一、前言

　　大型公路鋼箱梁正交異性橋面板工地接頭即箱梁節段之間的連接，過(guò)去均采用全焊或高強度螺栓連接。各國實(shí)橋運營(yíng)經(jīng)驗表明，這兩種連接方式各有不足。全焊連接時(shí)，U形肋嵌補段對接焊和肋角角接焊均處于仰焊位置施焊，而仰焊工作條件惡劣，施工周期較長(cháng)，仰焊焊接質(zhì)量比俯焊難以保證，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運營(yíng)后在這些焊接處容易產(chǎn)生疲勞裂紋。采用高強度螺栓連接時(shí)（橋面板、縱向U形助），橋面鋪裝層因栓接接頭而受到削弱，給銷(xiāo)裝工藝和質(zhì)量控制帶來(lái)很大難度，鋪裝層容易產(chǎn)生裂紋、剝離等病害，而且螺栓用量大，造價(jià)高�；�于以上原因，最近出現了一種新的連接方式，即橋面板用焊接（陶瓷襯墊單面焊雙面成型工藝），U形肋采用高強度螺栓連接。日本已將此方案作為首選方案納入設計規范。該方案克服了全焊連接和全部栓接的各自缺點(diǎn)，可以說(shuō)這是目前最先進(jìn)的連接方式。南京長(cháng)江第二大橋南汊橋在我國首次采用這種連接方式，因為是第一次采用，需通過(guò)模型試驗和有限元分析來(lái)驗證其連接剛度、局部應力和疲勞性能。本文對正變異性橋面板工地接頭構造細節的演變進(jìn)行了綜述，并對該接頭的足尺試件進(jìn)行了試驗研究和有限元分析。

　　二、鋼橋面板工地接頭構造細節的演變

　　1.鋼橋面板的構造細節

　　對于大跨度懸索橋和斜拉橋，鋼箱梁自重約為 PC箱梁自重的1/5～1/6.5.正交異性鋼板結構橋面板的自重約為鋼筋混凝土橋面板或預制預應力混凝土橋面板自重的1/2～1/3.所以，受自重影響很大的大跨度橋梁，正交異性板銅箱梁是非常有利的結構形式。通常，在鋼橋面板上鋪裝瀝青混凝土鋪裝層，其主要作用是保護鋼橋面板和有利于車(chē)輛的走行性。近代正交異性鋼橋面板的構造細節，由鋼面板縱助和橫肋組成，且互相垂直。鋼面板厚度一般為12mm，縱肋通常為U形肋或球扁鋼肋或板式助，U形肋板厚一般為6mm或 8mm，橫梁間距一般為 3.4～4.5m，兩橫梁之間設一橫肋。

　　制造時(shí)，全橋分成若干節段在工廠(chǎng)組拼，吊裝后在橋上進(jìn)行節段間的工地連接。通常所有縱向角焊縫（縱向肋和縱隔板等）貫通，橫隔板與縱向焊縫、縱肋下翼緣相交處切割成弧形缺口與其避開(kāi)。

　　2．正交異性鋼橋面板的疲勞及其工地接頭構造細節的改進(jìn)

　　鋼橋面板作為主梁的上翼緣，同時(shí)又直接承受車(chē)輛的輪載作用。如上所述，鋼橋面板是由面板、縱肋和橫助三種薄板件焊接而成，在焊縫交叉處設弧形缺口，其構造細節很復雜。當車(chē)輛通過(guò)時(shí)，輪載在各部件上產(chǎn)生的應力，以及在各部件交叉處產(chǎn)生的局部應力和變形也非常復雜，所以鋼橋面板的疲勞問(wèn)題是設計考慮的重點(diǎn)之一。自1966年英國Severn橋（懸索橋）采用扁平鋼箱梁以來(lái)，鋼橋面板陸續出現許多疲勞裂紋，主要產(chǎn)生的部位有縱助與面板之間的肋角焊縫、縱橫肋交叉的弧形缺口處，U形肋鋼襯墊板對接焊縫處等，其中梁段之間鋼橋面板工地接頭是抗疲勞最薄弱的部位。

　　由于鋼橋面板不可能更換，產(chǎn)生裂紋后修補又比較困難，50年來(lái)．通過(guò)一系列的試驗研究和有限元分析，以及實(shí)踐經(jīng)驗總結，對鋼橋面板構造細節的設計和焊接不斷進(jìn)行了改進(jìn)，使得鋼橋面板產(chǎn)生裂紋的概率大大減少。這里僅介紹鋼橋面板工地接頭構造細節設計的演變，過(guò)去采用的縱向肋焊接對接和高強度螺栓對接，改進(jìn)后的構造細節，即面板對接采用陶瓷襯墊單面焊雙面成型工藝，U形肋采用高強度螺栓對接拼接。

　　改進(jìn)后的構造細節既克服了工地接頭縱向U形肋嵌補段的仰焊對接，從而改善了疲勞性能，又避免了面板栓接拼接對橋面鋪裝層的不利影響。這種構造細節在1999年建成的日本來(lái)島大橋、明石海峽大橋（懸索橋）和多多羅大橋（斜拉橋）中得到應用。

　　三、試件設計和制造

　　根據《美國公路橋梁設計規范》（1994年版），用于計算正交異性鋼橋面板剛度和恒載引起的彎曲效應時(shí)，與縱肋共同作用的鋼橋面板的有效寬度取縱肋間距。鋼箱梁工地接頭處橋面板采用單面焊雙面成型焊接工藝，面板內側需貼陶瓷襯墊，因此焊縫下面的U形肋側壁須開(kāi)缺口以便襯墊通過(guò)。缺口寬度過(guò)小不便于施工，寬度過(guò)大易導致附近局部應力增加。日本的鋼箱梁橋在此種構造細節設計中采用的缺口寬度為75mm和120mm.

　　兩個(gè)足尺試件模擬南京長(cháng)江第二大橋南汊橋的設計圖，取一個(gè)U形肋單元，跨長(cháng)3750mm（實(shí)橋橫隔板間距），橋面板寬 600mm，厚 14mm， U形肋尺寸為 184mm*8mm*300mm，圓弧缺口寬度分為兩種，試件Ⅰ為50mm，試件Ⅱ為100mm.

　　試件材質(zhì)為 16Mnq，屈服強度為 395MPa，拉伸強度為 540MPa.試件的制造嚴格按照《南京長(cháng)江第二大橋南汊橋鋼箱梁制造規則》的有關(guān)內容進(jìn)行，試件在工廠(chǎng)制造完成后，經(jīng)外觀(guān)檢查、超聲波探傷和高強度螺栓檢查，全部合格。

　　四、試驗概況

　　1.加載方案

　　我國《公路橋梁設計通用規范》（JTJ021-89）規定汽車(chē)-超20級荷載中550kN的重車(chē)后軸重力為2*140kN，后輪著(zhù)地面積為寬*長(cháng)=600mm*200mm.本試驗中加載點(diǎn)的接觸面積參考該規范選定，考慮試件為單肋，故將本試驗的加載寬度折減為400mm，即介于單輪與雙輪寬度之間。試驗中以一塊寬*長(cháng)*厚=420mm * 200mm * 12mm的鋼板模擬橋面鋪裝層，以寬*長(cháng)*厚=400mm * 300mm * 50mm的橡膠塊模擬車(chē)輪進(jìn)行加載，試驗機為MTS300kN電液伺服試驗機，加載頻率為300次／min.

　　2.測點(diǎn)布置

　　為研究缺口附近面板上的應力分布情況，在缺口附近面板上密集布置測點(diǎn)，其中面板焊縫附近的12個(gè)測點(diǎn)貼雙向應變片測量縱、根雙向應力。除了缺口附近布置測點(diǎn)外，在試件跨中及與試件焊栓接頭對稱(chēng)的位置，也相應地布置了測點(diǎn)。

　　為了研究試件及缺口部位的豎向剛度，在試件的跨中、焊栓接頭部位、對稱(chēng)于焊栓接頭的部位、以及試件兩端都安裝了位移計。

　　3.靜載試驗

　　兩個(gè)試件都作靜載試驗。靜載試驗分兩種加載方案，一種是在焊栓接頭處加載，另一種是在跨中加載。根據有限元計算，當試件跨中作用140kN的荷載時(shí)，試件最大應力處（跨中U形肋下表面）的應力達到設計容許應力200MPa，試驗中考慮到較實(shí)際受力情況更不利的狀態(tài)，將最大靜載加到 175kN，為實(shí)際軸重力的 2.5倍，使試件的最大計算應力達到鋼材流動(dòng)極限的75％。加載等級分四級和五級。

　　4.疲勞試驗

　　選取試件Ⅰ進(jìn)行疲勞試驗，疲勞試驗加載位置為焊栓接頭處，荷載范圍40～90kN，循環(huán)次數為 200萬(wàn)次。根據有限元計算，試件跨中加 4OkN荷載時(shí)，試件跨中 U形肋下表面的最大應力與橋梁恒載作用下產(chǎn)生的最大應力相當，當加90kN荷載時(shí)，其最大應力與橋梁恒載、活載共同作用下產(chǎn)生的最大應力相當，故選取以上疲勞試驗加載范圍。

　　五、試驗結果分析

　　1.豎向撓度

　　實(shí)測各測點(diǎn)在不同荷載等級下的豎向撓度�？梢缘贸鲆韵陆Y論：

　�。�1）各測點(diǎn)的撓度與作用荷載的大小基本上呈線(xiàn)性關(guān)系。

　�。�2）實(shí)測值與計算值基本接近，表明實(shí)測值基本可信。

　�。�3）在跨中作用荷載時(shí)，有限元計算結果顯示，焊栓接頭處的撓度比對稱(chēng)于焊栓接頭的部位的撓度稍小，這是由于焊栓接頭部位U形肋的兩側腹板上通過(guò)高強度螺栓連接各外夾了兩塊拼接板，這相當于將U形助每側局部的腹板厚度增加了兩倍，而且可以與面板上的焊接接頭共同工作，從而增加了焊栓接頭部位的剛度，盡管該部位U形肋下面開(kāi)了一個(gè)施工進(jìn)手孔，但并不影響試件局部的剛度。

　�。�4）同樣在焊栓接頭處加載時(shí)，試件Ⅰ接頭處和跨中部位的撓度比試件Ⅱ對應部位的撓度稍大，這與高強度螺栓的擰緊程度有關(guān)。但是從有限元計算結果可以看出，兩個(gè)試件對應部位的撓度完全一致，這說(shuō)明缺口的大小對試件的剛度沒(méi)有影響。

　　2.局部應力

　　試件Ⅱ跨中下翼緣實(shí)測應力和計算應力，兩個(gè)試件在80kN（為公路橋梁設計通用規范規定最大輪載的 1.14倍）荷載作用下部分測點(diǎn)的實(shí)例應力如表回所示。從實(shí)測結果可以得出以下結論：

　�。�1）實(shí)例應力基本上隨著(zhù)荷載的增加而呈線(xiàn)性增加，而且基本上與計算值相吻合。

　�。�2）在外加荷載作用下，兩個(gè)試件的大多數對稱(chēng)測點(diǎn)的實(shí)測應力基本對稱(chēng)。

　�。�3）當在焊栓接頭處加載時(shí)，將兩個(gè)試件的實(shí)例應力進(jìn)行比較，就會(huì )發(fā)現：①試件IU形助圓弧缺口附近面板上的橫向應力比試件Ⅱ大，但數值較小，在其他測點(diǎn)，兩個(gè)試件面板上的實(shí)測橫向應力基本上一致，在試件中心線(xiàn)與焊栓接頭中心線(xiàn)的交點(diǎn)附近，兩個(gè)試件面板上的橫向應力都較大，但也不超過(guò)設計容許應力；②試件Ⅱ焊栓接頭附近面板上的縱向應力比試件I大，在其他測點(diǎn)，兩個(gè)試件的實(shí)測縱向應力基本上一致；③試件IU形肋圓弧缺口附近的應力比試件Ⅱ大，但數值均較小。這表明圓弧缺口的大小對試件應力的影響僅限于U形肋圓弧缺口附近，而且U形肋圓弧缺口寬度為50～100mm都是安全的。

　�。�4）當在跨中加載時(shí)，在所有的測點(diǎn)，兩個(gè)試件的應力都差不多，而且數值很小，與焊栓接頭處對稱(chēng)部位的縱向應力和橫向應力也與焊栓接頭處對應點(diǎn)的縱向應力和橫向應力基本一致。

　　3.疲勞強度

　　在下限為40kN、上限為90kN（分別為實(shí)際軸重力的57％和1.23倍）的疲勞試驗荷載作用下，經(jīng)過(guò)200萬(wàn)次后，試件I各部位的撓度與疲勞試驗前基本上沒(méi)有差別，這說(shuō)明疲勞對試件的剛度幾乎沒(méi)有影響。通過(guò)20倍放大鏡目測檢查，沒(méi)有發(fā)現裂紋，再次經(jīng)過(guò)分級靜載試驗，結果表明，各測點(diǎn)的應力大小及其與荷載的線(xiàn)性關(guān)系同疲勞前一樣�？梢哉J為，大型公路鋼箱梁正交異性橋面板結構采用焊栓連接后，其抗疲勞性能很好。

　　六、有限元分析

　　1.計算模型

　　計算采用4節點(diǎn)板單元，假定焊栓接頭處的拼接板與U型助之間不產(chǎn)生滑動(dòng)，即作為整體共同工作，不考慮橋面鋪裝層的影響。

　　我國《公路橋涵設計通用規范》（JTJ021-89）規定的汽車(chē)-超20級荷載重車(chē)的后軸重力為2*140kN即每對車(chē)輪的重力為70kN.假設一對輪載為70kN的車(chē)輪作用在試件I和試件Ⅱ的焊栓接頭附近，兩個(gè)車(chē)輪之間的距離及觸地面積。本文分別計算了兩種輪載位置，一種是對稱(chēng)輪載，另一種是偏心輪載。每種輪載從車(chē)輪邊緣靠近U型肋圓弧缺口開(kāi)始，到車(chē)輪正好離開(kāi)圓弧缺口結束，分為多種工況。

　　2.計算結果分析

　�。╨）在兩種輪載作用下，圓弧缺口處的變形。在U型肋與面板的連接處，U型助產(chǎn)生向外的面外變形。

　�。�2）面板下表面焊栓接頭線(xiàn)上的縱向應力。在兩種輪載作用下，試件Ⅱ的縱向應力比試件I的大，但應力的數值都較小，在對稱(chēng)輪載作用下，試件I和試件Ⅱ的縱向應力最大值分別為 14.6MPa和 20.5MPa，在偏心輪載作用下，試件I和試件Ⅱ的縱向應力最大值分別為25.6MPa和30.9MPa.除了在焊栓接頭中心線(xiàn)與U型肋的交線(xiàn)附近有差別外，兩個(gè)試件縱向應力分布的規律大體一致。

　�。�3）對稱(chēng)輪載和偏心輪載作用下兩個(gè)試件面板下表面焊栓接頭中心線(xiàn)上的主應力分布。共同特點(diǎn)是，當輪載靠近和離開(kāi)圓弧缺口時(shí)，最大主應力基本上相同，當輪載離開(kāi)圓弧缺口時(shí)，最小主應力比靠近圓弧缺口時(shí)稍大；當兩種輪載正好壓在圓弧缺口上面時(shí)，兩個(gè)試件的最大主應力達到極值，且數值基本上相同，在對稱(chēng)輪載作用下，試件I和試件Ⅱ的最大主應力分別為 47.3MPa和 42.2MPa，在偏心輪載作用下，試件I和試件Ⅱ的最大主應力分別為 71.6MPa和 71.7MPa，但是在焊栓接頭中心線(xiàn)的橫向對應點(diǎn)上，試件I的最小主應力比試件Ⅱ的小，例如，當y＝150mm時(shí)，在對稱(chēng)輪載作用下，試件I和試件Ⅱ的最小主應力分別為-37.4MPa和-13.7MPa，在偏心輪載作用下，試件I和試件Ⅱ的最小主應力分別為-28.8MPa和-7.7MPa.不同的是，在偏心輪載作用下，兩個(gè)試件的最大主應力比在對稱(chēng)輪載作用下的大，最小主應力比在對稱(chēng)輪載作用下的小。

　�。�4）兩個(gè)試件在兩種輪載作用下的A，B，C三點(diǎn)的最大應力隨輪載位置變化而變化的曲線(xiàn)�？梢缘贸鲆韵陆Y論：

　　a．當輪載經(jīng)過(guò)圓弧缺口時(shí)，A點(diǎn)的主應力以正為主，且對兩個(gè)試件主應力的影響趨勢相同，兩個(gè)試件的最大主應力曲線(xiàn)幾乎重合。

　　b．輪載位置對兩個(gè)試件的主應力的影響趨勢正好相反，即當輪載經(jīng)過(guò)圓弧缺口時(shí)，試件I的主應力隨著(zhù)輪載的前進(jìn)先變小，然后增大，試件Ⅱ則生好相反。但不管哪種情況，輪載位置對B點(diǎn)主應力的影響幅值都較小，在所計算的多種工況中，在對稱(chēng)輪載作用下，試件I的主應力的變化幅值不超過(guò) 9.4MPa，試件Ⅱ的主應力的變

　　化幅值不超過(guò)12．4MPa，在偏心輪載作用下，試件I的主應力的變化幅值不超過(guò)ll.lMPa，試件Ⅱ的主應力的變化幅值不超過(guò) 17.2MPa.

　　c．當輪載經(jīng)過(guò)圓弧缺口時(shí)，對兩個(gè)試件主應力的影響趨勢相同，即都是先變小，再增大。在對稱(chēng)輪載作用下，C點(diǎn)的最大主應力為正，最小主應力為負，在偏心輪載作用下，最小主應力為負，最大主應力則先變?yōu)樨�，然后轉為正，特別是試件Ⅱ，變化幅值較大，最大主應力變化幅值為 29.OMPa，最小主應力變化幅值為 36.7MPa.

　　七、結束語(yǔ)

　　正交異性鋼橋面板工地接頭中面板采用全熔透對接焊、U形肋在兩側肋板采用摩擦型高強度螺栓拼接后，通過(guò)兩個(gè)足尺試件的靜載和疲勞試驗以及有限元分析，結果表明U形肋圓弧缺口寬度分別為50mm和100mm的兩種構造細節均有可靠的連接剛度，實(shí)測局部應力都小于設計容許應力，疲勞強度也滿(mǎn)足規范要求，因此，兩種構造細節都有可靠的工作性能。在滿(mǎn)足施工要求的條件下，建議U形肋圓弧缺口不要過(guò)大，實(shí)際結構上U形助圓弧缺口寬度為70mm.