CN111545940A - 一种抗疲劳正交异性板结构及生产工艺 - Google Patents

Abstract

一种抗疲劳正交异性板结构及制造工艺，改变和优化了传统正交异性板设计和制造工艺：1、在施焊面板与纵向加劲肋的同时焊接一定高度的横隔板形成正交异性板，提高板件整体刚度；2、纵向加劲肋采用端部增厚的变截面结构，增加与桥面板的焊接强度；3、在纵向加劲肋内与横隔板对应位置增设肋内横隔板，增加纵向加劲肋的抗扭转性能、消除纵向加劲肋与横隔板弧形切口的焊缝开裂；4、将焊好后的板件结构进行整体退火热处理，消除由于钢面板、纵向加劲肋、横隔板（梁）之间大量的焊接而产生的焊接残余应力；通过上述综合措施大大提高正交异性板结构的整体抗疲劳性能、破解正交异性焊缝疲劳开裂的世纪难题，延长钢面板及桥梁的使用寿命。

Description

一种抗疲劳正交异性板结构及生产工艺

技术领域

本发明涉及钢结构桥梁、船舶制造技术领域，特别涉及一种抗疲劳正交异性板结构及生产工艺。

背景技术

正交异性板具有重量轻、变形协调性能优越、粘性好、方便维修和行车舒适等特点，因此在国内外大跨钢桥和大型船舶领域中有具有广泛的应用。

传统的正交异性板件的加工是在钢面板加工时仅焊接纵向加劲肋，而横隔板需进行钢箱梁组装时再整体焊接，由于正交异性板的特殊结构形式需进行大量的焊接，因而在焊缝和热影响区产生严重的焊接残余应力，形成材料金相组织和力学的薄弱部位，而这些薄弱部位可能导致构件运行时的变形、早期开裂、应力腐蚀、疲劳断裂和脆性断裂等病害，直接影响结构的运行安全和服役寿命。附图6为正交异性板的疲劳失效模式，图中裂缝Ⅰ-Ⅶ为常见开裂处。附图7为正交异性板疲劳失效状态图，从图中可知当正交异性板失效后会发生严重扭曲变形，桥面板和纵向加劲助均发生扭曲。

目前，只有通过加强焊接质量，增加钢板厚度等措施对正交异性板的质量进行加强。

综上，减少和消除正交异性板结构的焊接残余应力对正交异性板结构强度造成的影响就成了钢结构领域设计、加工、科研人员的一道世界难题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种能够减少在组装焊接过程中产生严重残余应力的抗疲劳正交异性板。

本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种抗疲劳正交异性板结构，包括正交异性板，正交异性板包括钢面板、多道纵向加劲肋以及多道横隔板，钢面板底面等间距焊接有多组纵向加劲肋，横隔板分为顶部横隔板与底部横隔板，顶部横隔板与钢面板底面垂直焊接，纵向加劲肋与横隔板呈正交垂直；钢面板、多道纵向加劲肋以及顶部横隔板焊接成的正交异性板经由后续的整体退火热处理工艺最终得到抗疲劳正交异性板。

通过采用上述技术方案，对传统的异性板进行改进使得钢面板、纵向加劲肋和顶部横隔板相互焊接形成整体的正交异性板，再经整体退火热处理措施后，既能消除由于钢面板、纵向加劲肋、横向隔板之间大量的焊接而产生的焊接残余应力，又能减少成品焊接时的焊接变形，从而大幅提高正交异性板结构的抗疲劳性能。同时，由于将横隔板分为上下两部分，只焊接顶部横隔板的正交异性板的高度不会太高，方便进入退火炉中进行退火热处理。

本发明进一步设置为：纵向加劲肋为端部增厚的变截面纵向加劲肋。

通过采用上述技术方案，使用变截面纵向加劲肋可以增加焊接面的面积，满足纵向加劲肋与钢面板的焊缝尺寸，增加纵向加劲肋与钢面板的焊接强度，还有利于提高加劲肋的抗扭转强度。

本发明进一步设置为：纵向加劲肋内部固接有多道与顶部横隔板对齐的肋内横隔板。

通过采用上述技术方案，通过肋内横隔板的设置增加了纵向加劲肋的抗扭转性能，同时消除纵向加劲肋与横隔板弧形切口的焊缝开裂。

本发明进一步设置为：所述顶部横隔板的高度为50-80cm。

通过采用上述技术方案，横向隔板高度低于50cm则会刚度不足，高于80cm则会浪费材料并且增加热处理的工作量。

本发明进一步设置为：顶部横隔板的底部固接有水平连接板。

通过采用上述技术方案，通过水平连接板的设置可以便于顶部横隔板与底部横隔板的焊接固定。

本发明的第二个目的是提供一种生产抗疲劳正交异性板的生产工艺，本发明的上述目的是通过以下工艺生产步骤得以实现的：

S1：将多道变截面纵向加劲肋等间距与钢面板底面焊接固定；

S2：将多道顶部横隔板与钢面板底面正交垂直焊接；

S3：将S1-S2步骤中形成的正交异性板置于加热炉内进行整体退火热处理最终形成抗疲劳正交异性板；

通过采用上述工艺方法对正交异性板进行处理后得到了抗疲劳正交异性板，该抗疲劳正交异性板减少了大量的焊接残存应力。

本发明进一步设置为：在步骤S1之前在变截面纵向加劲肋中固接多道肋内横隔板，肋内横隔板数量与顶部横隔板位置相对应。

通过采用上述技术方案，可以增加纵向加劲肋的抗扭转强度，同时消除纵向加劲肋与横隔板弧形切口的焊缝开裂。

本发明进一步设置为：抗疲劳正交异性板工艺中使用的热处理加热设备采用电气、燃气或油气进行整体加热、并配有包括温度、时间热处理要素的自动控制系统；热处理工艺需根据包括板件批次材料的屈服强度、化学成分、板厚以及批次数量的要素进行工艺设计和试验。

通过采用上述技术方案，降低抗疲劳正交异性板的生产难度，增加抗疲劳正交异性板的整体性能。

综上，本发明具有以下有益效果：

1、在施焊面板与纵向加劲肋的同时焊接一定高度的横隔板形成正交异性板，提高板件整体刚度；

2、纵向加劲肋采用端部增厚的变截面结构，增加与桥面板的焊接强度；

3、在纵向加劲肋内与横隔板对应位置增设肋内横隔板，增加纵向加劲肋的抗扭转性能、消除纵向加劲肋与横隔板弧形切口的焊缝开裂；

4、将焊好后的正交异性板件结构进行整体退火热处理，消除由于钢面板、纵向加劲肋、横隔板（梁）之间大量的焊接而产生的焊接残余应力；

通过上述综合措施大大提高正交异性板结构的整体抗疲劳性能、破解正交异性焊缝疲劳开裂的世纪难题，延长钢面板及桥梁的使用寿命。可以广泛用于钢箱梁结构以及船舶领域。

附图说明

图1是抗疲劳正交异性板结构示意图；

图2是纵向加劲肋内的肋内横隔板的结构示意图；

图3是端部增厚的变截面纵向加劲肋示意图；

图4是抗疲劳正交异性板结构应用于钢箱梁结构中的组合示意图；

图5是抗疲劳正交异性板生产工艺流程图；

图6是现有技术中正交异性板的疲劳失效模式；

图7是现有技术中正交异性板的疲劳失效变形状态图。

1、抗疲劳正交异性板；2、钢面板；3、纵向加劲肋；31、肋内横隔板；32、土耳其头；4、横隔板；41、顶部横隔板；411、水平连接板；42、底部横隔板；5、腹板；6、底板；Ⅰ-Ⅶ、现有正交异性板常见开裂处。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

结合图1和图2，为本发明公开的一种大幅减少残余焊接应力的抗疲劳正交异性板结构。抗疲劳正交异性板结构包括正交异性板，正交异性板包括钢面板2、多道纵向加劲肋3以及多道横隔板4，钢面板2底面等间距焊接有多组纵向加劲肋3。横隔板4分为顶部横隔板41与底部横隔板42（参考图4），顶部横隔板41与钢面板2底面垂直焊接，并与纵向加劲肋3的外侧壁焊接，纵向加劲肋3与横隔板4呈正交垂直。与传统的异性板相比较本发明对异性板的组成结构进行了改进，将以往焊接于底板上的横隔板4进行了分割，其中横隔板4的上半部分即顶部横隔板41与钢面板2底面垂直焊接，顶部横隔板41与纵向加劲肋3正交垂直，至此钢面板2、纵向加劲肋3和顶部横隔板41形成正交异性板。将正交异性板利用后续的整体退火热处理工艺进行加工，最终得到了本发明所需要的抗疲劳正交异性板1。具体的，抗疲劳正交异性板1的尺寸根据图纸进行长6-24m、宽2-10m左右进行板件分块加工。

结合图2与图3，纵向加劲肋3为端部增厚的变截面纵向加劲肋3。现有技术中使用等厚的纵向加劲肋3与钢面板2进行焊接虽然也可以达到一定的抗扭转强度但是由于焊缝尺寸较短因此容易在使用中出现开裂，并且其焊接强度也不够。本方案中纵向加劲肋3采用端部增厚的变截面纵向加劲肋3，能够增加纵向加劲肋3与钢面板2的焊缝尺寸减少使用中的开裂现象，纵向加劲肋3部分增厚后还有利于提高加劲肋的抗扭转强度。变截面纵向加劲肋3可以是行业标准YB/T4624-2017中的厚边U形肋，也可以是如图3所示的热轧变截面纵向加劲肋3，该纵向加劲肋3以行业标准YB/T4624-2017中的任一型号的等厚U形肋为基本外形尺寸，将其底板厚度增加1-4mm，腹板上端部厚度增加1-4mm，腹板平直部位的厚度减小0.1-2mm；底板与腹板变截面处以及腹板平直部位与腹板顶部的变截面处均圆滑过渡。

该热轧纵向加劲肋3的尺寸优选实施方案可以是：深度H（即肢高或腿高）为280mm，开口宽度B1为300mm，底板宽度B2为170mm，底板厚度t1为10mm，腹板上端部土耳其头32厚度t3为10mm，高度是24mm；腹板平直段部的厚度t2为7mm。底板与腹板过渡段的内圆角半径R1为38mm、外圆角半径R2为46mm。土耳其头32与腹板平直段部厚度采用双R角过渡，过渡高度为30-50mm。该型号纵向加劲肋3不仅内应力小，焊厚尺寸大，应力分布更均匀，各项材料性能和技术指标均优于现有冷轧梯型肋，而且用钢量同比减少1-2%，大大提高正交异性板的经济性和耐久性。

如图2，为了进一步增加抗疲劳正交异性板1设计中的纵向加劲肋3的抗扭转性能，并降低纵向与横向焊接的弧形切口的焊缝开裂效果，在纵向加劲肋3内且与外侧横隔板4相对应的位置增设肋内横隔板31。肋内横隔板31与纵向加劲肋3焊接固定。肋内横隔板31的形状可以是与纵向加劲助3内槽形相匹配的形状，将肋内横隔板31与槽内壁贴合处全部焊接；肋内横隔板31的形状可以是倒梯形板，高度与小于等于腹板平直部位的高度。现有技术中为了节省施工成本在设计中只是使用常规的手段即钢面板2与加劲肋焊接，再将横隔板4与前述结构正交垂直焊接，但是在大量的使用中发现纵向加劲肋3与横隔板4焊接的弧形切口的焊缝开裂情况较为突出（如图6），且正交异性板失效后，纵向加劲肋3的截面发生扭曲变形（如图7）。因此经过研究改进后在纵向加劲肋3内部相对于外侧横隔板4的位置额外增加肋内横隔板31，该方案使得纵向加劲肋3与横隔板4的抗扭转强度得到了极大提升也相应的降低纵向加劲肋3与横隔板4焊接的弧形切口的焊缝开裂的几率。

结合图2与图4，为了顶部横隔板41与底部横隔板42进行焊接固定，在顶部横隔板41的底端焊接水平连接板411。水平连接板411的宽度可以是10-20cm，长度与横隔板4等长。水平连接板411不仅方便了顶部横隔板41与底部横隔板42的合拢连接，而且增加了抗疲劳正交异性板1整体强度，而且提高了抗疲劳正交异性板1退火热处理过程中的摆放的稳定性。

具体的，顶部横隔板41的高度为50-80cm，如果顶部横隔板41高度低于50cm会造成刚度不足，而高于80cm会浪费材料并且增加热处理的工作量。根据钢面板2的荷载应力自上而下逐渐递减的应力幅曲线特点，顶部横隔板41的厚度可增加2-4mm。而相对应力较小、体（面）积更大的底部横隔板42可相应减小板厚，这样设计既保证了正交异性板的整体刚度同时又能减少材料用量进而降低工程的整体造价。

如图5，一种抗疲劳正交异性板的生产工艺为：

预处理：在变截面纵向加劲肋3中固接多道肋内横隔板31，肋内横隔板31数量与顶部横隔板41位置相对应；

S1：将多道变截面纵向加劲肋3等间距与钢面板2底面焊接固定；

S2：将多道顶部横隔板41与钢面板2底面正交垂直焊接；在顶部横隔板41的底面焊接水平连接板411；

S3：将S1-S2步骤中形成的正交异性板置于加热炉内进行整体退火热处理形成抗疲劳正交异性板1；

本发明中的抗疲劳正交异性板1工艺中热处理专用加热设备可采用电气、燃气、油气等进行整体加热、并配有温度、时间等热处理要素的自动控制系统，热处理工艺需根据板件批次材料的屈服强度、化学成分等综合性能、以及板厚、批次数量等要素进行工艺设计和试验。

本工艺中先将纵向加劲肋3设置在钢面板2上，再根据设计的需要将一定高度的横隔板即顶部横隔板41焊接于钢面板2底面，至此钢面板2、纵向加劲肋3和顶部横隔板41三者形成了正交异性板板件，形成的正交异性板板件放入专用的加热设备中进行整体退火热处理。专用加热设备为能够容装正交异性板板件体积的大型加热炉。整体退火热处理后的抗疲劳正交异性板1再用于钢箱梁结构中进行组装。如图4所示，钢箱梁结构包括两个腹板5和底板6，底部横隔板42与底板6正交垂直焊接，底板6两端分别与腹板5一侧焊接固定，腹板5的另一侧与抗疲劳正交异性板1焊接固定，由于整体退火热处理后的抗疲劳正交异性板1既能消除由于钢面板2、纵向加劲肋3、顶部横隔板41之间大量的焊接而产生的焊接残余应力，减少成品焊接时的焊接变形，又能提高抗疲劳正交异性板1结构的抗疲劳性能，因此使用于钢箱梁结构中时也就进一步的可以整体提高钢箱梁结构的综合性能。

最后，本发明所生产的抗疲劳正交异性板1因为其出色的性能可以被广泛的应用于钢箱梁结构中和船舶领域内，当然上述领域并不是本发明的绝对应用领域，其仅仅是对现有应用领域的说明。

本具体实施方式中的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种抗疲劳正交异性板结构，其特征是：包括正交异性板，所述正交异性板包括钢面板(2)、多道纵向加劲肋(3)以及多道横隔板(4)，所述钢面板(2)底部等间距焊接有多组纵向加劲肋(3)，所述横隔板(4)分为顶部横隔板(41)与底部横隔板(42)，所述顶部横隔板(41)与所述钢面板(2)底面垂直焊接，所述纵向加劲肋(3)与所述横隔板(4)呈正交垂直；

所述钢面板（2）、多道纵向加劲肋（3）以及顶部横隔板（41）焊接成的正交异性板经由后续的整体退火热处理工艺最终得到抗疲劳正交异性板（1）。

2.根据权利要求1所述的一种抗疲劳正交异性板结构，其特征是：所述纵向加劲肋(3)为端部增厚的变截面纵向加劲肋(3)。

3.根据权利要求1所述的一种抗疲劳正交异性板结构，其特征是：所述纵向加劲肋(3)内部固接有多道与所述顶部横隔板(41)对齐的肋内横隔板(31)。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种抗疲劳正交异性板结构，其特征是：所述顶部横隔板(41)的高度为50-80cm。

5.根据权利要求1-3任一所述的一种抗疲劳正交异性板结构，其特征是：所述顶部横隔板(41)的底部固接有水平连接板(411)。

6.一种抗疲劳正交异性板的生产工艺，其特征是：

S1：将多道纵向加劲肋(3)等间距与钢面板(2)底面焊接固定；

S2：将多道顶部横隔板(41)与钢面板(2)底面正交垂直焊接；

S3：将S1-S2步骤中组装后的正交异性板置于加热炉内进行整体退火热处理形成抗疲劳正交异性板(1)。

7.根据权利要求6所述的一种抗疲劳正交异性板的生产工艺，其特征是：在步骤S1之前在纵向加劲肋(3)中固接多道肋内横隔板(31)，所述肋内横隔板(31)与所述顶部横隔板(41)位置相对应。

8.根据权利要求6所述的一种抗疲劳正交异性板的生产工艺，其特征是：还包括步骤S2-1：在顶部横隔板（41）的底面焊接水平连接板（411）。

9.根据权利要求6所述的一种抗疲劳正交异性板的生产工艺，其特征在于：抗疲劳正交异性板(1)工艺中使用的热处理加热设备采用电气、燃气或油气进行整体加热、并配有包括温度、时间热处理要素的自动控制系统；热处理工艺需根据包括板件批次材料的屈服强度、化学成分、板厚以及批次数量的要素进行工艺设计和试验。

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