The structural characteristics and manufacturing craft of steel box girder with an orthotropic steel bridge deck
叶翔 叶觉明动力钳
（ Ye Xiang Ye Jue-ming ）
中铁大桥局武汉桥梁科学研究院 武汉 430034
（ Bridge Science Research Institute, Major Bridge Engineering Bureau of China Railways, Wuhan 430034）
摘要：
正交异性钢桥面板是钢结构桥梁的重要结构件，正交异性钢桥面板由钢板、U肋和横隔板组成。以钢箱梁正交异性钢桥面板为例，介绍正交异性钢桥面板结构特点和组拼、焊接和工地连接工艺特点，探讨在目前焊接和组装工艺条件下，延长正交异性钢桥面板使用寿命的加工 技术和工艺。
abstract:
The orthotropic steel bridge deck is important structural of the steel structure bridge, the orthotropic steel bridge deck made is composed by the steel plate、 the U-shaped stiffener and the cross spacer . Taking the steel box girder deck plate as research object, the orthotropic steel bridge deck unique feature and craft characteristic for assembling、welding and site connection of the plate elements was deal with。 under the condition of the current welding and assembling workmanship， technology and technique to prolong the service life of orthotropic steel bridge deck was researched and discussed.
关键词：
正交异性钢桥面板 板单元 横隔板
U肋 焊接工艺 焊接残余应力
Key word:
orthotropic steel bridge deck plate element cross spacer U-shaped stiffener welding technology Weld residual stress
对于大跨度悬索桥和斜拉桥，钢箱梁是非常有利的结构形式。钢箱梁以面板、底板、腹板、纵横隔板及加劲结构件为主要构成。其中面板钢板一般刚度较小，在轮载作用下易发生较大的变形，因此需要一定的钢板厚度，同时在面板上安装纵肋和垂直于纵肋的横隔板加劲，这是一种典型的正交异性桥面板。钢桥面板结构在桥梁上是不可能更换的，如果产生缺陷或裂纹扩展后修补又比较困难，需要从结构和实用焊接加工技术工艺等方面予以重视，延长桥面板的安全使用寿命。
1.正交异性桥面板结构和制造加工特点
国内钢箱梁常用的正交异性桥面板结构如图1所示，这种正交异性桥面板由钢板、U肋、横隔板（横梁结构）、小隔板等组焊而成。面板焊接通常采用效率较高、输入线能量少、焊接变形小的CO2气体保护自动焊。
图防尘接线盒1 正交异性钢桥面板结构示意图
桥梁钢结构一般是先制造单元件，然后组装节段，最后工地连接。桥面板制造是先在板单元分段面板上装U肋和横隔板接板；然后和其他板单元组拼焊接成为钢结构梁段；在架桥工地将梁段连接起来。正交异性钢桥面板在工地一般是将面板环焊连接，U肋则可以采用焊接或栓接。
1.1 U肋
国内钢箱梁正交异性钢桥面板使用较多的是闭口U型纵肋（简称U肋），常见的多用 6 ～篮子鱼 8mm 厚的钢板，利用模压设备或冷轧设备冷压加工成型。U肋结构尺寸设计要合理、U肋钢板要适应冷加工，保证压制时不开裂。由于设备和工艺原因，所制成的U肋长度有限，
一般是按钢箱梁节段的长度制造加工。成桥应用是在U肋两端或开孔用连接板螺栓连接，或预留嵌补段对接焊。
闭口式U型纵肋的特点是抗扭能力强，对车轮荷载在横向的分布能力比较强。目前主要使用钢板冷加工U肋，邓文中先生根据国内桥梁建设U肋需求量较大的特点建议国内发展热轧U肋，同时优化改变其上下缘尺寸，加强U肋的刚度和减少焊接工作量，减小偏心焊缝所引起的应力1。 1.2 横隔板
横隔板实际是一种横梁结构，为了避免难度较大的仰焊，公路桥梁钢箱梁大多采用了拼接的分体横隔板结构。为了使U肋传力途径顺畅，在通过横隔板处开孔，让U肋穿过横隔板连续。为避免焊缝相交，在纵肋上缘和桥面板交叉处，在横隔板上设置弧角；为让纵肋下缘穿过横隔板，也有专门的开孔要求。横隔板开孔能比较精确地在数控切割机上实现。研究和实桥应用已经表明，在横隔板上为让纵向U肋通过而开的孔，对横隔板作为横梁的作用没有实质上的削弱2。
1.3 板单元
板单元是钢面板、U肋、横隔板等的组焊结构，先用角焊缝将U肋焊接在面板上，然后将横隔板焊在面板上。还有U肋与横隔板焊缝，将U肋剪力传给横隔板。
在制造面板板件时，桥面板一般取长方形，在宽度范围内包含 3 ～ 4 条纵肋，长度为 12 ～ 20m 。组装时利用工装，将U肋准确地安装定位在定尺的钢面板上。焊接前可先对钢面板施加一预变形，以补偿U肋焊缝造成的面板焊接变形。用多头焊机，将各纵肋和面板之间的角焊缝同时完成。 U肋焊接并校平板单元后，安装组焊横隔板，在横隔板到位后，将横隔板与面板、横隔板与纵肋之间的焊缝都焊好，然后整体校平备用。
2. 正交异性钢桥面板的应用问题
正交异性钢桥面板既承受车轮局部荷载，又与纵、横隔板组成桥面结构，同时又形成钢箱梁的面板，因此构造细节和力学作用比较复杂4（图3）。正交异性板钢桥面结构是超静定结构，存在结构疲劳、设计荷载取值、钢箱梁局部应力和应力集中等问题。在车轮作用位置的正交异性板桥面变形，局部地区受到约束，从而引起很局部的很高的应力；焊接时温度的变化，在受到约束的环境下，局部地区会产生很高的残余应力；焊接变形和应力的大小很难预测；有时甚至会比设计荷载引起的应力更高；焊接材料、焊接工艺等原因造成的
焊缝裂纹在荷载作用下扩展；制造加工焊缝焊趾的不适当，形成应力集中引发点。这几种情况可能单独出现，也可能同时存在，使正交异性板的问题叠加起来，结果引起钢桥面结构上的裂缝1。
图3 正交异性钢桥面板结构和受力示意图
正交异性钢桥面板可能出现疲劳裂纹缺陷，裂纹主要产生在U肋与横隔板的连接区，具体部位有U肋与面板之间的肋角焊缝、纵横肋交叉的弧形缺口处，U形肋钢衬垫板对接焊缝处等。苏通大桥钢箱梁桥面板关键结构细节疲劳试验和釜山Kwang-Ahn大桥的实际尺寸试件疲劳试验也反映出这一区域出现疲劳裂纹3.4。
3.制造加工焊接技术工艺特点及改进
正交异性桥面板结构具有焊缝长，焊缝结构细节比较复杂，难以实现预热、保温、后热及焊后热处理等措施，加之建桥市场的大量组焊工人缺少专业训练，较多缺陷可能起源于制造加工组拼和焊接技术工艺及实施过程控制。
3.1 U肋焊缝
U肋和桥面板是由位于U石蜡乳液肋板外侧的单边焊缝来连接，由于U肋是闭口梯型，两条焊缝只能在U肋外侧单边焊接，对U肋侧板实际是偏心焊缝，容易引起应力集中和疲劳裂纹。在横隔板与横隔板之间，U肋与面板的焊缝常常也是应力集中的地方。如果这里的焊缝处理不适当，就会在焊缝边缘上引起应力集中，容易引发疲劳裂缝。所以，现行规范对此焊缝都有比较严格的要求，大部份现行的规范要求这种焊缝达到80%的U肋板材的厚度，且不允许烧穿。组拼作业还要控制U肋位置及U肋与面板的间隙，间隙要求≤1.0mm。对于6-8mm的U肋板材，这一加工焊接技术要求实际实施过程中完全达到是比较困难的。此外，还有坡口清洁、点焊和矫正温度等实际条件影响。U肋与面板角焊缝焊接后，由于焊接热影响、焊接残余应力、应力集中等原因，面板会出现焊接角变形。焊接变形的产生不仅影响板单元的制造精度，而且若通过火焰矫正使其达到平面度要求，则需增加相当多的工作量。
焊缝完成后，实际焊缝只能做焊缝外观质量检查，无法检查焊缝熔深。设计要求U智慧珠拼盘肋的焊接是二条焊缝同时对称焊接，但为了实施适应U肋坡口船舟焊和胎架反变形工艺，只能采用为单侧自动焊。板单元件U肋焊缝长达10余米，焊缝容易受到横向应力和弯矩。加之为追求较高工效，容易出现技术工艺违章和失控现象。在这样的施工条件下保证激光模组U肋焊缝熔深和避免焊缝缺陷都是比较困难的，国内某企业组焊板单元时就出现过因为1.6mm药芯焊丝性能波动、焊接工艺、天气等原因，造成数千吨U肋板单元发现大量U肋滞后焊缝裂纹全部刨缝返工。
上例刨缝和剖切破坏检查还发现U肋焊缝内部存在部分熔深不足、穿透和焊缝根部缺陷、根部裂纹等问题，需要引起足够的重视。由于没有有效的检测方法，这些问题客观存在只是没有暴露。为了保证U肋焊接质量，除对U肋焊缝除表面检查、焊缝表面MT检测抽检外，应对熔深和内部质量进行UT抽检。国内已有桥梁钢结构项目进行过焊缝熔深UT检测，但这一有效方法因缺少规范依据，难以推行。实际上建设行业已经制定了JBT203-2007钢结构超声波探伤及质量分级法，将焊接钢板厚度检测范围扩大到4mm，规范附录中还专门提出了T型和角接接头未焊透指示深度检测。
3.2 隔板和U肋的焊接
实际应用中，横梁设计一般是采用横隔板接板结构，横隔板接板部分先焊接在U肋板单元上，这样可以避免施工困难和技术难度较大的仰焊。横隔板结构区域会存在一个面板、U肋、横隔板焊缝交汇点，该区域存在较大的结构约束和焊接残余应力等，应力分布比较复杂。结构设计在U肋与面板交汇处留一个弧孔，但因此处焊缝的端点处理困难，反而容易产生疲劳的裂缝。实用结构 U肋底部不与隔板焊接，但U肋腹板与隔板焊缝宜熔透，并把焊缝的端部打磨处理。
当车轮压在U肋的跨度上不同的地方，U肋的变形会使U肋在横梁的地方发生转动，把横梁的腹板来回推动。当动载加在U肋和横隔节点时，此处无横隔板支撑，局部应力就会较高，易引起疲劳。从南京三桥开始接受专家建议在此处U肋内横隔板位置加上小隔板，在动载作用时横隔板支撑在此处能连续起来。小隔板要与U肋尺寸匹配，与面板之间的间隙尺寸理论上要满足磨光顶紧的要求。但现实是由于U肋尺寸本身不规范，只能通过减小隔板尺寸来安装，加之内置焊接不良，难以保证与面板密贴这一基本要求。需要重视U肋规范成型，小隔板精确下料，准确定位，板厚尺寸与横隔板相同，减少与面板的间隙等问题，这样小隔板结构才能真正发挥作用5。
3.3 正交异性桥面板的工地连接
公路钢箱梁正交异性桥面板工地接头即箱梁节段之间的连接，过去均采用全焊或高强度螺栓连接，经过改进，现在较多的是采用栓焊结合的工地连接方法。
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