正交异性钢桥面分析：重返桥梁垮塌现场

正交异性钢板桥面在第二次世界大战之后于20世纪50年代初期开始出现。起初纵肋采用开口截面，到60年代逐渐改为闭口截面。由于制造工艺闭口纵肋长度受到限制，其设计长度由相邻两横梁的间距决定。在塞文悬索桥部分该长度为4.572 m，其余部分则为4.267 m。纵梁两端抵住横梁，用角焊缝作连接。（横梁实质上由横肋及横隔板组成，将箱梁的部分顶板和底板当作横梁的翼缘使用；横梁高度与箱梁高度相同。）

按照悬索桥的设计说明，强度和刚度都不控制加劲梁。因此，钢材厚度主要按制造和安装要求决定。面板厚度为 11.5 mm，纵肋厚度为 6.4 mm，角焊缝焊脚为 6 mm。图12.3为英国运输和道路研究试验所所用试件的截面，其中：（a）完全按塞文桥渡各钢梁的尺寸制造；（b）表示改进方案，将纵肋截面从梯形改为V形，在纵肋同横梁相遇处，在横梁开孔，让纵肋穿过。

图12.3　TRRL试件截面（单位：mm）

文献[8]明确指出：塞文桥渡的钢梁只是在下列三种构造发现开裂，经试验研究，拟订了修复、加固措施，并成功地实现。

1.封头板同纵肋下缘焊连处

此处开裂在桥梁开通5年时就已发现。这是因为纵肋在汽车荷载下要下挠，而封头板顶住纵肋，不让它下挠，使纵肋在局部产生很高的应力。开裂从焊缝端头开始，接着向焊缝之内，以及纵肋基材的纵向及横向发展。将封头板切开，对裂缝进行补焊。按单件制成试件，并用静力试验来量测汽车荷载使开裂点所致的最大应力幅，知其为 77 MPa。通过疲劳试验及推算，这种补焊构造的使用寿命只是3～5年。将纵肋下缘开裂处切除，使用高强螺栓及拼接板来传力（以越过切口）；先用单件为疲劳试件，继而按板段制为试件，经证明这种构造在应力幅为 77 MPa之下的寿命超过120年。于是，按这种构造在桥上修补了 3 处，并装配量测仪表，以便TRRL进行应力测读。在使用达7 年之后，将这种构造拆下来检查，没有发现异常。全桥共进行了这种修补 160 处。到文献[8]发表时，一般已使用了10年，其行为堪称满意。进行每一个这种修补，需20个工时。(www.xing528.com)

2.纵肋端头用角焊缝连在横梁处

纵肋的壁厚、横梁（横肋）的腹板厚，都是6.4 mm。在纵肋端头和横梁之间，用6 mm角焊缝作连接。桥梁开通11年时，发现角焊缝开裂。起初用静力试验来量测该处因荷载所生应力，发现其差异能达3倍，猜想这是和制造尺寸及装配误差有关。按原设计制成若干单件和一个板段进行疲劳试验，其结果是离散性颇大，只能将其抗力分级按BS5400第10篇的G级（最差的一级）考虑。再按规范的典型运营车荷载谱进行推算，发现原构造的疲劳寿命只是6年。为使疲劳寿命达120年，需将此值放大20倍。但在对此桥的这一开裂出现频率进行认真考察，并将桥上实际通过的车辆重量同设计中的采用值对比后，认为：只需将寿命放大9倍，也就是将抗力分级从G提高到D就行。曾经提出过好几种修补方案，先是进行单件疲劳试验进行筛选，再对其疲劳抗力较高者按板件进行疲劳试验来验证。筛选时落选的主要是：① 加大角焊缝的脚长，或加大熔深，原因是其对抗力的提高很有限。② 高强栓构造，原因是纵肋及横梁间的构造尺寸变异性大，使拼接板的预制有困难；纵肋是闭口截面，安置螺栓不方便；工作地点狭窄，非有专用工具不行。③ 用黏合剂将小连接板黏在这里进行补强，工艺质量不稳定，疲劳抗力也提高不多。④ 将小连接板改为用焊接作连接，其效果比用黏合剂更优，但它还不如将小连接板改为“兜底板”。

最终采用的兜底板截面尺寸是 8 mm×40 mm，长度大约 400 mm，每纵肋的每一端用一块。将它加热，借能置在纵肋下面，照纵肋形状来弯曲、密贴于纵肋下缘，并靠着横梁；然后用角焊缝将它的一边焊于纵肋，另一边焊于横梁上。为提高其疲劳抗力，还用小锤敲击其焊缝趾部。经用板件作疲劳试件，证实其疲劳抗力远远高出D级。这样的每个修补，需耗30工时。

3.纵肋边缘用角焊缝连于面板处

此桥原用的角焊缝焊脚尺寸是 6 mm，通车 11 年后发现这里有裂纹。经按原构造制成疲劳试件，试验结果表明其抗力是F级。若将现有角焊缝铣去，在纵肋壁开坡口，用多趟仰焊，让角焊缝焊脚达 9 mm，有效厚度（喉深）达 7.5 mm，则所得构造的疲劳抗力能越过D级，能满足要求。当时所遇的困难是工艺问题。用于铣削的设备，需要满足4个条件：① 因为桥面板不很平，纵肋不太直，而钢材又较薄，如铣削过度就不易补正，故对于机具的走行轨道和切削深度需要精确控制。② 铣削是在不中断行车条件下进行的，机具应能适应面板因通行活载所发生的总体及局部挠度。③ 机具装置在桥面板之下，其工作需仰着向上进行，对意外情况（例如停电）下的安全需有保证；对于纵肋，不容许钻孔。④ 箱梁进入孔的尺寸是600 mm×300 mm，机具必须能通过此孔；箱内空间有限，机具的装拆及

操纵至多只容许两人同时工作。TRRL 将机具的研制发包给制造工程研究所（Production Engineering Research Association）进行。条件是：机具不能用人工手持（因总修补长度达

50 km，历时很长；而在焊接完成之后，对于坡口尺寸又无法检查，这就不能依靠手持工具）；每次铣削长度为 1 m（在不中断行车条件下，为了安全，每次所能铣去的焊缝长度至多只能是 1 m）。最后采用的设备，是用立在箱梁底板的门架（其柱的长度可用气缸及压缩空气调节），在门架上面装设轨道，在轨道上设置装有机具的跑车，让机具通过可调节的球面支承抵紧桥面板和纵肋，而铣削深度都以相对于桥面板和纵肋来决定。在将这套设备在实验室和实桥反复调试并修改之后，乃决定采用。其铣削速度是20 mm/min；对每一长4.57 m的纵肋，需耗40个工时。