德国钢桥面板的发展

史永吉中国铁道科学研究院2014年7月,德国钢桥面板的发展,钢桥面板疲劳损伤系列讲座之一,1.前言2.钢桥面板的发展应用历程结构演变面板、纵肋、横肋三者的匹配性及连接3.交通荷载的演变重载车辆流量的发展设计荷载的演变4.疲劳损伤及其评估钢桥面板疲劳损类别疲劳损伤评估5.疲劳损伤的修复裂纹修复正交异性板结构的加固及改造,目录,德国于上世纪30年代开始研究钢正交异性板（steelorthotropicplate）用于钢桥的桥面板，取代过去的混凝土桥面板。以利于减轻自重，延伸跨长，谋求经济性。二次大战后，为了尽快修复被破坏的大量桥梁，钢桥面板被广泛应用于连续钢板梁和连续钢箱梁桥。但是，初期建设的钢桥，钢桥面板疲劳裂纹非常严重，经过很长一段时期的摸索、研究和实桥运营检验，逐步完善了正交异性板的分析理论，在构造细节设计（如面板厚度、纵向肋断面选型、横肋间距以及三者的匹配性和连接等）、制造工艺、疲劳损伤评估和修复等方面积累了许多经验，使疲劳损伤逐步趋于收敛，取得了较优的经济性和抗疲劳耐久性，极大地促进了钢桥梁板技术的发展。很快钢桥面板技术被世界各国引进、推广。另外，随着交通运量（重载货车流量和轴重）的增长，交通设计荷载也在不断修改，1952年为BK60级，1983年为BK60/30级，2003年为LM1级，2013年为LMM级。新建桥梁可按新的设计荷载设计，但是大量的已建桥梁，包括已产生的疲劳损伤的桥梁，如何进行加固改造，使其适应新的设计荷载，也是必须考虑的问题。本文概要地介绍了德国钢桥面板的发展、交通设计荷载的变化、构造细节的改进、疲劳损伤及其评估和修复。,1.前言,2.钢桥面板应用的发展,2.1发展概要,上世纪30年代德国首先应用钢桥面板来代替混凝土桥面板，1934年建成了第一座钢桥面板连续板梁桥Feldcoeg桥，跨长8.0m+212.5m+8.0m，桥面板结构如图2.1所示。,图2.1德国Feldcoeg桥钢桥面板,2.1发展概要,二次大战末期，德国主要桥梁几乎全被战争摧毁，战后为了尽快发展国民经济，首先需要恢复交通运输，从而建成了许多经济性较优的钢桥面板连续梁桥。1950年建成的Kurpfalz桥，三跨连续钢板梁，跨长56.1m+74.8m+56.1m，见图2.2。用钢量390Kg/m2，与原地老桥（1940年建成，二战时被摧毁）用钢量585Kg/m2相比，经济性显而易见。此后，钢桥面板被广泛应用于连续钢板梁、钢箱梁、钢桁梁、钢拱梁。,图2.2德国Kurpfalz桥,很快，钢桥面板被欧洲各国、日本、美国、中国引进，并推广到全世界。1966年英国建成的Severn桥，主跨988m悬索桥，第一次采用抗风稳定较优经济性较好的带翼扁平钢箱梁。从此，钢桥面板被推广到大跨度悬索桥和斜拉桥的加劲梁中，打破了美国早期（19世纪末20世纪中）大跨度悬索桥均采用钢桁梁的历史。,2.钢桥面板应用的发展,2.钢桥面板应用的发展,钢桥面板是正交异性板（orthotropicplate）结构，由面板、纵肋、横肋组成，三者互为垂直，焊接连成一体而共同工作。它既作为桥面板直接承受交通荷载，又作为主梁翼缘的一部分参与共同工作。在均布荷载或集中荷载作用下有很大的静力极限承载能力，但在汽车轮载作用下产生局部“鼓曲”状变形，由此引起面板、纵肋、横肋的面外变形，并在焊接约束处产生次弯曲应力集中，加之，严厉的疲劳环境，易引起疲劳裂纹。德国曾尝试用过多种钢桥面板结构形式，实桥验证表明，不同的结构在经济性和耐久性方面有很大差别，经过不断的摸索、研究、试用，使钢桥面板结构逐步趋于合理化，期间改进的主要构造细节如下：面板厚度纵向肋的断面及跨度纵肋与面板间的焊接连接纵肋与横肋间的焊接连接,2.2德国钢桥面板的结构演变,钢桥面板来源于船舶的甲板，至今英文仍习惯称钢桥面板为“deck”。基于船舶甲板的经济性，初始阶段钢桥面板纵肋大多数情况下采用开口肋，为了减少焊接工作量，降低成本，总想延伸纵肋跨长，但又因产生过大的局部挠曲而引发疲劳裂纹，于是引入公式（1）规定了肋跨与面板厚度之比的限值，至今该限值仍然是有效的。,2.钢桥面板应用的发展,2.3面板厚度,（1）,式中，e纵肋跨度，t面板厚度。,另外，钢桥面板是桥面铺装层的基础，且随着重载货车重量的增加，要求钢桥面板具有足够的抗弯刚度，从而面板厚度变化如下：1950年1976年：面板厚度t10mm；1976年2003年：面板厚度t12mm；2003年以后：DINFachbericht103“SteelBridge”规范和Eurocode3Part2（EN1993-2）规范规定：面板厚度t14、16mm。,2.钢桥面板应用的发展,2.4纵肋断面形式及其跨度,德国钢桥面板纵肋断面形式的应用历程及其跨度（横肋间距）的演变如表2.1所示。由表2.1可知，在1960年代以前，德国大多数钢桥都采用开口肋，1960年代以后，大多数钢桥都采用闭口肋。,表2.1纵肋断面形式、跨度及应用年代,图2.4为几种闭口肋的型式。由于U肋冷压成型技术的改进，提高了纵向肋的抗扭刚度，改善了结构局部的受力性能，从1970年代至今梯形肋（现称U型肋）已占据了支配地位，并形成了标准形式，纳入设计规范。另一重要改进是：由横肋贯通、纵肋断开，改为横肋上设弧形切口让纵肋贯通。,2.钢桥面板应用的发展,2.4纵肋断面形式及其跨度,图2.4闭口肋断面形式,随交通荷载轮重的增加、面板和肋板厚度经不断修改，纵肋与面板间角焊缝熔透深度亦随之演变，如图2.5所示。较早的设计规范中，面板厚度10mm，纵肋板厚6mm时，角焊缝喉高设定为3.54.0mm，由于重载货车轮重引起面板的面外变形而产生的次弯矩需通过角焊缝传递给纵肋，这种角焊连接很弱，其抗弯耐久性较低，易从焊跟引发裂纹。现在的工艺是用全熔透角焊缝，钝边2mm，则可极大提高其抗疲劳耐久性。,2.钢桥面板应用的发展,2.5纵肋与面板间的焊接连接,图2.5纵肋与面板角焊缝的演变,初期，横肋贯穿，纵肋断开，纵横肋间采用焊接或高强度螺栓连接方式，均产生大量的疲劳裂纹。后改为横肋腹板设置弧形切口，纵肋贯穿，若弧形切口的形状和尺寸设置得当，纵横肋间焊缝质量优良，则可提高其抗疲劳耐久性。图2.6为EuroCode3规范推荐的弧形切口形状和尺寸。,2.钢桥面板应用的发展,2.6纵肋与横肋腹板的焊接连接,图2.6弧形切口的形状和尺寸,钢桥面板的疲劳损伤受交通荷载影响很大，交通荷载取决于重载货车交通总量，德国设计交通荷载模型是按重载交通的增加，并预计今后10年以上的发展而修改。本节介绍了德国重载货车交通量的及设计交通荷载模型的相应演变。图3.1为1950年至2012年重载货车交通量发展，以及至2025年的预期值。,3.德国交通荷载的演变,3.1德国交通荷载的发展,图3.1德国重载货车交通量发展,图3.2a)为1952年制定的设计载荷模型“Bridge60级”（BK60）：单车道上加3轴60t重载货车作为设计载荷。随着重载货车交通的增加，1982年用荷载模型“Bridge60/30级”（BK60/30）取代之，如图3.2b）所示，即二车道上分别加3轴60t和3轴30t重载货车。2003年执行“DIN-Fachbericht101”规范，引入半概率安全概念，建立载荷模型（LM1），在两车道上分别加2轴48t和2轴32t重载货车，见图3.2c）。自2013年5月起，德国桥梁按欧洲新的荷载模型（LMM）进行设计，见图3.2d）。,3.德国交通荷载的演变,3.2设计交通荷载模型的修改,3.德国交通荷载的演变,3.2设计交通荷载模型的修改,图3.2德国设计交通荷载模型的演变,3.2aBK60(1952年)3.2bBK60/30(1982年),3.2cLM1(2003年)3.2dLMM(2013年),3.德国交通荷载的演变,3.2设计交通荷载模型的修改,图3.3荷载模型的发展,图3.3给出了荷载模型的发展。,3.德国交通荷载的演变,3.2设计交通荷载模型的修改,图3.4按不同荷载模型设计钢桥数量年限分布,图3.4表示从1950年-2010年按不同荷载模型设计钢桥数量的分布。由该图可见，至1980年建成的大多数钢桥是按BK60级荷载设计的，只有少数的现代桥是按LM1级荷载设计的，现在的问题是如何处理那些老桥。,4.钢桥面板疲劳损伤,4.1钢桥面板典型疲劳损伤举例,德国钢桥面板疲劳损伤按荷载传递途径及部位分为四大类。（1）疲劳损伤类型1与面板连接焊缝处裂纹纵肋与面板间的连接角焊缝处裂纹，如图4.1所示。,图4.1纵肋与面板连接焊缝处裂纹,4.钢桥面板疲劳损伤,4.1钢桥面板典型疲劳损伤举例,（2）疲劳损伤类型2纵肋体系连接焊缝处裂纹节段损伤接头处纵肋钢衬垫板对接接头处裂纹,图4.2纵肋钢衬垫版对接焊处裂纹,4.钢桥面板疲劳损伤,4.1钢桥面板典型疲劳损伤举例,（2）疲劳损伤类型2纵肋体系连接焊缝处裂纹横肋贯穿，纵肋断开，纵肋与横肋连接角焊缝处裂纹,图4.3横肋贯穿、纵肋断开时，两者间角焊缝连接处裂纹,4.钢桥面板疲劳损伤,4.1钢桥面板典型疲劳损伤举例,（2）疲劳损伤类型2纵肋体系连接焊缝处裂纹横肋设弧形切口，纵肋贯穿时，二者间连接角焊缝处裂纹,图4.4横肋设弧形切口，纵肋贯穿时，连接处裂纹,4.钢桥面板疲劳损伤,4.1钢桥面板典型疲劳损伤举例,（3）疲劳损伤类型3横肋体系连接焊缝处裂纹横梁与横撑间连接处裂纹横梁焊接处裂纹,图4.5横梁连接焊缝处裂纹,(4)疲劳损伤类型4主梁体系连接处焊缝处裂纹主梁腹板、翼缘的焊接连接处极少产生裂纹。,4.钢桥面板疲劳损伤,4.2早期桥梁疲劳裂纹举例,这里列举几例德国早期建造的连续钢梁桥和英国建造的第一座钢箱梁悬索桥钢桥面板疲劳裂纹。（1）德国porta桥建于1954年，三跨连续钢桥面板箱梁桥，跨长106.2+77.88+63.72=247.8m，单箱，两侧带悬臂板，全宽14.2m，单箱宽5.9m高3.5m。桥面板纵向肋为半圆形闭口断面，横肋为倒T形截面，横肋腹板贯通，纵肋横肋连接采用钢衬垫板全熔透焊接。尽管该细节由德国国立材料研究所做了模型试样的拉拉疲劳试验，当时认为疲劳性能是安全的，但是当该桥运营后，在该处出现多发性裂纹，可见这种小试样的疲劳试验不反映实际结构焊接施工和受力状态。,4.钢桥面板疲劳损伤,4.2早期桥梁疲劳裂纹举例,图4.6Porta桥横断面,a)纵断面b)横断面图4.6Porta桥纵、横肋连接细节,4.钢桥面板疲劳损伤,4.2早期桥梁疲劳裂纹举例,（2）德国Haseltal桥建于19591961年，7跨连续钢板梁桥，跨长76.2+5101.6+76.2=660.4m，桥面全宽29.0m，工字形主梁中心距18.52m，梁高3.75.0m。纵向肋为三角形封闭断面，横肋为倒T形断面，间距2.31m，横肋腹板贯通，纵肋与横肋连接采用钢衬垫板全熔透焊接。投入运营后，产生了多发性裂纹，该桥于19851987年针对这些裂纹病害进行了加固，加固费1.05107马克，扣除物价上涨指数，约相当于原建设费的21.8。,图4.7Haseltal桥裂纹部位,4.钢桥面板疲劳损伤,4.2早期桥梁疲劳裂纹举例,（3）英国的Severn桥建于1966年，跨长304.9+987.55+304.8=1597.15m。钢桥面板中，面板厚11.4mm，U肋尺寸3052296.4mm，横肋贯通，U肋与横肋腹板采用钢衬垫板熔透角焊缝。运营后不久，钢桥面板产生大量的裂缝，19811983年进行了加固，加固费约为当初建设费的2.5倍（未扣除物价上涨指数）。,5.疲劳损伤的修复,钢桥疲劳损伤的修复应由具有丰富经验和熟练的专业技术人员和技工实施，包括以下内容：疲劳损伤的评估局部修理局部加固钢桥面板的翻新改造,5.疲劳损伤的修复,5.1评估,疲劳损伤评估涉及检测、分析评定、修理、加固、结构改造、更新等，评估内容包括结构极限承载能力和服役可靠性分级及其处理措施。评估工程师可根据以下指南实施：既有公路桥再评估指南(Nachrechenungsrichtlinie:RichtliniezurNach_rechnungvonStraenbrckenimBestand.2011)既有钢桥剩余疲劳寿命估算推荐方法(AssessmentofExistingSteelStructures:RecommendationsforEstimationofRemainingFatigueLife.JRC-report,2008.)评估一般分四个阶段：第一阶段：初始评估第二阶段：详细研究第三阶段：专家研究第四阶段：修补处理,5.疲劳损伤的修复,5.2钢桥状态等级,根据德国标准DIN1076“Highwaystructures-TestingandInspection.1999”，评定结构的状态等级值：很好状态1.0-1.4较好状态1.5-1.9满足要求状态2.0-2.4基本满足要求状态2.5-2.9不满足要求状态3.0-3.4有缺陷的状态3.5-4.0德国共有钢桥1147951个（按结构计），约有60%的钢桥状态等级值为2.5或2.5以上，其中约70%是19601970年代建造的，这就意味着这些桥梁急需加固和改造。,5.疲劳损伤的修复,5.3裂纹的修复,修复是指把已产生疲劳损伤的桥梁恢复至原有的健全状态。对于钢正交异性板结构，典型的修复是指对连接焊缝和附近钢板上裂纹的处理。这些裂纹的修复方案，随正交异性板的结构、构造细节不同而不同，没有通用的解决方法。对此德国已积累了许多经验，并把这些经验收集在文献“DVSBulletin1709，Repairoforthotropicdecks”内MerkblattDVS1709:InstandsetzungundVerstrkungorthotroperFahrbahnplatten,AusschussfrTechnik,ArbeitsgruppeSchweienimBauwesen,DVSVerlagGmbh,May2008。文献提供了相关修复设计、施工、质量保证等特殊的焊接工艺的推荐方法和要点。,5.疲劳损伤的修复,5.4桥面板的加固改造,如果修复不能满足耐久性时（由于疲劳效应的增加），则需进行加固改造处理。若采取附加措施，则需确保有足够的剩余寿命。以下对疲劳损伤类型1的加固方法作简要介绍。类型1的损伤将直接影响结构的安全性和桥梁的使用性能，必须用有效的加固方法来防止这类损伤。加固面板是降低与面板连接焊缝附近局部应力和面外变形的最有效措施。这里介绍几种不同的加固技术。,5.疲劳损伤的修复,5.4桥面板的加固改造,（1）SPS(sandwichplatesystem)法SPS法基于以下原理，设置一层与面板平行的加强板，之间用流动性好的聚氨酯填充，养生硬化后，聚氨酯与两层钢板作为承载层而共同工作，如图5.1所示。德国于2005年用SPS法加固了一座实验桥，实桥实验表明，局部应变降低约50%，从技术层面上看，该加固方法是成功的，从经济层面看，由于总厚度比原来的Gossasphalt铺装层增加了35mm，造价较高。,图5.1SPS加固法,5.疲劳损伤的修复,5.4桥面板的加固改造,（2）BSP（bondedsteelplate）法BSP法是把6mm的厚钢板用高黏着性能的环氧树脂直接粘贴在面板上，两层钢板作为承载层而共同工作，见图5.2。上面铺