CN111962393B - 一种横隔板与纵肋交叉细节的双面焊正交异性钢桥面板 - Google Patents
一种横隔板与纵肋交叉细节的双面焊正交异性钢桥面板 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种横隔板与纵肋交叉细节的双面焊正交异性钢桥面板，包括横隔板、U肋和钢顶板，所述横隔板上设置贯通的U肋孔和横隔板通孔；所述U肋设置于所述U肋孔内并焊接于所述钢顶板和所述U肋孔侧壁；所述横隔板通孔设置于所述U肋孔下方，且所述横隔板通孔与所述U肋孔不连通。本发明一种横隔板与纵肋交叉细节的双面焊正交异性钢桥面板，主导疲劳开裂模式均为纵肋底板与横隔板交叉构造细节纵肋端部焊趾开裂，使得钢桥面板结构体系的主导疲劳开裂模式发生迁移，提升纵肋与顶板构造细节焊根位置的疲劳性能。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁工程技术领域，具体涉及一种横隔板与纵肋交叉细节的双面焊正交异性钢桥面板。
背景技术
钢正交异性板，是用纵横向相互垂直的加劲肋（或横隔板）连同钢顶板所组成的共同承受荷载的结构。钢正交异性板的自重约为钢筋混凝土桥面板或预制预应力混凝土桥面板自重的1/4～1/5，而且其运输架设方便、施工周期短。自上世纪三十年代提出，并于1950年应用该技术建成了kurpfalz桥，该桥是世界第一座将钢正交异性板结构作为主梁的组成部分参与共同受力、同时又作为桥面板承受局部交通荷载的钢结构桥梁，其后在钢结构桥梁工程中得到广泛应用。但在近70年的使用中，钢正交异性桥面板也暴露出若干问题：其一是U肋与钢顶板焊接，由于焊缝的存在，U肋、顶钢板以及连接二者的焊缝易疲劳开裂；其二是U肋侧面与横隔板焊接，U肋附近的横隔板及U肋与横隔板的焊缝易疲劳开裂。上述疲劳开裂损伤一旦出现很难修复或更换，成为影响钢正交异性桥面板使用的顽疾。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中的钢正交异性板存在的疲劳开裂损伤一旦出现很难修复或更换，目的在于提供一种横隔板与纵肋交叉细节的双面焊正交异性钢桥面板，解决上述问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种横隔板与纵肋交叉细节的双面焊正交异性钢桥面板，包括横隔板、U肋和钢顶板，所述横隔板上设置贯通的U肋孔和横隔板通孔；所述U肋设置于所述U肋孔内并焊接于所述钢顶板和所述U肋孔侧壁；所述横隔板通孔设置于所述U肋孔下方，且所述横隔板通孔与所述U肋孔不连通。
本发明应用时，虽然现有技术中已经在横隔板存在了贯通的U肋孔和横隔板通孔，但是现有技术中，U肋孔和横隔板通孔其实是一体连通的，在安装了U肋时才分隔开来。这使得进行U肋安装时，U肋的底部实际是没有任何焊接接触，这就造成了传统钢桥面板结构体系的主导疲劳开裂模式为纵肋腹板与横隔板交叉构造细节围焊焊趾开裂。而本发明中所述横隔板通孔与所述U肋孔不连通，具体指的是在没有安装U肋时，横隔板通孔和U肋孔就已经是分开独立的状态了，两者之间在这种状态下就是不连通的。通过将U肋孔的位置与横隔板通孔完全分开，可以使得本发明结构体系的主导疲劳开裂模式均为纵肋底板与横隔板交叉构造细节纵肋端部焊趾开裂，使得钢桥面板结构体系的主导疲劳开裂模式发生迁移，提升纵肋与顶板构造细节焊根位置的疲劳性能。
进一步的，所述横隔板通孔为条形孔；所述条形孔的中部位于所述U肋孔下方；所述条形孔的两端均为弧形，且所述条形孔的两端分别设置于所述U肋孔两侧。
本发明应用时，通过横隔板通孔降低了横隔板与U肋焊接位置处开裂的风险，提高纵肋与横隔板交叉细节处的疲劳性能。
进一步的，所述条形孔的上缘到所述U肋孔底部的距离为20~70mm；所述条形孔的宽度为130~210mm；所述条形孔两端的弧形的半径为10~40mm。
进一步的，所述U肋的顶部焊接于所述钢顶板底部，且所述U肋通过双面焊结构双面焊接于所述钢顶板底部。
本发明应用时，U肋与钢顶板之间采用双面焊进行焊接处理，引入内焊技术可将纵肋与顶板细节改善为双面角焊缝，消除纵肋与顶板细节焊根的“类裂纹”构造，使其主导疲劳失效模式发生迁移，以提升纵肋与顶板构造细节焊根位置的疲劳性能。
进一步的，所述双面焊结构采用部分熔透或全熔透方式。
进一步的，所述U肋通过围焊形式焊接于所述U肋孔侧壁。
本发明应用时，采用围焊技术，提高了焊接质量，改善了横隔板及U肋的变形，提高了横隔板与纵肋交叉细节处的疲劳性能。
进一步的，所述围焊形式为无间断焊接。
进一步的，所述U肋采用轧制、冲压和/或冷弯工带外伸翼缘的U形件。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明一种横隔板与纵肋交叉细节的双面焊正交异性钢桥面板，主导疲劳开裂模式均为纵肋底板与横隔板交叉构造细节纵肋端部焊趾开裂，使得钢桥面板结构体系的主导疲劳开裂模式发生迁移，提升纵肋与顶板构造细节焊根位置的疲劳性能。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为传统正交异性桥面板受力模式示意图；
图2为传统正交异性桥面板在车轮荷载作用下的横向变形示意图；
图3为传统正交异性桥面板具体结构示意图；
图4为传统正交异性桥面板顶板与纵肋焊接细节及疲劳裂缝发展方向示意图；
图5为传统正交异性桥面板纵肋与横隔板交叉细节示意图；
图6为本发明实施例顶板与纵肋焊接细节示意图；
图7为本发明实施例纵肋与横隔板交叉细节示意图
图8为传统正交异性桥面板在车轮荷载作用下的竖向变形及横隔板弯曲；
图9为本发明横隔板与纵肋交叉细节的双面焊钢正交异性板的结构图；
图10为U肋与横隔板细部结构图；
图11为顶板与纵肋双面焊的细部结构图；
图12为传统钢桥面板顶板焊根开裂模式影响面；
图13为传统钢桥面板纵肋腹板焊趾开裂模式影响面；
图14为本发明实施例顶板外侧焊趾开裂模式影响面；
图15为本发明实施例顶板内侧焊趾开裂模式影响面；
图16为本发明实施例纵肋底板焊趾开裂模式影响面；
图17为本发明实施例在车轮荷载作用下的变形示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
100-U肋孔，101-U肋，200-双面焊结构，300-横隔板通孔，400-钢顶板，500-横隔板。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
如图9~11所示，本发明一种横隔板与纵肋交叉细节的双面焊正交异性钢桥面板，包括横隔板500、U肋101和钢顶板400，所述横隔板500上设置贯通的U肋孔100和横隔板通孔300；所述U肋101设置于所述U肋孔100内并焊接于所述钢顶板400和所述U肋孔100侧壁；所述横隔板通孔300设置于所述U肋孔100下方，且所述横隔板通孔300与所述U肋孔100不连通。
在现有技术中，发明人通过创造性劳动发现，正交异性钢桥疲劳开裂损伤一旦出现很难修复或更换，成为影响钢正交异性桥面板使用的顽疾的主要原因是U肋与钢顶板焊接后形成了小钢箱，在车轮荷载作用下发生绕纵轴线的扭转和绕横轴线的竖向弯曲。在扭转中，外部扭矩需U肋与钢顶板两连接节点处的弯矩平衡，导致U肋与钢顶板的连接节点处相对变形较大，外加此处的几何刚度不连续性，在往复荷载作用下，此处产生较大的循环应力，易导致U肋与钢顶板连接焊缝易疲劳开裂，如图1和图2所示，在图2中A-1为焊趾开裂沿面板扩展，A-2为焊趾开裂沿纵肋扩展，B-1为焊根开裂沿面板扩展，B-2为焊根开裂沿焊喉扩展；同时，如图8所示，U肋发生绕横轴线的竖向弯曲时，由于U肋与横隔板焊接，在外部往复荷载作用下，将带动横隔板发生面外的反复弯曲，从而导致U肋与横隔板的焊缝易疲劳开裂。
如图3、图4和图5所示，这三张图分别示出了现有正交异性桥面板具体结构、顶板与纵肋焊接细节及疲劳裂缝发展方向和纵肋与横隔板交叉细节，从中可以清晰的看到，传统钢桥面板结构体系的主导疲劳开裂模式为纵肋腹板与横隔板交叉构造细节围焊焊趾开裂。
为了解决上述问题，在本实施例中，虽然现有技术中已经在横隔板存在了贯通的U肋孔和横隔板通孔，但是现有技术中，U肋孔和横隔板通孔其实是一体连通的，使得进行U肋安装时，U肋的底部实际是没有任何焊接接触，这就造成了传统钢桥面板结构体系的主导疲劳开裂模式为纵肋腹板与横隔板交叉构造细节围焊焊趾开裂，而本发明通过将U肋孔的位置与横隔板通孔完全分开，可以使得本发明结构体系的主导疲劳开裂模式均为纵肋底板与横隔板交叉构造细节纵肋端部焊趾开裂，使得钢桥面板结构体系的主导疲劳开裂模式发生迁移，提升纵肋与顶板构造细节焊根位置的疲劳性能。如图6和图7所示，分别示出了本实施例中顶板与纵肋焊接细节和纵肋与横隔板交叉细节。
为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述横隔板通孔300为条形孔；所述条形孔的中部位于所述U肋孔100下方；所述条形孔的两端均为弧形，且所述条形孔的两端分别设置于所述U肋孔100两侧。
本实施例实施时，通过横隔板通孔降低了横隔板与U肋焊接位置处开裂的风险，提高纵肋与横隔板交叉细节处的疲劳性能。
为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述条形孔的上缘到所述U肋孔100底部的距离为20~70mm；所述条形孔的宽度为130~210mm；所述条形孔两端的弧形的半径为10~40mm。
为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述U肋101的顶部焊接于所述钢顶板400底部，且所述U肋101通过双面焊结构200双面焊接于所述钢顶板400底部。
为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述双面焊结构200采用部分熔透或全熔透方式。
为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述U肋101通过围焊形式焊接于所述U肋孔100侧壁。
本实施例实施时，采用围焊技术，提高了焊接质量，改善了横隔板及U肋的变形，提高了横隔板与纵肋交叉细节处的疲劳性能。
为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述围焊形式为无间断焊接。
为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述U肋101采用轧制、冲压和/或冷弯工带外伸翼缘的U形件。
为了进一步的说明本实施例的工作过程，发明人对本发明的疲劳性能与现有技术进行了对比，如图12~16所示。
在本实施例中，顶板和横隔板的厚度分别为18mm和14mm，横隔板间距为3000mm，纵肋高度为300mm，研究过程中将传统钢桥面板作为对比参照。本实施例采用有限元模型分析的方式，对传统钢桥面板和本实施例的结构进行了分析，在各重要疲劳开裂模式影响面分析的基础上，联合运用雨流计数法、等效结构应力法和线性累积损伤理论对本实施例和传统的钢桥面板结构体系的疲劳抗力进行评估。传统钢桥面板各疲劳开裂模式的等效结构应力影响面分别如图12和图13所示，而本实施例的顶板外侧焊趾开裂模式影响面如图14所示，顶板内侧焊趾开裂模式影响面如图15所示，纵肋底板焊趾开裂模式影响面如图16所示，从图中可以清楚的看到：
从构造层面来说：首先本实施例中将横隔板在一定区域范围内与纵肋底板进行焊接连接，增强了纵肋与横隔板之间的可靠连接，可有效降低其应力幅值，同时使纵肋与横隔板交叉构造细节由承受拉应力为主转变为承受压应力为主；
其次在纵向移动荷载作用下，纵肋与顶板双面焊构造细节的引入，使得纵肋与顶板构造细节的主导疲劳开裂模式由于单面焊构造细节的焊根开裂迁移到双面焊构造细节的顶板焊趾开裂，纵肋与顶板构造细节的疲劳累积损伤度降低约25.7%，实现了其疲劳抗力的显著提升。
而从结构体系层面来说：首先传统钢桥面板结构体系的主导疲劳开裂模式为纵肋腹板与横隔板交叉构造细节围焊焊趾开裂，而本实施例结构体系的主导疲劳开裂模式均为纵肋底板与横隔板交叉构造细节纵肋端部焊趾开裂，新型构造细节的引入，使得钢桥面板结构体系的主导疲劳开裂模式发生迁移；
其次相较于传统钢桥面板，通过引入本实施例使其主导疲劳开裂模式的疲劳累积损伤度显著降低，降幅可达74.0%，表明本实施例方案的疲劳性能均显著优于传统钢桥面板。
为了进一步说明本实施例的工作过程，根据结构体系疲劳抗力评估方法确定各钢桥面板结构体系重要疲劳开裂模式的疲劳抗力，各重要疲劳开裂模式的疲劳累积损伤度按照下式进行计算：
式中，D为疲劳累积损伤度；N i 为第i个常幅应力作用下的疲劳破坏次数；n i 为第i个应力幅作用的次数。
其中每百万辆标准疲劳车作用下的疲劳累积损伤度评估结果汇总如表1所示：
表1钢桥面板重要开裂模式疲劳累积损伤度（×10-2）
其中e为荷载中心的偏移量。
所以，本实施例中，在标准疲劳车的纵向移动加载工况条件下，传统钢桥面板结构体系的主导疲劳开裂模式为纵肋腹板与横隔板交叉构造细节围焊焊趾开裂，而本实施例的主导疲劳开裂模式为纵肋底板与横隔板交叉构造细节围焊端部焊趾开裂，相较于传统钢桥面板，本实施例主导疲劳开裂模式的疲劳累积损伤度大幅降低，表明本实施例的疲劳性能显著优于传统钢桥面板。
为了进一步说明本实施例的工作过程，如图17所示，U肋发生绕横轴线的竖向弯曲时，由于采用了本实施例的结构形式，在外部往复荷载作用下，结构的开裂形式发生了改变，使得U肋与横隔板的焊缝不易疲劳开裂。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种横隔板与纵肋交叉细节的双面焊正交异性钢桥面板，包括横隔板（500）、U肋（101）和钢顶板（400），其特征在于，所述横隔板（500）上设置贯通的U肋孔（100）和横隔板通孔（300）；所述U肋（101）设置于所述U肋孔（100）内并焊接于所述钢顶板（400）和所述U肋孔（100）侧壁；所述横隔板通孔（300）设置于所述U肋孔（100）下方，且所述横隔板通孔（300）与所述U肋孔（100）不连通；所述横隔板通孔（300）为条形孔；所述条形孔的中部位于所述U肋孔（100）下方；所述条形孔的两端均为弧形，且所述条形孔的两端分别设置于所述U肋孔（100）两侧；所述条形孔的上缘到所述U肋孔（100）底部的距离为20~70mm；所述条形孔的宽度为130~210mm；所述条形孔两端的弧形的半径为10~40mm；所述U肋（101）的顶部焊接于所述钢顶板（400）底部，且所述U肋（101）通过双面焊结构（200）双面焊接于所述钢顶板（400）底部。
2.根据权利要求1所述的一种横隔板与纵肋交叉细节的双面焊正交异性钢桥面板，其特征在于，所述双面焊结构（200）采用部分熔透或全熔透方式。
3.根据权利要求1所述的一种横隔板与纵肋交叉细节的双面焊正交异性钢桥面板，其特征在于，所述U肋（101）通过围焊形式焊接于所述U肋孔（100）侧壁。
4.根据权利要求3所述的一种横隔板与纵肋交叉细节的双面焊正交异性钢桥面板，其特征在于，所述围焊形式为无间断焊接。
5.根据权利要求1所述的一种横隔板与纵肋交叉细节的双面焊正交异性钢桥面板，其特征在于，所述U肋（101）采用轧制、冲压和/或冷弯工带外伸翼缘的U形件。
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- 2020-08-26 CN CN202010870875.2A patent/CN111962393B/zh active Active
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| CN111962393A (zh) | 2020-11-20 |
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