正交异性钢桥面中热轧变厚U肋技术特点及制造工艺研究_吴家君.pdf

2023.3,3（2）|专题:钢桥设计制造新技术正交异性钢桥面中热轧变厚 U肋技术特点及制造工艺研究吴家君，洪泽，郭鸿亮（辽宁紫竹集团，辽宁 鞍山 114000）摘要：采用 U 肋纵向加劲的正交异性钢桥面系，在公路钢桥中得到了广泛应用，然而其多发疲劳裂缝问题，迫使工程界提出了诸多改进方法，采用热轧变厚度 U 肋替代常用的冷弯等厚度 U 肋便是其中的一项创新措施。论述了热轧变厚度 U 肋的技术特点，包括几何参数、热轧 U 肋力学性能、可焊性、疲劳性能及经济性等。在制造工艺方面，针对这种 U 肋厚度薄、精度要求高的特点，在普通热轧型材的成熟轧制工艺基础上，运用专业软件 DEFORM 仿真模拟超薄 U 肋成形、热处理至机加工全过程，再使用微型轧机试轧缩尺 U 肋，经试轧调整完成轧辊孔型设计。目前热轧变截面 U 肋已在十余座大型桥梁工程项目中得到应用，显示了一定的经济技术优势。关键词：钢桥；正交异性板；热轧 U肋；制造工艺；钢桥疲劳Technique features and manufacturing process of hot-rolled varied thickness U-ribs for orthotropic bridge deckWU Jiajun,HONG Ze,GUO Hongliang（Liaoning Zizhu Group，Anshan 114000，China）Abstract：The orthotropic steel deck with longitudinal stiffening of U-shaped ribs has been widely used in highway steel bridges.However，in view of its fatigue crack problem，many improvement methods have been put forward at present.One of the innovative measures is to replace the commonly used cold-formed U-ribs by hot-rolled U-ribs with varied thickness.In this paper，the technical features of hot rolled U-ribs with variable thickness are extensively expounded，including geometric parameters，me-chanical properties，weldability，fatigue properties and economy of hot-rolled U-ribs.In order to meet the thin plate and high precision requirements of this kind of U-rib during the manufacturing process，based on the mature rolling technology of ordinary hot-rolled profiles，the professional software DEFORM is used to simulate the whole process of thin U-rib forming，heat treatment and machining.The micro-rolling mill is then used to test roll the scaled U-rib，and the profiled roll is finalized through trial rolling adjustment.Until now，the hot-rolled U-ribs with variable thickness have been applied in more than ten large bridge projects，highlighting certain economic and technical advantages.中图分类号:U448.36；TG335.11 文献标志码:A 文章编号：2097-017X（2023）02-0014-05收稿日期：2023-03-04基金项目：国家重点研发计划项目（2017YFB0304805）。第一作者简介：吴家君（1979），男，学士，高级工程师。研究方向：公铁桥梁、铁塔、船用等热轧型钢的设计、开发。通讯作者简介：郭鸿亮（1971），男，学士，高级工程师。研究方向：公铁桥梁、铁塔、船用等热轧型钢的工艺及检验。14正交异性钢桥面中热轧变厚 U肋技术特点及制造工艺研究 吴家君 等Key words：steel bridge；orthotropic steel deck；hot-rolled U-rib；manufacturing process，steel bridge fatigue引 言正交异性钢桥面系由德国工程师首创于 20 世纪 50年代，因其采用正交布置的纵、横向加劲肋，既能直接承受车辆轮载作用，又能增强加劲梁的总体抗弯能力，因而成为现代钢桥面系中的一类典型构造。特别是在大跨径缆索承重桥梁中，普遍采用 U肋纵向加劲的正交异性钢桥面板结构1。U 肋作为正交异性钢桥面板的重要组成部分，与正交异性板的其他板件共同组成了轻质、高效的桥面结构2。U肋在钢箱梁的顶板及底板内侧纵向并列布置，通过熔透焊角焊缝与顶板、底板焊接在一起。自 21 世纪以来，伴随中国桥梁建设的快速发展，正交异性钢桥面系在中国钢桥中也得到了广泛应用。然而，在很多承受重载交通的桥梁中，疲劳裂缝成为其常见质量病害3，为此，桥梁工程界从加厚桥面钢板、改变焊缝形式、加强局部刚度和改变桥面铺装等方面，对现行正交异性钢桥面系的设计提出了诸多改进措施。除此以外，从目前U 肋的几何形状和制造工艺上，工程界也逐渐认识到有改进的余地。本文结合相关研究，论述正交异性钢桥面中变厚度热轧 U 肋的技术特点及制造工艺。1热轧变厚度 U肋的技术特点1.1热轧变厚度 U肋几何参数U 肋的几何尺寸设计，从理论上讲应根据桥面系的总体受力和局部轮压需求加以确定。目前最常用的等厚 U 肋规格 300 mm300 mm180 mm8 mm，其轮廓尺寸为：上开口宽 B1=300 mm，高 H=300 mm，底宽 B2=180 mm，壁厚t=8 mm，标记为UG 300 mm300 mm180 mm8 mm。采 用 U肋加劲的钢箱梁顶板厚度范围一般在 1218 mm，U肋的中心距为 600 mm。随着热轧技术的发展，热轧 U 肋侧翼板端部设置一段渐变增厚段，图 1 为变厚 U 肋的典型截面及其尺寸标识。其截面外轮廓尺寸一般与等厚 U 肋一致，增厚段高度 h180 mm，渐变段高度 h280 mm，侧翼增厚 t1t8 mm，底板增厚 t2t8 mm。相关参数取值如表 1所示。以 型 号 UG 300 mm300 mm180 mm8D与 UG 300 mm300 mm180 mm8B 为例，表 2给出了两者的相关参数对比。从表 2中数据可以看出，局部加厚的变厚 U 肋，尽管每延米重量增加4.6%，但是截面惯性矩增加了 12.1%，即显著增强了正交异性板的截面刚度。1.2热轧 U肋取样的力学性能为保证热轧 U 肋的成品力学性能，要求在轧制后，应沿轧制方向，从热轧 U 肋翼板靠近肢端的 1/3处取样，力学性能检验指标如表 3所示4。图 1热轧变厚 U肋截面几何尺寸表 1热轧变厚度 U肋的常见截面尺寸几何参数上开口宽底宽肋高增厚段高度渐变段高度肋厚侧翼增厚底板增厚弯折内径弯折外径加厚段内径符号B1B2Hh1h1tt1tt2tR1R2R3尺寸/mm30018030030803080810884048120表 2等厚 U肋与变厚 U肋的基本参数对比分类等厚U肋变厚U肋型号/mmUG3003001808DUG3003001808B截面厚度/mm88，肢端变厚段 12每延米重/（kgm-1）47.3349.51，比等厚 U肋增加4.6%截面抗弯惯矩/cm455916265，比等厚 U肋增加 12.1%注：D表示等厚，B表示变厚。151.3热轧 U肋的可焊性热轧 U 肋对可焊性的提高，可以从几何和制造工艺两方面进行阐述。在几何形状方面，可以增加 U 肋与顶板焊缝附近的板壁厚度，同时加厚段顶部设置支撑平面，增加其与钢箱梁顶板的接触面积；并且，由于热轧变截面肋坡口形状一致性良好，有利于提高焊接时的定位精度及两者之间贴合的紧密性，还有利于提高全熔透角焊缝的焊接质量。提高了肋本身与桥面板的焊接配合性和承载的一致性。在制造工艺方面，目前工程中使用的 U 肋制造方法分为冷弯成型和热轧成型两种形式；冷弯成型其原材料为热轧平板或卷板，尽管板材厚度均匀，底板与侧翼板厚度无变化，但底板与侧翼板连接处的圆角位置厚度会减薄，而且随着弯曲半径的减小，厚度的减薄率增大，同时在圆角位置存在冷做硬化区域，很明显冷弯成型的 U 肋其结构无法强化受力处的承载能力，容易在薄弱处产生损坏。而热轧成型是通过坯料加热、高压水除磷、粗轧、精轧、矫直、定尺切割、铣边等工序完成制作，在使用过程中避免了U 肋因冷弯成型在弯曲处产生较大残余应力的问题，但是焊后等截面的缺陷未得到有效的根治。1.4热轧变厚 U肋的疲劳性能实践表明，纵向 U 肋与钢桥面板、隔板相交处易出现疲劳裂缝，热轧变厚 U 肋对疲劳性能的改善程度，一般通过有限元热点应力分析及桥面板局部的疲劳加载试验来评估。如图 2所示。文献 5 根据 公路钢结构桥梁设计规范 中的疲劳荷载单车模型6，通过开展正交异性板的节段精细化有限元分析，得到了疲劳易损部位及相应的最不利加载位置，对热轧 U 肋构造细节进行参数化分析。结果表明：新型变厚度热轧 U 肋有利于改善U 肋肢顶与横隔板开口处的应力集中，并可以减小顶板在轮载作用下的局部挠度。同时建议，热轧 U肋的变厚高度 h=40 mm，在肋基本厚度 t=8 mm时，侧翼板和底板均增厚t1=t2=4 mm。文献7针对厦门第二东通道跨海钢箱梁桥所采用的热轧变厚 U 肋与顶板双面焊接的构造细节，基于热点应力法开展了疲劳性能评估。结果表明：相比于 8 mm 等厚 U 肋，热轧变厚 U 肋能够显著降低横隔板处顶板焊趾、U 肋与横隔板焊缝端部 U 肋焊趾的热点应力幅，降幅分别为 19%和20%，并 缓 解 横 隔 板 处 顶 板 焊 趾 附 近 应 力 集 中程度。1.5热轧 U肋的经济性目前工程中使用的冷弯 U 肋主要采用的材料为TMCP（热机械轧制、控轧控冷工艺）钢板，TMCP工艺在不过多添加合金元素及不需要进行复杂的后续热处理的条件下，就能达到高强度、高韧性的性能指标，但其弯制过程中会产生变形，待火焰矫正后其性能指标有所降低；另外，冷弯 U 肋受钢板采购周期长、剪裁损耗约 4%、折弯效率受设备能力限值（每图 2热轧变厚 U肋的疲劳加载试验表 3热轧 U肋力学性能U肋厚/mm16168变厚度取样位置头中尾头中尾屈服强度/MPaReL/345396401383438430424ReH355/397404383441434424抗拉强度Rm/MPa470630490529549533578571594伸长率A/%2220323432303231屈强比/0.850.750.730.720.760.750.71弯曲=180=180D=2a合格D=2a合格D=2a合格D=2a合格D=2a合格D=2a合格冲击功 KV2/J-20 34120140，152，13290，96，130120，120，120396，256，360340，322，290320，150，270-40/130，110，11690，92，110100，100，92254，