2014年3月-我国钢桥面板疲劳裂纹的思考.

史永吉中国铁道科学研究院2015年10月我国钢桥面板疲劳裂纹的思考(第二版)钢桥面板疲劳裂纹系列讲座之三•前言•我国钢桥面板应用历程•我国钢桥面板疲劳裂纹举例•钢桥面板设计，制造，安装和维修管理中应反思的问题目录前言从上世纪90年代末至今，我国在不到20年的时期内建成了上百座钢桥面板大跨度钢桥，应用于悬索桥、斜拉桥的扁平钢箱梁和钢桁梁，以及钢拱桥，连续钢箱梁桥等，涉及公路桥、铁路桥、公铁两用桥。这一建设速度、数量、规模是世界上任何国家、任何地区在如此短的时期内都是无法相比的。然而，我国钢桥面板疲劳裂纹也是非常严重的，呈现普遍性、早发性、多发性、再现性等特点。国外早期（上世纪50年代~70年代）建设桥梁中出现了裂纹类型，我国出现了，国外没有的裂纹类型，我国也出现了。1.前言另外，国外钢桥面板应用初期，曾产生了大量的裂纹，后经持续不断的研究——改进——实桥检验，至上世纪80年末，已基本上走出了疲劳裂纹的阴影。我国钢桥面板的应用约滞后国外30~40年，理应吸取国外的教训和研究成果，走一条更便捷的路，然而，我国建设的许多大型桥梁，虽然也投入专项资金进行了研究和结构设计的改变，却都重现了国外早期桥梁的状态，甚至更严重。1.前言透过上述现象（或许我看得过于严重些），值得我们认真思考以下问题：（1）如何站在世界巨人肩上，踏下心来认真研究先进国家走过的历程，避开别人走过的弯路和失败的教训，虚心吸取成功的经验，走一条自己的健康发展之路。（2）认清钢桥面板（正交异性板）的结构特征、受力行为（变形、应变）、疲劳特点（多数为面外变形引发的疲劳裂纹）等方面与钢主梁/主桁的区别，以及目前我们在钢桥面板的设计、制造、架设、维修管理方面陷入的误区。1.前言2.钢桥面板应用历程2.1前期应用（1960年~1980年代）（1）1960年代建成的成都——昆明铁路（单线），位于山区，因工期紧迫，全线开工，部分小跨度桥梁要求预架，又受当时运输条件制约（现开公路、汽车载重量5t、8t），为此，建设了若干孔32m的栓焊桁梁，钢桥面板兼做道砟槽板。这是我国首次应用钢正交异性板作为铁路桥面板，纵肋为板式肋，进行了正交异性板计算理论、全桥静力试验、防腐蚀方案等方面的研究，至今仍在使用，但钢桥面板腐蚀较严重。（2）1970年代，先后建成了32m铁路钢箱梁，3×64m连续钢箱梁研究。1976年建成了3×64m斜腿刚构单线铁路桥，钢桥面板箱梁，板式肋，道砟桥面，至今仍在使用。1980年代初，完成了跨度144m钢桁梁正交异性桥面板双线铁路桥的研究和设计，因故未建。（3）1980年代建成马房北江公路桥，跨长64m的钢箱梁，钢桥面板纵肋为L型，现仍在运营，但裂纹较严重。1987年建成了东营黄河公路桥，钢箱梁斜拉桥，纵向U肋，裂纹较严重。2.钢桥面板应用历程2.2近期应用（1990年以后）1996年至今建成了许多大跨度悬索桥和斜拉桥，加劲梁大部分为扁平钢箱梁，少部分为钢桁梁。随后钢桥面板陆续用于大跨度钢拱桥、连续钢箱梁桥、钢桁梁桥。涉及公路桥、公铁两用桥、铁路桥。纵向肋皆为U型肋，这些新建桥普遍产生了较严重的疲劳裂纹和桥面铺装层的病害。后建桥梁虽有不同的努力和改变，但疲劳裂纹并没有收敛的趋势。对于已产生裂纹的桥梁，也进行了加固，由于加固设计和施工不当，又产生了新的裂纹。3.我国钢桥面板疲劳裂纹举例3.1某悬索桥照片1裂纹裂透面板3.我国钢桥面板疲劳裂纹举例3.1某悬索桥照片2U肋与面板角焊缝（现场仰焊）裂纹3.我国钢桥面板疲劳裂纹举例3.1某悬索桥照片3U肋与面板角焊缝裂纹（裂透面板，漏水）3.我国钢桥面板疲劳裂纹举例3.1某悬索桥照片4U肋与面板嵌补段对接焊缝裂纹（挖补后产生新裂纹）3.我国钢桥面板疲劳裂纹举例3.1某悬索桥照片5横肋弧形切口处源于焊趾处裂纹3.我国钢桥面板疲劳裂纹举例3.1某悬索桥照片6横肋弧形切口处源于母材焰切缺欠处裂纹3.我国钢桥面板疲劳裂纹举例3.1某悬索桥照片7.1横肋与面板角焊缝（仰焊）裂纹照片7.2横肋与纵向U肋角焊缝（立焊）裂纹3.我国钢桥面板疲劳裂纹举例3.2某悬索桥照片8裂纹裂透面板3.我国钢桥面板疲劳裂纹举例3.2某悬索桥照片10U肋现场接头源于钢衬垫板对接焊处裂纹照片9U肋现场接头源于U肋与面板角焊缝（仰焊）处裂纹3.我国钢桥面板疲劳裂纹举例3.2XX桥（悬索桥，1999年通车）照片11U肋嵌补段钢衬垫板对接焊裂纹及与面板角焊缝裂纹照片12U肋嵌补段钢衬垫板对接焊裂纹3.我国钢桥面板疲劳裂纹举例3.2某悬索桥照片13U肋嵌补段外观及钢衬垫板对接焊裂纹3.我国钢桥面板疲劳裂纹举例3.3某悬索桥照片14U肋嵌补段钢衬垫板对接焊裂纹照片15U肋与面板角焊缝源于焊跟裂纹，已裂至焊缝表面3.我国钢桥面板疲劳裂纹举例3.3某悬索桥照片16U肋与面板角焊缝源于焊跟裂纹照片17横肋与面板角焊缝（仰焊）处裂纹3.我国钢桥面板疲劳裂纹举例3.3某悬索桥照片18纵隔板中断处沿焊缝端部处裂纹（裂纹裂透上翼缘板厚，漏水）照片19纵隔板中断处沿焊缝端部处裂纹（裂纹向下翼缘板厚方向扩展）3.我国钢桥面板疲劳裂纹举例3.4某斜拉桥照片20桁式纵隔板外貌照片21桁式纵隔板钢管与插入式节点板焊接处裂纹3.我国钢桥面板疲劳裂纹举例3.4某斜拉桥照片22桁式纵隔板与实腹式纵隔板连接处，实腹纵隔板与横隔板连接一侧，焊缝处裂纹3.我国钢桥面板疲劳裂纹举例3.4某斜拉桥照片23裂纹同照片223.我国钢桥面板疲劳裂纹举例3.4某斜拉桥照片24裂纹同图21（另一桥梁）3.我国钢桥面板疲劳裂纹举例3.5某斜拉桥照片25面板纵向对接焊缝过焊孔处，源于横肋与面板角焊缝端部焊趾处裂纹照片26桥面吊机与面板连接处栓孔漏水3.我国钢桥面板疲劳裂纹举例3.5某斜拉桥照片27横肋与纵肋交叉部位源于弧形切口处裂纹照片28横肋与纵肋交叉部位源于弧形切口处裂纹3.我国钢桥面板疲劳裂纹举例3.6某悬索桥照片29横肋与纵肋交叉部位源于弧形切口处裂纹（弧形切口形状和尺寸设置不当）3.我国钢桥面板疲劳裂纹举例3.7某悬索桥照片30横肋与竖向加劲肋连接焊缝处裂纹（支座位置、细节设计和焊接施工不当）3.我国钢桥面板疲劳裂纹举例3.7某悬索桥照片31竖肋与横肋连接焊缝处裂纹（支座位置、细节设计和焊接施工不当）3.我国钢桥面板疲劳裂纹举例3.7某悬索桥照片32水平加劲肋连接焊缝处裂纹（支座位置、细节设计和焊接施工不当）3.我国钢桥面板疲劳裂纹举例3.7某悬索桥照片33加劲肋连接焊缝处裂纹（支座位置、细节设计和焊接施工不当）3.我国钢桥面板疲劳裂纹举例3.8某斜拉桥照片34桥面板U肋与横隔板焊缝连接弧形切口处裂纹（弧形切口形状、尺寸设计不当）3.我国钢桥面板疲劳裂纹举例3.8某斜拉桥照片35桥面板U肋与横隔板角焊缝弧形切口处裂纹（焊接施工严重不良）3.我国钢桥面板疲劳裂纹举例3.8某斜拉桥照片36桥面板U肋与横隔板弧形切口处裂纹（弧形切口细节设计、加工和焊接不良）3.我国钢桥面板疲劳裂纹举例3.9某斜拉桥照片37桥面板U肋与横隔板角焊缝连接弧形切口处裂纹（构造细节设计不当）3.我国钢桥面板疲劳裂纹举例3.9某斜拉桥照片38桁架纵梁斜撑与水平杆之间的角焊缝处裂纹（构造细节设计不当）3.我国钢桥面板疲劳裂纹举例3.9某斜拉桥照片39底板U肋与横隔板连接焊缝弧形切口处裂纹（构造细节设计不当，加工焊接不良）目前我国钢桥面板疲劳裂纹的普遍性、严重性，后续新建桥梁疲劳裂纹发生率仍未看到收敛趋势，迫使我们面对以下二项课题：新建桥梁如何设计和制造，避免产生疲劳裂纹。已发生疲劳裂纹的运营桥梁如何维修加固，恢复其健全度。在谋求解决这二大课题之前，首先应认识钢桥面板（正交异性板）与钢主梁在结构特征、受力行为、疲劳裂纹的特点等方面的区别；并借鉴先进国家的研究——改进——实桥应用检验的经验。然后认真研究我国钢桥面板在设计、制造、维修管理存在的问题，走我国自己的钢桥面板钢桥建设之路。4.钢桥面板设计、制造、安装和维修管理中应反思的问题（1）单纯增加面板厚度12mm→14mm→16mm→18mm→20mm（2）单纯增加纵向U肋抗弯刚度300x8x280(mm)300x8x300(mm)300x(8~10)x280(mm)增设小纵梁（3）单纯减小横肋/横隔板间距4m→3.75mm→3.0mm→2.5m取消主梁腹板，采用实腹板横梁（4）面板厚度、U肋刚度、横肋间距三者匹配设计不当。（5）面板、U肋、横肋三者之间连接的构造细节设计不当。4.钢桥面板设计、制造、安装和维修管理中应反思的问题4.1钢桥面板设计问题（6）不当的横肋/横隔板上的弧形切口形状和尺寸，面板处过大的过焊孔尺寸。（7）任意改变钢桥面板传力途径的典型事例某双层承载的钢桁梁单面索斜拉桥，斜拉索吊在上层钢桥面板中央的纵梁上。某5塔斜拉桥，6跨连续钢箱梁，在中跨跨中最大正弯矩区设置纵向伸缩装置，伸缩小纵梁由钢桥面板承力。某索支撑桥钢箱梁，梁端塔区设纵隔板，其余区域不设，造成传力中断，面板裂纹。一些索支承桥钢箱梁，无主梁腹板，仅有横隔板，即非索支承处也都是实腹板横隔板。4.钢桥面板设计、制造、安装和维修管理中应反思的问题（8）避免钢箱梁制造单元、架设单元的不合理分割即应避免组装钢箱梁时产生连接偏心而引起次弯矩；应避免仰焊；应避免箱梁节段现场接头设置在最大正弯矩区或最大负弯矩区。将横隔板分解成上、下横肋和腹板，上、下横肋划分给上、下板单元件，从而避免了仰焊。4.钢桥面板设计、制造、安装和维修管理中应反思的问题（1）钢桥面板疲劳设计方法与主梁的区别基于钢桥面板的结构特征、受力行为、疲劳裂纹特点与主梁/主桁的不同，应采用不同的疲劳设计方法：钢主梁/主桁是主应力引起的疲劳，应以采用构造细节疲劳应力（断面名义应力）等级设计法为主，构造细节疲劳抗力设计法为补充。钢桥面板是面外变形在焊接连接约束处产生的次弯曲应力集中而引发的裂纹，应采用构造细节抗疲劳设计法，并选用疲劳抗力较高的构造细节，不能硬套构件名义应力的疲劳检算方法。（2）避免用强度概念来代替疲劳设计。4.钢桥面板设计、制造、安装和维修管理中应反思的问题4.2关于钢桥面板的疲劳设计4.钢桥面板设计、制造、安装和维修管理中应反思的问题4.3关于钢桥面板制造钢桥面板的制造质量（几何精度和焊接质量）与疲劳抗力密切相关。钢桥面板的制造质量又必须与钢箱梁制造结合一起考虑。（1）钢箱梁制造质量应实施生产全过程控制，包括正确的施工方案，从下料、组装和定位焊、焊接施工、焊接变形控制、检验等几何尺寸精度的全过程控制，使各钢梁节段端口几何精度（包括各纵向U肋对接）控制在统一的容许误差范围内，避免连接偏心产生次弯矩。（2）提高焊工的技能水平，确保组装定位焊、U肋与面板角焊缝的熔透深度、过焊孔和弧形切口处、焊端围焊等特殊部位的焊接质量。（3）避免仰焊。（4）合理分割制造单元和架设单元。最大限度减少现场焊接的工作量。4.钢桥面板设计、制造、安装和维修管理中应反思的问题4.4关于钢桥面板试验研究（1）基于钢桥面板的结构特征、受力行为、疲劳裂纹部位，应采用IIW推荐的方法采用实体元的3DFEM法分析不同裂纹源的应变和变形。（2）钢桥面板疲劳试验中应注意以下问题避免用轴向拉伸小试样来确定各细节的疲劳抗力。足尺试样应充分考虑支撑的约束状态与实桥接近，加载状态和轮载位置应模拟实际移动轮载试验目的应明确，一个试样，一种加载工况不可能得到多个细节的疲劳抗力。应吸取前人的试验经验，避免水平不高的重复性试验。（3）应保持研究的科学性、真实性和独立性。4.钢桥面板设计、制造、安装和维修管理中应反思的问题4.5其他原因（1）避免浮躁、急功近利的态度。少提倡“示范工程”、“标志性工程”等。（2）现在从事钢桥的设计、制造、施工的单位很多很多，应避免：不加理解的照搬前一座桥。仅凭主观想象、不借鉴世界“巨人”经验的所谓“创新”。（3）设计、制造、施工规范的技术水平有待提升。（4）某桥产生的疲劳裂纹，其他人并不完全了解，难以对以后桥梁提供改进的借鉴。甚至仍然照搬不当的设计制造