自正交异性钢桥面板应用以来, 世界各国的正交异性钢桥面板结构都出现过问题, 且这些疲劳病害呈现多发性、突然性, 影响钢桥的耐久性及运营安全, 从而引起广泛关注。现在, 有多个团队在做这方面研究工作, 也取得一定进展, 然而, 效果究竟如何, 还需经过实桥及时间验证。

归纳总结近30年来国内外正交异性钢桥面板的疲劳病害^[1], 主要可分为: (1) U肋与面板焊缝裂纹 (见图1a) ; (2) U肋与横隔板之间焊缝裂纹 (见图1b) ; (3) 横隔板上U肋豁口的裂纹 (见图1c) ; (4) U肋嵌补段对接焊缝的裂纹 (见图1d) 。

这几类病害中最麻烦的当属U肋与面板的焊缝裂纹, 因为该类病害影响大且难以修复, 也是研究、解决正交异性钢桥面板疲劳病害的关键所在。

因正交异性钢桥面板结构的复杂性, 引起其疲劳裂纹的原因有多方面^[1], 对其中2类主要疲劳病害的产生原因简要分析如下。

1) 面板与U肋纵向角焊缝裂纹成因分析当轮载在不同位置作用时, 纵向U肋会产生挠曲变形, 并将引起面板的面外变形, 从而在面板与纵肋角焊缝的焊根、焊趾产生较大次弯矩。若结构及构造细节设计不合理, 将使焊根、焊趾处的次弯矩应力进一步增大。再加上焊接施工因素, 如由于焊根处焊缝冷却收缩形成缺口, 或残留其他缺陷、焊趾处的咬边、焊缝外观成型较差等, 必将导致焊缝开裂。

2) 横隔板上U肋豁口的裂纹在轮载作用下, 纵向U肋的竖向挠曲在横肋、横隔板支撑处会引起转动, 迫使横肋、横隔板产生面外反复变形, 当该变形受到约束时, 将产生次应力, 故在横肋、横隔板上开弧形缺口, 意在降低次应力。但如果弧形缺口过大, 将会降低桥面板的整体刚度;而如果弧形缺口过小, 又起不到减少约束、降低次应力的作用。基于这些原因, 有关研究人员也进行了专题研究, 以确定其合理的设计参数^[2]。当然, 焊接质量差也会导致该部位开裂。

近20年来, 多个项目或团队针对正交异性钢桥面板出现的问题开展了全方位研究, 并取得一定进展^[3]。结合大量疲劳开裂实例和研究结果, 可得出结论, 不管哪一类疲劳裂纹, 究其原因, 不外乎由超载、设计细节、制造质量等因素引起。故解决这一难题便需采取针对性措施。

众所周知, 我国干线公路上超载现象普遍且十分严重, 超载现象的存在加大正交异性钢桥面板各构造细节的应力幅值, 降低其疲劳寿命^[4]。尽管采取计重收费、超载罚款等措施, 有些桥梁超载现象依然没有得到根本缓解, 另有一些桥梁由于病害较严重而采取限超措施。总之, 超载是正交异性钢桥面板疲劳病害的主要原因之一, 必须由政府主管部门出台强制性规定解决这一问题。

正交异性钢桥面板特殊的构造和受力特点以及汽车轮载的反复作用, 给其疲劳寿命带来一定影响。随着人们认识的不断深入, 一些设计细节的优化、改进解决了一些疲劳问题, 值得肯定, 主要的优化举例如下。

1) 面板厚度由原来的12, 14mm改为16, 18mm, 面板U肋由原来的6mm改为8mm, 提高钢桥面板的局部和整体刚度, 降低面外变形引起的次应力, 对其疲劳性能改善有一定作用。另外, 早期建造的钢箱梁桥其横隔板间距较小者 (间距<2.8m) , 具有较好的抗面外变形能力, 出现的问题较少^[5], 值得借鉴。

2) 横隔板在面板与U肋角焊缝处过焊孔的改进提高该部位的疲劳性能 (见图2) 。

3) 改整体横隔板设计为分体式横隔板, 避免仰焊作业, 有助于提高焊接质量 (见图3) 。

4) 面板U肋工地对接接头由焊接改为栓接 (见图4) , 使得“U肋嵌补段对接焊缝裂纹”这类疲劳病害得到根除。

1) 镦边U肋方案国内多个团队研发和制造出一种镦边U肋, 可加大U肋与桥面板的焊接面积, 意在提高焊缝的抗疲劳性能 (见图5) 。然而, 焊接量虽然加大, 而焊接接头形式并未发生改变, 有关研究表明, 镦边U肋和普通U肋在焊根开裂这一破坏模式下, 其疲劳寿命无显著区别^[6]。

2) U肋单面焊双面成型熔透焊接方案在U肋内侧贴特制衬垫, 内侧约束成型, 采用船位双丝埋弧自动焊接工艺, 实现U肋焊缝的熔透及双面成型 (见图6) 。该方案需配置多台设备、投入大、占场地大, 另外, 大批量生产时内贴衬垫能否做到100%密贴, 如局部不密贴而导致内侧焊缝外观缺陷, 又如何进行返修和修磨?大线能量埋弧焊接会导致焊缝及热影响区晶粒粗大, 接头力学性能下降, 焊缝成型系数小并导致焊缝热裂倾向明显加大, 值得考虑;而且, 会使面板产生较大的焊接变形及较大的残余应力, 对疲劳也没有好处。

3) U肋双面焊方案该方案通过龙门焊接平台驱动连杆将焊接机器人送入U肋内部焊接K6角焊缝 (见图7) , 外侧焊缝要求不变。该方案与传统工艺相比, 效率有所降低、成本增加;对内焊过程的稳定性提出较高要求, 内侧焊缝的检测及返修也是关键所在, 必须采取妥善的应对措施。不过, 该方案使得接头形式发生改变, 使原来单侧焊的焊根在交变荷载下的开合变形得到约束, 对提高性能应有一定好处。

良好的制造质量是提高正交异性钢桥面板疲劳性能的关键, 主要包括合理的工艺设计、相关零部件的加工精度、组装精度以及较高的焊接质量^[7,8]。

1) 合理的工艺设计正交异性钢桥面板作为钢箱梁疲劳问题突出的构件, 在工艺设计上应优先采用先进的加工设备 (见图8～10) : (1) 可避免人为因素的影响; (2) 有利于确保质量的稳定性; (3) 应有切实的工艺措施确保零部件的加工、组装精度, 以及必要的细节处理措施。

2) 零部件加工精度控制包括U肋焊接边坡口加工精度 (双面铣床有助于保证坡口加工精度) 、横隔板上U肋槽口工艺留量及加工精度、顶板平整度等控制。

3) 组装精度控制组装精度是确保正交异性钢桥面板焊接质量、提高抗疲劳性能的关键所在, 如U肋与顶板的组装间隙、横隔板或接板与顶板、U肋的组装间隙等。

4) 关键部位焊缝的细节处理措施典型疲劳裂纹常产生于结构突变处、受拉残余应力区及焊缝不连续区, 采取相应措施消除应力集中有助于提高焊缝的抗疲劳性能, 如U肋与面板、横隔板的焊缝端部应进行打磨匀顺处理 (见图11a, 11b) , 横隔板与面板和U肋焊缝拐角处应采取连续焊接工艺、横隔板与U肋焊缝端部应采取围焊及局部打磨处理等 (见图11c) 。

正交异性钢桥面板的疲劳问题究竟如何解决?除了超载原因, U肋与面板焊缝的裂纹是由于强度不足吗?多个试验结果表明, 该处应力幅并不大, 要求U肋焊缝熔透是否能真正解决问题?一些焊接权威专家认为, U肋焊缝的疲劳是由于焊缝的缺陷或缺欠引起, 那么, 焊接量越大产生缺陷或缺欠的概率就越大。既然U肋焊缝疲劳非强度不足引起, 那为什么还要一味增加焊缝面积?

合理的设计细节有利于减少焊缝疲劳, 良好的制造质量更有利于减少或避免焊缝缺陷或缺欠的产生, 这些都是提高疲劳性能的关键所在。可一些设计者至今将面板U肋工地接头设计成焊接连接等, 一些厂家制造质量较差 (见图12～14) , 更无法保证钢梁的耐久性。

可以看出, 图12中通车仅4年便出问题的钢箱梁桥制造质量很差, 应该是产生疲劳裂纹的主要原因之一, 当然, 该桥面板单元的桥位U肋接头采用的是焊接连接而非栓接连接。图13所示为正在制作的某桥桥面板单元, 问题更多:组装不除锈;应为连续定位焊而采用的是断续定位焊, 且定位焊质量极差;U肋端头切割质量极差;桥位U肋接头采用的是焊接连接, 且钢衬垫组装间隙过大。图14所示钢箱梁为整体横隔板, 需仰焊作业;另外, 面板上的U肋与横隔板匹配极差, 一侧手工配切后焊接、一侧大间隙填充焊接, 自然留下较大疲劳隐患。

引起正交异性钢桥面板耐久性的原因是多方面的, 但只要严格限制超载、注重设计细节的合理性、具有深厚的造桥理念以及先进的设备、良好的制造质量, 再加上合理可行的技术创新能够解决其耐久性问题;而一些不合理的所谓创新只能增加成本, 对提高耐久性并无益处。