2019年度进展7：钢桥的若干新进展(2/2)

5 钢桥面的进展

5.1 钢与UHPC组合桥面

    早期巴西里约热内卢联邦大学针对里约尼特-罗伊桥大桥(Rio-Niteroi Bridge，300m主跨连续钢箱梁桥，1974年建成)的钢桥面加固研究中论证过两种方案：一种是“三明治”结构，即在钢顶板和100 mm钢筋混凝土层之间加强附着力的粘弹性层；另一种是“钢-混凝土组合桥面”，即在钢顶板上焊剪力钉，铺设120 mm钢筋混凝土层。其他国家多家研究机构陆续开展多项类似研究并投入应用。

    湖南大学邵旭东教授团队在钢与超高性能混凝土(UHPC)组合桥面研究应用取得多项重要进展。因为增设了UHPC层，钢桥面的应力可以减低50%以上，直接改善桥面受力。自2011年首次在广东肇庆马房北江桥桥面加固改造工程的应用以来，已在60余座桥梁中进一步推广使用。2018年建成的杭瑞高速公路洞庭湖大桥，为主跨1480m悬索桥(如图14)，钢桁梁宽35.4m、高9.0m，6车道；桥面结构采用12mm钢顶板上焊接短剪力钉，铺设钢筋网，浇筑50mm的超高韧性混凝土(STC，经改性和强化的UHPC)和30mm的磨耗层；研究表明，可望成为终身无需大修的超长寿命桥面结构，建设维护成本大幅度降低。  

图14  杭瑞高速公路洞庭湖大桥及其钢与STC组合桥面

5.2 钢桥面U肋双面焊工艺

    钢桥面顶板与U肋连接焊缝采用内部焊接和外部焊接相结合(简称双面焊)工艺，最早由日本阪神高速道路公司的杉山裕樹(Hiroki SUGIYAMA)于2011年提出，同年在日本开始进行相应制造工艺研发，如图15，即在完成外侧75%熔透焊缝后，在U肋内侧采用二氧化碳气体保护焊形成贴边角焊缝[57]。在2011年至2014年间，日本研究机构所开展的有限元分析[58][59]表明：采用内焊工艺后，焊根处应力水平降低80%左右；内侧焊缝的焊趾处应力水平为原焊根处应力水平的50%左右。此外，相关疲劳试验研究[60]表明：U肋内焊可以改变顶板与U肋焊缝的疲劳开裂模式，由焊根开裂转变为内侧焊趾开裂。该系列疲劳试验中，采用U肋内侧应变降幅作为疲劳失效准则：当采用10%应变降幅时，内焊工艺可提高焊缝50%的疲劳寿命；当采用40%应变降幅时，采用两种加工的焊缝疲劳寿命较为接近。可以看出，内焊工艺可以有效降低裂纹前期扩展速率。 

图15 钢桥面U肋内焊机器人和双面焊的焊缝形态

    2016年，我国武船重工与武汉锂鑫自动化公司等研发U肋内焊技术，完成包含U肋内焊(CO2气保焊)在内的全自动生产线，在顶板与U肋焊缝自动化制造中加入双面焊接技术[61,62](如图16)。此后，武船重工进行工艺改进：首先采用细丝埋弧工艺实现U肋内焊，然后在U肋外侧采用埋弧焊工艺(船形位或平位)施焊。利用双面埋弧焊熔深大的优势，该工艺基本实现U肋腹板免开坡口的全熔透焊接，与U肋双面气保焊工艺相比，生产工效得到了提高。目前该技术已应用到湖北嘉鱼长江公路大桥、湖北武汉青山长江大桥等多座桥梁，张清华和卜一之教授团队等就此技术开展了多项相关研究并取得突出成果。

图16 U肋双面焊生产线和熔透率对比

5.3 厚边U肋钢桥面

    厚边U肋钢桥面的设计与研究理念是：在不改变U肋总体形态的前提下进行端部局部镦厚，以增大可焊接熔深，从而提高钢桥面顶板与纵肋连接焊缝的疲劳强度(如图17)。郑凯锋团队于2013年对厚边U肋钢桥面进行了较为详细的试验研究[51]-[56]，研究表明：厚边 U 肋的使用有效地提升该焊缝的疲劳强度，其应用能够延长钢桥面的使用寿命。张清华和卜一之教授团队也开展相关研究。相关研究成果现已纳入行业标准《桥梁钢结构用 U 形肋冷弯型钢》，并应用到北京三元新桥、成都凤凰山高架桥和2019年通车的湖北武汉杨泗港长江大桥(主跨1700 m双层桥面悬索桥，共使用近7000t)等工程中。

图17 厚边U肋钢桥面

5.4 焊后退火处理的钢桥面

    钢桥面是钢桥主要的桥面形式，但由于其纵肋与横肋数量较多，且焊接细节复杂、焊缝数量庞大，在焊接过程中不可避免会产生大量的焊接残余应力。现有的理论和试验研究表明：焊接残余拉应力是影响钢桥面连接焊缝疲劳性能的重要因素之一[63]。如何消除钢桥面焊接残余应力，已成为保证其正常服役亟待解决的难题。

    借鉴压力容器等行业的做法，焊后在退火炉中(如图18)作退火处理工艺是消除焊接残余应力的有效方法，用以细化钢材经焊接后出现的粗大过热组织与消除焊接残余应力。一般焊后退火工艺分为三个过程：即加热、保温、冷却，其中主要的处理工艺参数含有加热速度、保温时长与冷却速度等。当焊件升温至一定温度后，能够产生由蠕变引起的应力松弛，并产生晶粒细化从而消除由于晶格畸变产生的应力。2019年起，郑凯锋团队开始尝试研究焊后退火钢桥面的疲劳性能问题；通过足尺模型对比疲劳试验(如图19)的初步研究表明，焊后退火工艺能够提高钢桥面多种焊缝与构造细节的疲劳性能。

图18 台车式退火炉

图19 焊后退火处理钢桥面足尺模型对比疲劳试验

6 桥梁用高强铆钉

    高强环槽铆钉也称高强铆钉、拉铆钉、锁紧螺栓、胡克铆钉等，从上世纪30年代发明以来不断改进与完善，在欧美多国已广泛应用到铁路机车、车辆、钢轨接长或钢轨与道岔连接、空客飞机、宝马汽车和其它机械设备等。美国在上世纪70年代开始将其用于铁路车辆的心盘连接，后来逐步用于车辆端墙与侧墙等附属件的连接；约10年前，新研制的高强碳纤维货车更是大规模使用。我国从2003年开始引进和研发环槽铆钉，2005年铁道部运输局发布《铁路货车专用拉铆钉及套环技术条件(运装货车[2005]397号)》，2018年底颁布国家标准《环槽铆钉连接副技术条件(GB/T 36993 - 2018)》；我国的C70(70t级)铁路货车大量采用，C80B和铝C80(80t级)铁路货车几乎全部采用这种连接。美国、捷克、法国和德国等少数国家已经将环槽铆钉用于老式铆接钢桥的改造加固和新桥建设中。

    与高强螺栓相比，高强铆钉有如下突出优点：(1) 钉杆上的环槽与套环上的环槽双侧、垂直密贴接触，套环对钉杆的锚固牢靠，特别是在交变荷载作用下，防松动性能非常高；高强栓杆上螺纹与螺母上的螺纹为单侧、斜向密贴接触，另一侧有间隙，单侧、斜向接触相对容易导致螺母松动、脱落。(2) 钉杆的预紧力稳定、可控；高强螺栓偶尔容易欠拧少力、过拧断裂。(3) 钉杆仅受轴向应力，其失效模式为纯拉简单应力状态断裂，断裂强度高；高强螺栓杆除受轴向应力外，还受较大的扭转剪应力，其失效模式为同时受拉与受剪的复杂应力状态断裂，断裂强度相对较低，易诱发延迟断裂。或者说，与相同直径的栓杆相比，钉杆可以作用更大的预紧力。(4) 钉杆的铆接环槽比较圆缓；高强栓杆的螺纹比较尖刻，更容易成为断裂的的启裂部位。(5) 一次性快速铆接操作，用时少，每钉铆接仅需10秒左右；高强栓需要初拧和终拧两个步骤。(6) 套环锚固只需目测检查，高强螺栓通常需要专项检查。(7) 使用寿命长、免维护；(8) 需拆卸时操作简单。

    鉴于目前桥梁中有用少数高强螺栓存在延迟断裂等严重问题，高强铆钉有望部分替代高强螺栓应用在钢桥中。需要重点解决如下问题：快速铆接操作通常只能是一次性，不易实现高强螺栓通过初拧使多层钢板(特别是外侧钢板较厚时)均匀压紧、密贴的目标；即后期铆接铆钉可能降低先期铆接铆钉预紧力，即钉群效应问题相对突出。因此，需要研究确定：不同直径、不同长度等铆钉铆接不同厚度钢板(特别是外侧钢板或节点板)，先期铆接铆钉的预紧力变化情况。 

    2019年，郑凯锋团队开始对高强铆钉接头承载力和钉群效应问题进行初步对比试验(与相同直径的高强度螺栓接头对比)和理论研究(如图20)，研究表明，高强铆钉可以部分替代高强螺栓。2019年底，四川省成都天府国际机场高速公路钢混组合梁桥第一次采用部分高强铆钉连接，如图21。

 图20 高强铆接钉群效应试验和承载力试验

   图21 成都天府国际机场高速公路钢混组合梁桥首次采用高强铆钉连接

7 跨海钢桥多灾害动力分析研究

    随着桥梁建设环境越来越复杂，基于多灾害作用下钢桥结构的动力分析更显必要。桥梁结构在服役期间不仅受到长期荷载的作用，还可能面临着极端荷载的威胁。深水、风、浪、车辆、腐蚀和冲刷等日常环境荷载作用会引起钢结构桥梁的劣化，导致截面削弱、强度降低、稳定性和疲劳性能变差，从而影响钢桥的使用性和耐久性。在服役期间，桥梁结构还可能遭受地震、台风、火灾、爆炸和船撞等极端荷载作用，这些极端荷载作用会直接影响钢桥的安全性。考虑多灾害的荷载组合已有风-浪-车辆-地震[84]-[87]，地震-冲刷[88]-[90]和冲刷-船撞[91]等组合方式，具体的组合方式应根据不同地区的环境特点进行灾害作用组合。基于全寿命周期的设计理念，钢桥的抗灾设计需要考虑寿命期内结构的性能劣化和多灾害的综合作用[92][93]。目前，考虑多灾害作用的桥梁设计理论还没有被系统建立，设防标准、灾害组合和结构优化等方面需要进一步研究并完善，从而为钢结构桥梁的设计和维护提供参考依据。

8 第二代欧洲规范钢桥相关部分的进展

    欧洲标准化委员会结构和岩土工程分会CEN/TC 250下设的SC 3 - EN 1993子委员会负责第二代欧洲钢结构设计规范编写，由斯图加特大学Ulrike Kuhlmann教授领导[81]。该项工作预计在2021年全部完成，但由于CEN要求的形式程序，正式发表时间可能会推迟到2024年[82]。

    第二代欧洲钢结构设计规范在通用规范EN 1993-1-1中吸纳了高强钢补充规范EN 1993-1-12内容，在原条文中屈服强度460 MPa以下钢材的基础上补充了460 MPa到700 MPa的高强钢。由于高强钢在延展性方面与普通结构钢存在差异，在相关的通用规范EN 1993-1-1、节点设计规范-1-8、疲劳设计规范-1-9和材料韧性规范-1-10中均进行了相应的检查和修订。与此同时，原有高强钢补充规范EN 1993-1-12将可能更新，仅包含700 MPa到900 MPa的钢材。

    此外，第二代欧洲钢结构设计规范中将增加一项全新的规范“有限元分析辅助设计 EN 1993-1-14”，用以服务熟悉有限元方法的工程师。该项规范将给出使用有限元和其他数值分析方法进行承载力极限状态、使用极限状态和疲劳设计时需遵循的相关条文。总体，将包含以下方面条文：结构构件建模和边界条件、初始缺陷计入、材料性能模拟、荷载模拟、分析类型、有限元模型验证、极限状态准则模拟、极限状态、建模级别、分析种类协同、分项系数选取和软件选用。

注：参与本文写作的还有衡俊霖、张宇、冯霄暘、雷鸣、王亚伟和熊籽跞。

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研究方向团队成员介绍

郑凯锋教授，博士，博导

    主要研究方向有复杂结构钢桥、大跨桥梁、桥梁精细计算与仿真分析计算等；入选“全国百千万人才工程”、国务院特殊津贴专家；发表论文120余篇，入选“F5000中国精品科技期刊顶尖学术论文”，获省部科技进步一等奖、中国铁道学会优秀论文一等奖、中国公路桥梁学会优秀论文奖等，参编《公路悬索桥设计规范》等，担任50多座大型、复杂桥梁工程的技术顾问和咨询专家，英国南安普敦大学客座教授，考察60多个国家著名桥梁和复杂结构桥梁。

唐继舜教授，博士，硕导

    主要从事钢桥、钢结构设计原理、钢与混凝土组合结构桥梁和既有桥梁的评估方法与加固理论等教学科研工作，主编有铁路特色专业教材《铁路桥梁》，参编《铁路工务》、《桥梁工程概论》、《大跨度桥梁与城市桥梁》、《大跨度悬索桥的设计与施工》、铁道百科全书《工务与工程》卷、《东桥》、《汶川大地震工程震害分析》等。

李俊副教授，博士，硕导

    主要从事钢桥教学科研工作，曾在美国University of Arizona作访问学者，发表论文40余篇，完成重庆菜园坝长江大桥、重庆朝天门长江大桥、湛江海湾大桥、渝利线韩家沱长江大桥、宜万线万州长江大桥、内六线宜宾岷江大桥、襄渝线嘉陵江大桥、成渝线龙马河大桥等钢桥疲劳、稳定、振动、检测、加固等科研项目。

叶华文副教授，博士，硕导

    西南交通大学和德国布伦瑞克工业大学联合培养博士。注册结构师、注册桥梁检测师、四川省科技厅项目评审专家、成都铁路局顾问专家。主要研究方向：大跨钢桥疲劳及桥梁加固、高性能纤维材料工程应用等方面。主持国家自然科学基金青年基金等项目，主研多项国家重点研发计划、四川省重大研发项目、“863计划”项目、铁道部重大课题等20余项纵向项目，主持及参与港珠澳大桥、重庆菜园坝长江大桥、朝天门长江大桥、两江大桥、东沙大桥、湛江海湾大桥、海口如意岛跨海大桥等30余项横向项目；发表文章50余篇。Journal of Bridge Engineering (ASCE)、Engineering Structures、Composite Structures、中国公路学报、西南交通大学学报、长安大学学报、中外公路、长沙理工大学学报等期刊的审稿人。

栗怀广讲师，博士，硕导

    主要从事钢桥、新型桥梁结构设计理论、可持续性桥梁工程综合技术等的教学科研工作，曾在美国University of Connecticut作访问学者。主持国家自然科学基金青年基金等项目，主研多项国家重点研发计划、四川省重大研发项目、铁道部重大课题等纵向项目与横向项目。