浅议组合钢板梁接头合理设计
摘要：本文介绍了组合钢板梁桥的设计特点及要求，结合工程施工经验，分别对主纵梁主角焊缝、主纵梁与横梁连接接头、节段间接头连接等进行了探讨分析，给出了典型接头的合理接头设计。
关键词：组合钢板梁，主纵梁，横梁，主角焊缝，接头设计
1 前言
近20年来，我国桥梁建设取得了快速发展，大跨度拱桥、斜拉桥和悬索桥等方面有了较快的发展，而中小跨径公路桥梁基本采用混凝土结构形式。组合结构作为一种受力合理且便于施工的结构形式，上世纪 60 年以来，在全世界范围内迅速发展起来。组合结构桥梁充分发挥了不同材料的力学特点，在保证受力可靠的同时，减小了结构自重，优化了结构受力。根据其钢主梁结构不同，主要可分为组合钢板梁、组合钢箱梁、组合钢桁梁这三种，其中，组合钢板梁桥由于具有构造简单、强度高、自重轻、工厂化生产程度高、施工速度快等优点得到了广泛应用。
合理的接头细节设计不仅可以减少加工、制造难度，也能够提高结构的耐久性。在组合钢板梁桥的设计过程中，一些设计单位不太重视连接接头的细节设计，存在焊缝设计过大、接头设计不合理等问题，焊缝设计较大增加了结构的焊接变形及残余应力，不合理的接头细节设计使结构产生较大的应力集中，给结构抗疲劳性能带来很大影响，对组合钢板梁的耐久性不利。
2 典型组合钢板梁应用
2.1梁式组合钢板梁
在西方发达国家的桥梁建设中，组合结构作为最主要的桥梁结构形式，展现了优越的竞争力，在欧洲国家尤其如此，应用比例非常高，甚至达到90%以上。梁式组合钢板梁，由钢板焊接形成工字型的实腹式钢梁，作为主要承重结构的钢桥梁，从受力体系上可分为组合简支钢板梁、组合连续钢板梁。国内济祁高速合肥段淮河特大桥约11km长度的引桥工程中，采用了标准跨径为30m、35m三跨或四跨一联的组合连续钢板梁，结构形式见图1。
图1 梁式桥组合连续钢板梁示意图
2.2斜拉桥组合钢板梁
斜拉桥组合钢板梁的钢主梁为纵横梁体系，与混凝土桥面板结合后形成组合梁，主纵梁通过锚拉板与斜拉索相连，传力路径明确顺畅、构造简洁。我国的上海南浦大桥、海南洋浦大桥、青海海黄大桥以及在建的禹门口黄河大桥等均为组合钢板梁，已经成为斜拉桥组合梁应用较多的结构形式（图2）。
图2 斜拉桥组合钢板梁示意图
3 主纵梁主角焊缝的合理设计
3.1 梁式组合钢板梁
对于梁式组合钢板梁而言，其主纵梁主要承受弯曲应力，主角焊缝平行于应力方向时，焊缝与母材承受同样大小的应力。从计算的角度，当翼缘板与腹板采用角焊缝时，需要验算梁在弯曲时翼缘板与腹板产生水平剪切应力，水平剪切应力应小于等于角焊缝的强度计算设计值。国外许多组合钢板梁的主纵梁主角焊缝多设计为角焊缝。
北美某铁路钢桥钢板梁结构为下承式钢板梁，钢板材质为ASTM A709 GRADE 50W，主纵梁长38.1m，上翼缘板厚100mm、腹板厚度22mm、下翼缘板厚度为70mm，主纵梁翼缘板与腹板的连接焊缝设计为双面K10角焊缝。
图3 北美铁路钢板梁
美国阿拉斯加铁路桥钢板梁，钢板材质为ASTM A709 GRADE 50W，主纵梁长度50.3m，上、下翼缘板厚度为57mm、腹板厚度22mm，主纵梁翼缘板与腹板的连接焊缝设计为K11角焊缝。
图4 美国阿拉斯加铁路桥钢板梁
因此，对于组合钢板梁主纵梁主焊缝应设计为角焊缝，当腹板板厚大于30mm时，采用非熔透坡口焊缝，两者在计算焊缝有效厚度上是一致的。主纵梁主角焊缝一般采用船位埋弧自动焊工艺，对于角焊缝的计算有效厚度，应考虑采用埋弧焊接时熔深大的特点，在角焊缝理论有效厚度的基础上增加焊接熔深。笔者认为，角焊缝的强度与熔深有很大关系，尤其是埋弧自动焊熔深较大，若考虑熔深时将增加焊缝有效厚度，更有利于保证结构安全。
国外相关规范关于采用埋弧焊接焊缝的计算有效厚度he，均考虑了一定的熔深。如：美国钢结构桥梁规范AISC规范规定：当hf≤9.5mm时，取he=hf；当hf＞9.5mm时，取he=（0.7hf+2.8）mm；挪威《钢结构-设计规则》NS3472规范规定：hf≤8.5mm时，取he=0.84hf；当hf＞8.5mm时，取he=0.84hf或者（0.7hf+3mm）；英国BS5400（1982）规范规定，取he=（0.7hf+2）mm和he=0.84hf，取小。
我国相关设计规范规定“直角焊缝的有效厚度he采用焊脚尺寸的0.7倍”,对于埋弧焊接的角焊缝有效厚度而言，相对比较保守。为了验证船位埋弧焊接的实际熔深，我们进行了船位埋弧焊接角焊缝（hf=10mm、hf=12mm）的熔深试验。从试验结果（图5 宏观酸蚀照片）可见：焊角尺寸hf=10mm时，焊缝腹板侧熔入板厚5mm，焊角尺寸hf=12mm时，焊缝腹板侧熔入板厚6mm。因此，建议对于船位埋弧焊接角焊缝的计算有效厚度he应考虑实际熔深，当hf＜10mm，取he=hf；当hf≥10mm，取he=（0.7hf+4）mm。
(a) 焊角尺寸hf=10 (b)焊角尺寸hf=12
图5 埋弧船位焊接角焊缝熔深
3.2 斜拉桥组合钢板梁
斜拉桥组合钢板梁的钢主梁多采用纵横梁格构体系，主纵梁为“工形”结构，其特点是斜拉索通过锚拉板连接于主纵梁上翼缘板，对于其主纵梁主角焊缝的设计，各设计单位存在不同的理解，主要源于《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）中“7.2.3 翼缘板与腹板的连接可采用角焊缝，腹板两侧有效厚度之和应大于腹板的厚度；也可以将翼缘板与腹板的连接采用全焊透焊缝”的理解程度不同，如：某桥为主跨460m双塔双索面钢-混组合梁斜拉桥，主纵梁腹板厚度为32mm，设计要求腹板与上、下翼缘板设计为非熔透坡口焊接（腹板每侧熔深要求12mm）；某桥为主跨565m双索面钢-混结合梁斜拉桥，主纵梁腹板厚度为40mm，设计要求与上、下翼缘板均要求熔透焊接。这两个桥除了跨度不同，其纵横梁体系、连接细节等几乎完全相同，为何会出现如此大的差别呢？
笔者认为，对于腹板与上、下翼缘板的焊缝设计应该区别对待，该类桥钢板梁主纵梁设计板厚均较大，主角焊缝宜采用坡口焊缝。根据主纵梁的传力特点，从轴向力角度，主焊缝为典型的“缝合焊缝”，下翼缘与腹板应采用非熔透坡口焊缝；从竖向拉应力和提高结构细节抗疲劳性能的角度，上翼缘与腹板连接在锚拉板区及向两侧各500mm范围内则宜采用熔透坡口焊缝，见图6。
图6 斜拉桥主纵梁腹板与上、下翼缘接头设计
4 钢板梁受弯梁加劲板的连接设计
对于以受弯为主的组合钢板梁，由于腹板比较薄、为了防止发生局部屈曲，要在腹板纵横方向上焊接加劲肋。对于跨中竖向加劲肋与下翼缘板的连接设置，为了避免受拉下翼缘疲劳损伤，一般有两种处理方法：一种是竖向加劲肋距离下翼缘板80～100mm（见图7a），这样也可满足角焊缝端部围焊及修磨处理；另一种是竖向加劲肋与下翼缘板采用磨光顶紧连接，以增加下翼缘板的约束作用，为了解决其顶紧的效果，待加劲肋与腹板焊接后打入“斜铁”，确保竖向加劲肋与下翼缘板密贴，然后将加劲肋与斜铁焊接，见图7b。
(a)加劲肋与下翼缘不连接(b)加劲肋与下翼缘顶紧连接
图7 竖向加劲肋与下翼缘连接方式
5主纵梁与横梁焊接连接设计
采用焊接连接时，需要关注接头的细节处理。第一种方式是横梁上翼缘板与主纵梁顶面平齐，在横梁上、下翼缘板与主纵梁上翼缘板、加劲肋采用对接焊缝，需要将横梁上、下翼缘板连接部位（150×150mm）加宽整体下料，以确保对接焊缝的可检测性，待焊接检验合格后，用切割机沿圆弧切割，并对切割面打磨至设计要求，见图8。这种连接方式优点为在横梁上、下翼缘板连接部位增加圆弧设置，提高了板面方向上的抗疲劳性能，缺点是横梁上翼缘板与主纵梁上翼缘板下侧形成应力集中点，当板厚δ1和δ2相差4mm以上时，可通过焊缝表面斜坡（不大于1：5）来过渡，但在仰焊位置堆焊斜坡、修磨施工难度很大，不推荐采用。
图8 主纵梁与横梁连接方式（一）
第二种连接方式是将主纵梁上翼缘板在横梁连接位置局部伸出，一般伸出长度为圆弧半径R+100mm，主纵梁上翼缘板为上平齐、下端加工1:8斜面，与横梁上翼缘板对接焊缝连接，见图9。这种连接方式虽然增加了钢材损耗，但减少了主纵梁与横梁上翼缘板板面和板厚方向的应力集中，抗疲劳性能较好，推荐采用这种连接方式。
图9 主纵梁与横梁连接方式（二）
6 主纵梁节段间接头设计
主纵梁节段间连接接头设计有三种方式，一种是采用栓接方式；另一种采用栓焊混合连接方式，即上翼缘板焊接、腹板与下翼缘板栓接；第三种是全断面焊接方式。采用全断面焊接方式时，上、下翼缘板与腹板间的对接焊缝是否应该错位连接，不同设计仍有分歧。当前，大型薄壁钢箱梁钢桥面板对接焊缝、钢箱梁节段间均采用了“十字形交叉”对接焊缝，促进了钢桥制造技术的发展。但是，某些设计单位对于城市匝道桥桥面板对接、节段间的对接及组合钢板梁主纵梁的节段对接，仍然有不允许采用“十字形交叉”或者“T形交叉”接头的要求，增加了制造单位加工制造及现场安装难度。
笔者认为，主纵梁节段间上、下翼缘与腹板间对接焊缝可以不错缝连接。一方面，从接头强度设计角度，对接焊缝为一级熔透对接焊缝，焊缝采用“等强”设计，实际上焊缝的强度是大于母材的；同时，当前焊接材料、焊工操作水平均大幅提高，采用不错位对接焊缝完全能满足强度设计要求。另一方面，从减小焊接残余应力角度，无论“十字形交叉”或“T形交叉”接头，其中只有最后一条焊缝的残余应力起主导作用，先焊好的焊缝在交叉点附近受后焊的焊缝影响已释放了大部分应力，最终的残余应力都是后焊接的焊缝起主导作用，上、下翼缘板及腹板间对接焊缝焊接完成后，最后再焊接主纵梁预留角焊缝，因此，不错缝交叉焊缝的残余应力与错缝交叉焊缝焊接残余应力相当。相反，从主纵梁对接接头整体来看，错缝交叉点的数量为4点、不错缝交叉点2点，后者残余应力较大的交叉点就少了1倍；另外，错缝连接现场预留角焊缝更长，也会增加现场焊接工作量，见图10。
（a）错缝连接 （b）不错缝连接
图10 主纵梁节段间焊接连接方式对比
相比而言，节段间采用栓接或者栓焊连接，不仅可以避免现场厚板焊接难度大的问题，且可以加快现场施工进度，也是一种不错的选择。
7 结束语
随着我国交通运输部大力推广公路钢结构桥梁政策的出台，装配式组合钢板梁可以真正让“大型化、工厂化、标准化、装配化”的“四化”造桥理念充分实现，符合现代施工技术的工业化要求，具有广阔的应用前景。目前，相关专业设计院已经在着手进行装配式标准桥梁的设计，梁式组合钢板梁、斜拉桥组合钢板梁分别在不同跨度领域广泛应用。为此，本文针对其典型接头的合理构造及施工中常见到的问题进行探讨分析，希望能够对后续同类钢桥梁设计提供借鉴，促进我国组合钢板梁建造的快速发展。
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