的参考意义。

2正交异性钢桥面板疲劳裂纹

钢桥面疲劳裂纹出现的位置图2-1和表2-1所示：

3正交异性钢桥面板主要疲劳裂纹成因

正交异性钢桥面板的疲劳损伤容易发生在交通量多的大型车辆混入率高的

桥梁。

U肋钢桥面板中，纵肋和横肋（横隔板）的下侧切口部分的环形焊缝损伤（②）

占比最多，接下来损伤较多的部位是顶板和竖向加劲肋的焊接部分（③），然后

是顶板和纵肋的焊接部分损伤（④）。②～④损伤类型占绝大多数，其次是纵肋

之间的对接焊缝的损伤（⑦）。

3.1U肋和横肋的交叉部分

U肋和横肋的焊接部分产生的损伤类型如图3.1-1所示。一般情况下，在加

劲肋的交叉部分U肋截面贯穿于横肋，横肋一侧设置了切口和过焊孔。为此，

横肋和U肋在U肋两侧的腹板与密贴于横肋的切口/过焊孔之间通过角焊缝连接，

由于其形状，应力集中很高，且板材的紧贴精度和狭窄的切口/过焊孔的环焊质

量难以保证，因此环焊的焊趾部分开裂的情况较多。

该类型的开裂大多发生在大型车车轮正下方的U肋上，原因是车辆通过时，

横肋约束了纵肋的弯曲变形。损伤类型有从U肋侧的焊趾部分发展到肋板方向

的（①-1、②-1）和从横肋侧的焊趾部分发展到横肋方向的（①-2、②-2），裂

缝大多发生在U肋侧的焊趾部分。

疲劳开裂大多发生在切口的环焊部分（②），也有过焊孔的饶焊部分（①）。

此时，由于正上方行驶的车辆使顶板在过焊孔内产生局部变形，使最接近于此处

的U肋向面外鼓出，原因是横肋将其约束引发的。

3.2顶板和竖向加劲肋的焊接部分

顶板和竖向加劲肋的焊接部分产生的损伤类型如图3.2-1所示。大型车辆的

车轮通过竖向加劲肋顶端的焊接部分正上方或附近时，导致顶板产生面外变形，

成为环焊焊趾部分板弯曲引发应力集中的原因之一。

该部位的竖向加劲肋和顶板的环焊处，分为竖向加劲板侧的焊趾部分开始产

生的裂缝（③-1）和顶板侧的焊趾部分开始的裂缝（③-2）。此外，竖向加劲肋

和顶板的焊缝根部缝隙如果较大，就难以保证焊喉厚度，会产生以根部为起点的

裂缝（③-3）。裂缝向顶板方向发展，裂缝贯穿顶板时，必须注意对路面铺装产

生的影响。

3.3顶板和U肋的焊接部分

顶板和U肋的焊缝产生的损伤类型（④-1）如图3.3-1所示。由于纵肋为封

闭断面，因此，在一般情况下，顶板的焊接是加劲肋外面的单侧焊缝。使用6mm

的U肋时，一般在自然坡口进行焊接，成为具备根部间隙的施工作业。关于该

焊接部分，要保证75%的熔透深。

该类型的裂缝贯穿焊缝，贯穿焊缝后如果以某种程度发展，就会向U肋板

方向延伸（④-1b、④-1c）。此時，焊缝的拐点上，裂缝会向顶板母材方向发展

（④-1d），养护管理时必须要注意。

图3.3-2是顶板和U肋的焊接部分开始向顶板方向发展的开裂模式（④-2）。

由于这种开裂从U肋内侧的焊缝根部开始直接向