目 录
第 4 章 虎门大桥正交异性钢桥面板疲劳问题研究 ................................................................................. 2 4.1 绪论 .......................................................................................................................................................... 2
4.1.1 正交异性钢桥面板的发展概况 ............................................................................................... 2 4.1.2 正交异性钢桥面板的疲劳细节 ............................................................................................... 9 4.2 虎门大桥疲劳裂纹现状及成因 ............................................................................................................ 18
4.2.1 虎门大桥疲劳裂纹现状 ......................................................................................................... 18 4.2.2 虎门大桥疲劳裂纹的成因分析 ............................................................................................. 22 4.3 正交异性钢桥面板局部应力分析 ........................................................................................................ 28
4.3.1 有限元分析模型 ..................................................................................................................... 28 4.3.2 单轮荷载作用下桥面板应力分布 ......................................................................................... 30 4.3.3 跨中加载时横隔板处应力分析 ............................................................................................. 33 4.3.4 轮压荷载接触面积的影响分析 ............................................................................................. 33 4.3.5 双轴作用下桥面板应力分布 ............................................................................................... 34 4.3.6 结论 ......................................................................................................................................... 35 4.4 正交异性钢桥面疲劳裂纹加固方法研究 ............................................................................................ 36
4.4.1 桥面疲劳裂缝的位置和形式 ................................................................................................. 36 4.4.2桥面疲劳裂纹加固的方法 ...................................................................................................... 37 4.4.3实际加固案例 .......................................................................................................................... 39 4.4.4结论 .......................................................................................................................................... 43 4.5 正交异性钢桥面板构造细节疲劳强度的研究 .................................................................................... 44
4.5.1 概述 ......................................................................................................................................... 44 4.5.2 焊接连接的疲劳评估 ............................................................................................................. 45 5.5.3 欧洲规范3有关疲劳强度规定 ............................................................................................. 47 4.5.4 肋板与桥面板的焊接连接的疲劳试验研究 ......................................................................... 52 4.5.5 肋板与桥面板的焊接连接的试验数据统计分析 ................................................................. 61 4.5.6 结论 ......................................................................................................................................... 65 4.6 小结 ........................................................................................................................................................ 65 参考文献 ....................................................................................................................................................... 66
第 4 章 虎门大桥正交异性钢桥面板疲劳问题研究
4.1 绪论
4.1.1 正交异性钢桥面板的发展概况
由于二战以后，德国钢材短缺，为节省材料，德国工程师建桥时采用了正交异性钢桥面板。早在1934年，Leonhardt教授就对此类桥面板进行了试验，并开发了相关的计算分析方法。正交异性钢桥面板采用钢板下设纵横肋，上设铺装层作为桥面，纵肋有开口和闭口两种形式，如图4.1-1所示。正交异性钢桥面板在现代钢桥中被广泛应用。
图4.1-1 正交异性钢桥面板示意
1) 正交异性钢桥面板的优点：
正交异性钢桥面板具有：(1) 自重轻，（2）可作为主梁的一部分参与共同受力；(3) 极限承载力大；（3）适用范围广等优点。在西德当时的桥梁设计中，桥梁设计荷载采用DIN1072中的60级活载，采用混凝土桥面，桥面自重伟0.5t/m2，采用正交异性钢桥面，桥面自重0.125t/m2，因此可以明显地减轻自重，增大跨度。
2) 正交异性钢桥面板的种类和布置形式
在图4.1-1所示的钢桥面板在盖板下沿桥轴方向和垂直方向有加劲肋加劲，沿桥轴线的加劲肋叫纵肋，垂直桥轴线方向的加劲肋叫横肋或横梁。
钢桥面板的纵肋，有抗扭惯性矩较小的开口截面肋和抗扭刚度较大的闭口截面肋，见图4.1-2。开口纵肋常见的有平钢板、球头钢板、L型肋、倒T型肋；闭口肋常
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见的有槽形肋、U形肋、V形肋和Y形肋。
图4.1-2 正交异性钢桥面板纵肋的种类
闭口截面肋和盖板焊接，因为仅有外侧有角焊缝，所以焊接工作量和焊接变形比开口截面肋小。由于闭口肋的截面抗扭刚度大，与开口纵肋相比，就可以把横肋的间距做的大些，但是闭口肋在加工制做和受力性能要比开口肋要复杂的多。不同纵肋的形状对应横肋的间距如表4.1-1
表4.1-1 开口肋及闭口肋的适用跨度
经对相同跨径条件下的纵肋经计算表明，倒梯形纵肋受力及经济性能最为优越。其细部构造如图4.1-3a示。图4.1-3b为美国new San Francisco Bay bridge 钢梁及自锚式悬索桥加劲梁的V形加劲肋，常用U形加劲肋的基本参数见表4.1-2。
acA280mm5taYaXt1tth4.51rberbA大样h
（a）U肋的一般构造 （b）V肋的构造
图4.1-3 纵肋的详细截面
表4.1-2 常用U形加劲肋参数 肋 a×h×t 320×240×6 320×260×6 324.1×242×8 324.1×262×8 356×297×9 尺寸 (mm) a 320 320 324.1 324.1 356 b 213.3 204.4 216.5 207.7 152 h 260 260 242 262 297 t 6 6 8 8 9 r 40 40 40 40 38 e 88.6 99.1 89.9 100.3 面积 mm2 4026 4219 5390 5647 质量 kg/m 31.6 33.1 42.3 44.3 惯性矩 Ix (cm4) 2460 3011 3315 4055
大跨度斜拉桥、悬索桥加劲梁的桥面板强度并不控制设计，其刚度则往往成为制约板厚的主要因素。顶板的板厚一般采用12mm~20mm，其纵向加劲肋普遍采用闭口U形加劲肋。
表4.1-3 世界主要大跨度桥梁加劲梁及桥面板加劲肋参数
序号 桥名 国家 建成年代 主跨 加劲梁参数 桥面板厚(m) 12 14 12 11.4 12 12 12 12 12 14 14 12 12 14~22 16 10~22 加劲肋参数 纵肋(mm) 纵肋间距横隔板间距(mm) 608 610 618 610 620 600 600 620 605 600 600 620 600 600 620 600 (mm) 4.525 4.48 4.475 4.575 4.0 3.0 4.0 4.0 3.75 3.6 3.22 2.54 3.2 4 3.93 (m) 高(m) 宽(m) 4.5 3.0 3.0 3.0 3.05 3.05 2.2 3.5 3.0 3.0 3.0 3.62 2.7 3.0 22 33.8 28.0 33.0 28.1 28.1 23.7 37.4 38.7 20.6 36.9 36.4 30.6 a×t×h V U V255*6*318 U229*6.4*305 U260*8*320 U250*6*300 U300*6*300 U260*6*320 U220*6*300 U280*6*300 U280*6*300 U260*8*320 U280*6*300 U300*8*300 U356*9*297 U320*8*240 1 2 3 4 5 7 Humber 桥 Bosporus I 桥 Bosporus II 桥 Severn 桥 虎门大桥 Little Belt 桥 英国 土耳其 英国 中国 丹麦 丹麦 日本 日本 中国 中国 中国 中国 中国 美国 日本 法国 1981 1410 1966 1997 1090 988 888 600 土耳其 1973 1074 3.05 22.85 8 Great Belt East桥 9 10 11 12 13 14 15 16 大岛桥 明石海峡大桥 西堠门大桥 润扬长江大桥 西陵桥 江阴桥 苏通桥 金门大桥 1998 1624 560 1998 1991 在建 1650 2005 1490 1996 900 1998 1385 2008 1088 1937 1280 1999 1995 890 856 17 Tatara(多多罗) 18 Normandie 21.20 12~14 U300*7(8)*250
3）正交异性钢桥面板基本构造
一般正交异性钢桥面板，均采用密布的纵肋和分布较疏的横肋来加劲桥面钢板，所以在组合后的桥面板在两个垂直的方向刚度不同，弹性性能也不相同，把这个特性看成各向异性(anisotropy)之后，欧美各国便把这种钢桥面板起名为正交异性板
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(orthogonal- anisotropic plate，简写成orthotropic plate)。
用钢板作桥面板，其厚度和纵肋的间距、加载条件、容许局部挠度等因素有关，一般不小于10mm，美国AASHTO LFRD（2004）第9.8.3.7条对正交异性钢桥面板的规定：桥面板的最小厚度不应小于14mm，或肋腹板间距最大值的4％。桥面板上用50mm以上的沥青铺装、或薄层环氧树脂铺装，或乳胶和橡胶混合铺装等加以防护。
纵肋常采用开口肋和闭口截面构件，如图4.1-2所示。在任何情况下，用它加劲12mm以上的盖板时纵肋的间距均在300mm左右。桥面板的最小厚度和纵肋间距的大小取决于纵肋承受的弯矩大小和铺装层的种类等因素。所谓12mm最小厚度和300mm的纵肋间距是指车道部分和一般的沥青铺装层而言，但是这一尺寸的桥面板在重型车辆的作用下，易出现疲劳问题。
普通开口肋的尺寸约为10×200mm～25×300mm，这时横肋的间距是1.2~2.5m。闭口肋的肋壁一般取6mm以上，横肋的间距为2.0~4.0m。在横肋纵设置切口，使纵肋贯通，见图4.1-4。
A 肋与横梁焊接 B 椭圆形切孔 C 圆形切孔(Haibach cope hole)
图4.1-4 纵肋与横梁间的连接形式
4) 正交异性钢桥面板的力学性能
普通钢桥面板的桥梁，钢桥面板除了有桥面板和桥面系作用之外，还作为主梁的