日本公路钢桥钢桥面板疲劳裂纹.

史永吉中国铁道科学研究院2013年11月日本公路钢桥钢桥面板疲劳裂纹钢桥面板疲劳裂纹系列讲座之二1.前言2.日本钢桥面板应用概况3.纵向板式肋钢桥面板的疲劳裂纹及原因4.纵向U型肋钢桥面板的疲劳裂纹及原因目录日本钢桥面板的应用吸收了德国的经验和教训，少走了很多弯路。另外，日本发达的钢铁工业和地震频发的特点，决定了日本钢桥和钢桥面板在桥梁建设中的地位和比重。这里概要介绍了：①日本钢桥面板应用历程；②1960年代~1980年代中期建成的钢桥面板桥梁中，服役15~20年后陆续发现了许多疲劳裂纹，以及这些裂纹发生部位、形貌和走向，及其产生的原因。希望能对我国钢桥面板的设计、制造提供借鉴。正是由于上世纪60~80年代初建成的钢桥面板桥产生了许多裂纹，经过不断的研究、改进、实桥应用检验，使钢桥面板的裂纹数量有了大幅下降，其成果纳入了日本2002年版的设计规范和公路钢桥疲劳设计指针。该项研究、改进仍在继续。这种促进钢桥面板发展的思路也值得我们吸收。1.前言2.日本钢桥面板应用概况2.1钢桥面板特长（1）自重轻•可延伸跨长•有利于提高桥梁抗震性能•有利于在软基上建桥•用于更换既有桥损坏的RC桥面板（2）钢桥面板与主梁组成一体结构•既作为承受交通荷载的桥面板又作为主梁上翼缘一部分参与共同工作，经济性优•便于采用顶推法和大段架设法施工，可缩短工期•适合于需快速施工的城市高架桥（3）适应复杂线形桥梁建设，例如：•曲率较大的曲线桥•宽度急速变化的桥梁•城市线形变化的桥梁•互通立交、匝道桥等2.日本钢桥面板应用概况2.2日本应用历程（1）应用历程•1954年建成第一座钢桥面板简支板梁桥，跨长17.2m。•1959年建成第一座五跨连续钢箱梁桥。此后，跨长50m~120m范围内，连续钢箱梁是日本采用最多的桥式之一。•1970年代以后，钢桥面开始用于钢桁梁、钢拱桥。•1980年代以后，钢桥面板又用于大跨度悬索桥和斜拉桥的钢主梁。•依据架设单元的运输条件和对抗风稳定性的理解，索支撑桥的主梁分为钢桁梁和扁平钢箱梁。对于钢桁梁，依据对主梁的受力性能、施工性和维护性的理解，分为板—桁刚性接合（高强度螺栓连接或焊接）和非接合（钢桥面板纵梁连续支撑在主桁横梁上）。2.日本钢桥面板应用概况（2）日本钢桥面板结构的变化①日本钢桥面板自欧洲引入，并吸取了欧洲特别是德国在初始阶段的经验教训。例如在纵肋上没有花费更多时间进行断面形式比选，1950年代中期至1970年代初直接采用板式肋，70年代中期以后均采用U型肋，在面板厚度、U肋刚度、横肋间距三者的匹配性，三者之间连接的构造设计（包括横肋过焊孔尺寸、弧形切口形状和尺寸）、制造时的焊接和加工等进行了不断的改进。②日本“面板厚度、纵向U肋断面、横肋间距”匹配性设计的演变：面板厚度（mm）1214、1618、19U肋断面（宽X厚X高-R-m）（mm）320X6X240-40-1:4.5320X6X260-40-1:4.5320X8X240-40-1:4.5320X8X260-40-1:4.5440X8X343-40-1:4.5450X9X330-45-1:4.5横肋间距（m）2.0~2.53.0~3.754.0~5.0设计规范1983版2002年版尚未纳入设计规范2.2日本应用历程2.日本钢桥面板应用概况日本为了改善公路钢桥面板的疲劳性能和减少制造时的纵向U数量和焊接工作量，在保持钢桥面轻板型化的基础上，对大断面U肋钢桥面板（U肋断面、面板厚度、横肋处弧形切口形状和尺寸）进行了许多研究，并已在多座桥梁上应用，以期获得实桥长期运营的检验。为慎重起见，至今仍未纳入设计规范。以下列举了大断面U肋在连续钢箱梁、桁梁桥和拱桥上的应用实例（1）大断面U肋应用实例2.3大断面U肋的探索2.日本钢桥面板应用概况实例1、连续钢箱梁中的钢桥面板2.3大断面U肋的探索2.日本钢桥面板应用概况连续钢箱梁桥面板厚，U肋断面，横肋间距三者的匹配性与横肋腹板弧形切口形状如下表所示2.3大断面U肋的探索面板厚度U肋断面横肋间距弧形切口形状18mm440X330X8-40(mm)5.0m18mm454X332X9-45(mm)4.0m19mm450X330X8-40(mm)5.0m2.日本钢桥面板应用概况实例2、东京湾临海大桥2.3大断面U肋的探索2.日本钢桥面板应用概况2.3大断面U肋的探索实例3、新名神高速公路朝明川拱桥横肋间距4m3.纵向板式肋钢桥面板代表性疲劳裂纹3.1纵向板式肋的构造板式肋是指板肋和球扁钢肋，作为纵肋与面板、横肋的构造和横肋的形状如图3.1所示。在日本纵向板式肋钢桥面板于1960年~1970年代被应用于钢桥，70年代后期很快改用抗弯抗扭刚度更大的倒梯型肋（U肋），在曲梁上仍采用板式肋，但横肋间距控制在2.0m~2.5m。3.纵向板式肋钢桥面板代表性疲劳裂纹及原因日本上世纪60~70年代建成的连续钢箱梁中，服役约15~20年后在钢桥面上发现许多裂纹，裂纹总数3500例，各类裂纹比例如下表所示。裂纹类型比例①纵肋与横肋/横隔板之间角焊缝，上端过焊孔处0.5%②纵肋下端与横肋/横隔板之间角焊缝下端弧形切口处67.6%③面板与横肋/横隔板之间角焊缝处10.3%④横肋/横隔板与纵肋下翼缘相交的弧形切口母材处12.9%⑤面板与主梁腹板垂直加劲肋间角焊缝处6.3%⑥面板与纵肋间角焊缝处0.6%⑦横肋/横隔板与主梁腹板之间角焊缝处0.2%⑧纵肋与端横隔板间的角焊缝处1.7%123456783.2板式肋钢桥面板疲劳裂纹类型及比例①⑦⑥⑤④③②⑧3.纵向板式肋钢桥面板代表性疲劳裂纹及原因通常，纵向板式肋贯通，横肋上设置弧形切口，两者之间用单侧角焊缝连接，由于几何形状的突变，该区域应力集中较高，而且组装精度和因弧形切口窄小焊接质量等难以确保，所以由焊缝端部引发的疲劳裂纹较多，如图3.3所示的②型裂纹约占裂纹总数的67.6%发生的原因：大型车辆轮载作用在横肋正上方时，由于横肋的弯曲变形和剪切变形，在板肋围焊处产生很高的应力集中而引发出疲劳裂纹。纵肋与面板角焊缝处在横肋设置过焊孔时，于横肋围焊趾部产生裂纹，如图3.3中①型裂纹。3.3纵向板式肋与横肋之间焊接处疲劳裂纹3.纵向板式肋钢桥面板代表性疲劳裂纹及原因构造原因：横肋与面板之间角焊缝，在小间隙应力集中处，特别是围焊，难以确保焊接质量。力学因素：大型车的轮载纵向通过时，横肋产生很高的压应力，并且面板在小间隙处产生面外变形，横肋产生纵向面外变形，由此产生次弯曲应力。裂纹形态：裂纹起源焊缝端部沿焊趾于横肋侧扩展。裂纹沿面板侧焊趾扩展较少。3.4面板与横肋之间角焊缝处疲劳裂纹3.纵向板式肋钢桥面板代表性疲劳裂纹及原因裂纹发生的原因：车辆通过时，由于横肋的弯曲变形和剪切变形在弧形切口R部产生很高的应力集中。纵肋下端横肋弧形切口R部母材处因倒棱不良和残存的焰切缺陷等而引发的疲劳裂纹。所有裂纹都发生在纵横肋焊接一侧的R部。3.5横肋弧形切口母材处疲劳裂纹3.纵向板式肋钢桥面板代表性疲劳裂纹及原因由于纵向板式肋两侧均用角焊缝与面板连接，裂纹事例很少，仅占总数的0.6%。裂纹一般发生在横肋过焊孔处的板肋侧的焊趾处。3.6纵向板式肋与面板之间角焊缝处裂纹3.纵向板式肋钢桥面板代表性疲劳裂纹及原因当车轮通过竖向加劲肋正上方时，面板面外变形引起围焊及角焊缝焊趾处很大的次弯曲应力，从而引发裂纹。⑤-1裂纹是源于围焊焊趾并裂穿面板。⑤-2裂纹是源于角焊缝焊趾并裂穿面板。3.7面板与主梁腹板垂直加劲肋之间的角焊缝端部的疲劳裂纹3.纵向板式肋钢桥面板代表性疲劳裂纹及原因该类裂纹发生事例较少。一旦产生即向主梁腹板母材扩展，将会导致桥梁破坏的严重后果。3.8横肋与主梁腹板之间角焊缝处的疲劳裂纹3.纵向板式肋钢桥面板代表性疲劳裂纹及原因在轮载作用下纵向板式肋的竖向弯曲变形引起的端横隔板的面外变形，而且，伸缩缝附近，轮载冲击力增大，进一步加大了这种面外变形产生的次弯曲应力。3.9纵向板肋与端横梁隔板之间角焊缝处裂纹4.纵向U形钢桥面板代表性疲劳裂纹及原因4.1纵向U型肋钢桥面板的构造纵向U肋钢桥面板的构造和横肋腹板的弧形切口形状和尺寸如图4.1所示应用概况：1、日本自1980年代，正式用U肋取代板式肋。2、U肋尺寸由320X6X240型改为320X8X260型。自1990年代以后，陆续试用大断面U肋。4.2U型钢桥面板代表性疲劳裂纹类型及比例裂纹类型比例①纵肋与横肋/横隔板之间角焊缝上端过焊孔处0.9%②纵肋与横肋/横隔板之间角焊缝下端弧形切口处38.2%③面板与主梁腹板竖向加劲肋间角焊缝处31.5%④面板与纵肋间角焊缝处18.9%⑤纵肋现场接头节段之间过焊孔处0.6%⑥面板与横肋/横隔板之间角焊缝处2.3%⑦纵肋与纵肋钢垫板对接焊缝处5.7%⑧纵肋与端横隔板间的角焊缝处1.7%⑨横肋与主梁腹板之间角焊缝处0.2%4.纵向U形钢桥面板代表性疲劳裂纹及原因123456789图4.2各类裂纹比例注：（1）日本首都高速公路和阪神高速公路两线中连续钢箱梁桥钢桥面板代表性疲劳裂纹调查汇总。（2）桥梁服役15~20年后陆续发现上述裂纹。（3）各类型裂纹比例如图3.2所示，裂纹总数约7000例。①②③④⑤⑥⑦⑧4.3U肋与横肋交叉处裂纹4.纵向U形钢桥面板代表性疲劳裂纹及原因产生裂纹的原因（1）构造因素：通常纵肋贯通，横肋上设置弧形切口，横肋与U肋两侧用角焊缝连接，这种几何形状造成很高的应力集中，而且组装精度和窄小的过焊孔和弧形切口的围焊等，确保焊接质量难度较大。所以从围焊趾部引发的疲劳裂纹较多。（2）力学因素：图中①-1、②-1型裂纹源于围焊端的趾部，向U肋母材扩展。原因是，当轮载作用在横肋上方时，由于横肋竖向弯曲变形，U肋侧板产生面外变形，受两者之间角焊缝的约束产生很大的次弯曲应力。图中①-2、②-2型裂纹源于焊端沿焊趾向横肋扩展。原因是，当轮载在U肋上方纵向移动时，U肋的弯曲变形带动横肋面外变形，受角焊缝的约束产生很大的次弯曲应力。图4.3①-1①-2②-1②-24.4面板与主梁腹板竖向加劲肋之间焊缝处裂纹4.纵向U形钢桥面板代表性疲劳裂纹及原因当车轮从立梁腹板的竖向加劲肋上方或附近通过时，面板产生面外变形，在围焊趾部产生很大的弯曲因而引发裂纹。图中裂纹③-1由加劲肋侧焊趾引发，裂纹③-2由面板侧焊趾引发，并向面板厚度方向扩展，直至裂穿。③-2③-1图4.44.5纵向U肋与面板之间角焊缝处疲劳裂纹4.纵向U形钢桥面板代表性疲劳裂纹及原因产生裂纹的原因：（1）构造因素：U肋与面板之间的角焊缝通常从U肋外单侧俯姿施焊。以前使用6mm厚的U肋时，用自然坡口焊接，焊根存有小间隙；8mm厚的U肋虽然要开坡口焊接，但熔透深度没有实施有效的施工管理。2002年的公路钢桥设计规范才明确要求确保熔透深度达到75%板厚。（2）受力因素：当车轮从角焊缝上方或左右侧纵向移动时，角焊缝根部小间隙处产生张开和闭合，引起很大的次应力集中，从而引发裂纹。（3）裂纹形态：由于焊根状态、熔透深度、角焊缝的形状等条件的不明确性，该类裂纹呈多种形态。裂纹可能分布在横肋之间或横肋处角焊缝上，裂纹源于焊根，裂穿焊缝，如裂纹④-1；裂纹源于焊根，裂穿桥面板，如裂纹④-2。图4.5④-2④-14.6U型肋现场接头过焊孔处疲劳裂纹4.纵向U形钢桥面板代表性疲劳裂纹及原因5-1裂纹源于角焊缝端部沿U肋侧焊趾扩展。5-2裂纹数量较少，源于角焊缝端部焊趾向面板母材扩展。图4.64.7横肋与面板之间角焊缝处疲劳裂纹4.纵向U形钢桥面板代表性疲劳裂纹及原因⑥-1⑥-2裂纹⑥-1源于横肋与面板间角焊缝过焊孔处围焊趾部，沿横肋侧焊趾扩展。裂纹⑥-2源于围焊趾部向面板扩展，发生数量很少。图4.74.8纵向U肋现场对接焊缝处的疲劳裂纹4.纵向U形钢桥面板代表性疲劳裂纹及原因纵向U肋现场钢衬垫板对接焊，因钢衬垫板与U肋板组装时难密贴，特别是圆弧处，且U肋对接不可避免存在错边，焊根存有小间隙，疲劳强度极低，另外施焊时为仰姿和立姿，焊接难度大，焊接质量难以保证，极易由钢衬垫板焊根处引发疲劳裂纹。图4.84.9纵向U