搜索
现代桥梁钢结构的安全与耐久范文理2012年10月引言桥梁钢结构是现代工业文明和先进技术的载体，桥梁结构有收藏历史文化痕迹的特点。追求结构的耐久性是桥梁工程师的社会责任。随着后消费主义时代的到来，片面追求桥梁的几何尺度和异化外型寻求所谓的视觉冲击，使桥梁被奢侈化，有使用功能和目的被淡化的倾向。桥梁钢结构耐久性的根本是减少和控制结构的损伤，完整性设计的理念是以损伤力学为基础，确定损伤容限，设计低损伤的焊接接头和耐久的构造细节，更理性地评定结构的安全和耐久性。高强度材料并非完美无缺，缺口敏感会引发焊接接头的脆断和高强钢丝、高强度螺栓以应力腐蚀为主导的延迟断裂。强肋弱板，板先于肋退出工作。是钢结构带肋板稳定设计的正确理念。1.回顾与思考1.1起点1874年美国在密西西比河上建成双层双线公铁两用Eads桥，采用桁拱结构，最大跨度158.6m，使用了含有Cr1.5%-2%，抗拉强度约为685MPa的低合金钢，卷成452mm的铆接钢管做主要受力构件，至今已服役136年。1882-1889年，英国建成ForthBridge铁路桥，跨度L＝521m悬臂桁架，下弦采用铆接钢管2-Ф3600mm，用钢量约54，000t，至今服役已达121年。1927年，美国建成世界上第一座全焊钢桥，1935年日本在国内建成首座焊接桥。1937年，首座由中国人设计施工的钱塘江公铁两用大桥建成，跨度66m，采用比利时生产的Cr-Cu钢，抗拉强度Rm=520MPa，同年美国旧金山金门大桥建成，跨度1280m，时为世界第一。1.2发展冶金轧制及热处理技术的进步，热械控制工艺（TMCP)的应用使钢材的强度，韧性，可焊性，冷成型性和耐腐蚀性有了极大的提高，出现了高性能钢材（HPS)和桥梁高性能钢（BPS），促进了长跨桥梁钢结构的轻型化和可持续发展。正在兴建的意大利墨西拿海峡桥主跨达3300m，按四车道加双线铁路，寿命200年设计。法国米劳高架桥总成2460m，用钢量43000t，采用HPS460ML，箱梁板厚80mm，索塔板厚120mm，日本新建的东京湾三号跨海大桥采用160+440+160m桁架结构，BPS500和BPS700，钢的总用量达到20000t。在经济高速发展的环境下，中国最近成功建成的京沪高铁大胜关长江大桥跨度为336m，6线公铁两用，采用国产Q420QE钢；苏通长江公路大桥采用跨度为1088m的斜拉桥，它们的建成充分体现了中国桥梁设计的最高水准。国产低合金高强度钢（HSLA)和桥梁结构用钢已构成系列。目前，我国的年钢产量超过5亿吨，桥梁钢结构的年产量超过200万吨。美国，日本及欧共体的HPS钢性能对比钢材类型化学组成类型板厚（mm）拉伸试验冲击试验屈服强度（MPa）抗拉强度（MPa）试验温度（℃）吸收功（J）抗拉强度470MPa级别钢材0.3%Cu-3%Ni2540551202301.5%Ni-2.5%Mo503585150281极低C含量-0.3%Cu-2.5%Ni5042856403570.3%Cu-2%Ni-0.5%Cr-0.3%Mo2545559403011%Cu-1%Ni-0.05%T254745840322抗拉强度470MPa级别钢材0.3%Cu-3%Ni40599666-5310极低C含量-0.3%Cu-2.5%Ni50492621-53260.3%Cu-2%Ni-0.5%Cr-0.3%Mo50549672-5319日本含镍高等耐候钢的典型力学性能1.3问题焊接技术的应用促进了桥梁钢结构的发展，也随之带来了新的问题。焊接热过程使接头区域的金属微观组织发生了改变的同时，产生了焊接缺陷和残余应力，降低了结构的止裂能力和抗疲劳性能，因而，对焊接结构的材料选择，细节设计以及焊接工艺提出了更高的要求。1.4教训焊接桥梁应用以来，世界各国因焊接接头而引发的重大事故值得我们不断总结经验，吸取教训。•比利时：1939-1940年，Albert运河上连续发生焊接桥梁的断裂事故；•德国：1971年，莱茵河Koblenz钢箱梁桥悬臂施工底板失稳事故；•韩国：1994年，圣水大桥吊杆断裂事故；（15年）•日本及德国正交异性钢桥面板的疲劳损伤。•日本：2010年，生月大桥斜杆疲劳断裂。（19年）德国Koblenz大桥坍塌損傷箇所生月大橋の損傷について損傷状況道路の概要有料道路名生月大橋有料道路路線名主要地方道平戸生月線供用H3年7月31日延長１．１ｋｍ（うち橋梁：０．９６ｋｍ）幅員５．５ｍ（６．５）ｍ損傷箇所平戸側生月側②④北側南側ひび割れ(B)の実測結果長さ41cm箱型②①①③北側P7P6P5P4至生月方面至平戸方面L=960mL=212.5mひび割れ(A)の実測結果長さ51cmひび割れ(A)ひび割れ(Ｂ)•中国：建设及服役过程中有不同类型的结构事故和病害发生，值得我们的关注和深思。正交异性板结构的疲劳裂纹64m正交异性板钢箱梁示意图裂纹裂纹裂纹第①类裂纹第①类裂纹（角焊缝连接失效）裂纹裂纹第②类裂纹第③类裂纹纵肋与横肋/横隔板的连接部位裂纹裂纹裂纹裂纹纵肋与面板纵向连接焊缝开裂纵肋与横肋连接部位弧形缺口处横肋腹板开裂主跨310m分体式钢箱梁横断面示意图横隔板开裂横隔板开裂及加固焊趾处开裂及加固横隔板开裂后的止裂及加固888m钢箱梁横断面示意图桥面板顶面纵向裂纹纵肋与桥面板角焊缝纵向开裂横隔板过焊孔部位纵肋与桥面板角焊缝纵向开裂过焊孔下端横隔板母材开裂嵌补段裂缝横隔板过焊孔上端焊缝开裂桥面板疲劳裂纹局部构造处的疲劳裂纹加固细节我国第一座钢箱梁斜拉桥(288m)疲劳裂纹形态U肋对接接头处的疲劳裂纹U肋纵向焊缝引发的桥面板疲劳裂纹1380m钢箱梁悬索桥正交异性板疲劳裂纹构造细节不当引发的疲劳和断裂桥面板横向焊缝收缩而导致横梁连接破坏造桥机后拉杆断裂桥面系构造示意拱桥立面布置图焊趾水平开裂，端部往腹板延伸连接角钢竖向开裂或断裂螺栓破断，角钢断裂焊趾水平开裂，螺栓孔处腹板斜向开裂横梁加劲肋下端腹板开裂焊缝冷裂纹和层状撕裂十字接头处母材的层状撕裂焊缝冷裂纹环境断裂（应力腐蚀）支座锚杆的应力腐蚀断裂管节点疲劳断裂钢管砼拱节点相贯线焊缝开裂插入式板-管节点的疲劳开裂插入式板-管节点断裂结构及节点失稳造桥机主桁受压弦失稳破坏节点板面外失稳破坏母材缺陷引发的焊接结构开裂钢管拱母材近缝区开裂钢箱梁腹板工地焊接接头母材近缝区开裂风致疲劳吊杆风致疲劳断裂大跨度钢拱桥长吊杆风致效应柔性索体的应力腐蚀断裂拱桥吊索应力腐蚀断裂应力腐蚀断裂形态1.5思考采用焊接结构既要保证安全可靠耐久，又要具备服役过程中的可修复性。•母材的性能≠焊接接头的性能；•增大焊角尺寸≠提高接头承载能力；•焊缝无损检测≠完全控制了焊接缺欠；•复杂的细节构造≠结构创新性；•增大安全系数≠提高安全度；•损伤是造成桥梁钢结构短寿的元凶，它使结构功能退化，最后导致破坏。2.桥梁焊接结构的完整性设计2.1损伤和损伤容限•桥梁是一个复杂的结构系统，它的破坏不能简单归结为承载力不足，而是由于局部损伤不断发展所致。因而影响桥梁安全和耐久的根本原因是损伤。•所有结构从材料、加工过程到服役期不可避免地会在内部和表面形成和发生微小缺陷，在一定外部因素（荷载、温度、腐蚀等）作用下这些缺陷不断扩展和合并，形成宏观裂纹，对结构造成损伤而导致破坏，这些导致材料和结构力学性能劣化的微观结构变化称为损伤。•损伤容限的概念是承认结构在使用前就带来初始缺陷，但必须通过有效性设计的方法把这些缺陷或损伤在结构使用期间内控制在一定范围内保证结构使用的安全与耐久性。2.2桥梁钢结构的损伤随着高强度材料的使用所带来的材料对损伤的敏感性；损伤往往不改变材料固有的基本力学性能但却明显改变了破坏形式，弹塑性材料呈现脆性破坏的形式，同时表现在低能量破坏，尽管应力水平不高，危险性却特大；损伤分类：•材料损伤——材料生产过程中带来的缺陷（分层非金属夹杂物等冶金缺陷）；•材质改变——焊接热过程使焊接接头区附近母材（HAZ）强度提高，塑性韧性下降；•工艺损伤——加工制造过程，施工过程的缺陷如焊接缺陷，特别容易由不合理的结构设计相结合而发生（钢管拱节点采用肋钣加劲，导致疲劳寿命降低2/3）；•结构不良细节—结构细节设计先天不足而带来的严重几何应力集中；JSSC（日本钢协）桥梁钢结构焊接裂纹统计结果表明：因结构和细节设计不良占47％，因加工工艺占31％，因材料占17％，因其它占5％，可见细节设计的重要性。【AWSD1.1中对吊耳附连件构造细节了（临时或永久性设计）可能引发疲劳裂纹的提醒，应引起充分的重视】图中裂纹在焊缝端部向构件延伸2.3焊接结构的完整性设计设计要点设计条件—使用要求，使用环境与使用寿命；关键构造细节—简捷的传力系统，安全耐久的构造形式，方便制造、安装和使用维护的设计；材料及焊接接头选择—材料强度与韧性，焊接接头设计，焊接性和可检测性分析；制造工艺控制—焊接工艺评定，焊接应力与变形控制，焊接缺陷预防；疲劳与断裂控制—荷载与环境条件，损伤容限分析，疲劳寿命评估；使用与维护要求—损伤监测，维修规程，完整性评价；经济合理的工程造价。完整性评定方法英国中央电力局（CEGB）R6评定方法（2000—带缺陷焊接结构的完整性评定：Kr=K/Kmax；Lr=P/PL(σy)Kr－脆性破坏敏感参数；Lr－塑性破坏敏感参数；K－断裂驱动力；Kmax－断裂阻力；P－作用载荷；PL－带缺陷的极限载荷；欧洲统一工业结构完整性评定标准（SINTAP2000)、英国标准委员会（BS7910-1999）及美国API579推荐评定方法的应用。3.焊接接头3.1焊接接头的力学性能不均匀性3.2焊接接头工作应力的非均匀性（应力集中）结构上的几何应力集中和焊缝缺口敏感对接接头应力分布3.3焊接接头力学性能的匹配3.4拘束应力对T形和十字接头的影响3.5焊缝内部缺陷对疲劳强度的影响3.6焊后处理对疲劳强度的改善焊趾修磨焊趾锤击焊趾TIG重熔（钨极惰性气体保护重熔）技术3.7正交异性板的构造细节设计日本“公路钢桥的疲劳设计指南”对正交异性板的构造细节设计有如下要求：•U肋和桥面板的焊接接头•纵肋穿过横梁的构造细节及焊缝要求•横梁拼接处的细部构造要求•容易发生疲劳裂纹的部位3.8相贯连接管节点的疲劳设计相贯节点主腹杆交汇类型：X、T、Y、N、K、KT等受力特点主管受力复杂，除轴向力外，尚有环向应力和径向应力。主腹管连接处几何应力集中严重，HHS的SFC可高达10～20.破坏形式不再以单一形式表现，主要有冲剪、局部变形及弦管失圆（0.03d）形式，其承载力效率低为突出特点，在交变载荷作用下，受弦管刚度的影响，管节点的抗疲劳能力几乎是各类结构中最低的。HHS节点的应力集中HSS节点的S-N曲线对所有类型的管节点（T.Y.K)通用。IIW，ECCS，AWS建议对应力幅S采用热点应力，但也可以使用名义应力或冲剪应力。对同一构造细节AWS、API、DNV、ECCS、IIW，各家提供的S—N曲线略有差别。插入式板-管节点在相关疲劳规范中属于强度很低的细节，谨慎使用。钢管砼节点的疲劳设计CFST节点由于砼的作用有效提高了节点刚度（径向变形仅为HSS的1/10)，应力集中现象得到了缓解。试验证明：带肋板的相贯节点，由于应力集中和焊接缺陷，疲劳裂纹在腹管与肋板连接处发生，疲劳破坏转移到腹管上，其寿命仅为不设肋板的1/3。显然，节点不设肋板，是保证节点抗疲劳性能的重要条件。管节点相贯连接，焊缝类型设计应按部份熔透型或全熔透型要求。相贯连接焊缝的焊后修磨处理，是保证节点耐劳性能的必要条件。CFST相贯节点的疲劳容许应力[△σ]==50MPa；疲劳寿命的确定以疲劳裂纹穿透管壁为准；CFST采用板式节点的连接形式（熔透焊缝），疲劳容许应力[△σ]=80Mpa。Y.T.K钢管混凝土管节点S-N曲线示意验证性疲劳试验相贯线处支管端应力集中系数比较020406080100120140350400450500550加载次数（）425（N2）30管节点疲