一种桥面结构的容错构件和容错式正交异性桥面结构

技术领域

本申请涉及桥梁工程领域，尤其涉及正交异性桥面结构和桥面结构的构件。

背景技术

正交异性桥面板由多个纵肋、多个横肋和面板通过焊接的方式连接成整体，共同承担车辆载荷的一种桥面结构。随着国民经济的高速发展和对交通运输能力要求的提高，桥梁正向着高墩、大跨、耐久、高速等方向发展。正交异形由于具备自重轻、结构高度低、整体性好、承载能力大等独特的优点，成为大跨度公路桥梁桥面结构最常用的方案，在铁路桥梁中也得到广泛应用。

虽然优点众多，但正交异性钢桥面板在全世界范围内都发生了大量的开裂和疲劳现象，且以此为主因引起了桥面铺装层的车辙、纵横向裂缝等各类通病，已成为其应用近70年以来的世界级顽症，以致于针对一个小小的工程级产品，每二年不间断地在世界各国巡回召开世界级专题会议商讨解决办法，但多年以来且一直没有找到较完美的解决方案。

正交异性钢桥面板的疲劳问题属于典型的结构体系疲劳问题，其疲劳性能由疲劳抗力最差的疲劳易损部位及其疲劳破坏模式决定；正交异性钢桥面板疲劳开裂案例的统计分析表明：疲劳裂纹均发生在焊缝和几何构型不连续等局部应力集中部位，其中纵肋与横肋交叉部位疲劳开裂占全部疲劳开裂的比例高达60％，是正交异性钢桥面板最为重要的疲劳易损部位。

本专利即为解决正交异性钢桥面板纵肋和横肋链接的疲劳问题而提出的新型高效纵肋横肋连接的子课题成果。

现有横肋的连接方式主要以横隔板形式为主，横隔板上边与面板直接焊接，腹板上部开多个供纵肋穿过的弧形开口，并直接与纵肋外缘焊接连接。

横隔板一般为全断面四边约束的全零公差零件，一般制作中可能需在某一侧留少量余缝，产生新的问题为当组装空隙过盈时，需打磨，缝隙过大时需较大焊道填充。而且一侧打磨则相邻孔均需打磨，一侧打磨则另一对称边必然间隙过大，需加大焊道断面填充，四边约束，精确装配和焊接的工作量均大，造成相邻或相对应的焊道间相互牵制，对其残余应力及焊接缺陷的控制提出了更高要求。

纵肋的侧壁与横肋腹板的厚度方向连接或焊接时，因二者厚度均较小，其连接强度毕竟有限，虽互为T型支撑，但应变量不一，可能引起纵肋开裂或横肋腹板面外变形及开裂，故通用设计下开苹果孔，但孔形也较敏感，且横肋腹板设计自由度受限，过厚也不利、过薄也不利。开孔在减少应力集中的同时，进一步引起了腹板弱化，造成附加应力和敏感构造，形成了开孔量大也不好，小又不行的局限构造，几十年来行业对此小心翼翼，无法突破。

目前在国内中小跨径正交异性钢桥设计中，横隔板或横肋的间距有越来越加密的趋势。从过去第一、二体系常见横隔板与小横肋间距的分别为6m/3m，此后不断加密，至4m/2m，3m/1.5m，有些直线桥间距甚至已达2m/1m，如此横隔板间距理论上显然已高于箱梁第一体系本身要求，且为了减少疲劳因子，最高制作精度已要求至0.5mm级。经研究表明，通用设计的密横肋本身没有问题，采用较密横肋是双向异性板向双向近性板甚至双向同性板靠拢必要手段，但传统横肋的结构过于冗余，加密横肋的实现前提条件是该横肋结构应简捷、轻量、少焊、快装、高效。因此，提升该横肋与纵肋连接构造细节的疲劳性能需从设计创新性的高效的横肋入手，尤其从巧妙的横肋与纵肋的连接构造的创新入手。

发明内容

本申请的发明目的为解决传统桥面板支点位置(即纵横肋连接处)抗疲劳性能差、连接效率低等问题，提供了一种桥面结构的容错构件及采用该构件的容错式正交异性桥面结构，能够实现纵肋、横肋的容错式连接，形成更加高效、快装的桥面结构，进一步能够放开纵肋下部约束，提高抗疲劳性能。

为实现上述目的，一方面，本申请提供了一种桥面结构的容错构件，所述容错构件用于桥面结构中纵肋与横肋的容错连接，所述容错构件由支撑部与连接部组成，所述支撑部与连接部为一体材料制成，所述支撑部用于与纵肋外表面贴合且支撑纵肋，所述连接部用于与横肋的横肋腹板固定连接。

进一步地，所述容错构件的横断面为“T”形。容错构件支撑纵肋的支撑面相对于传统结构放大5-10倍，应力同比例相应减小，且T形为对称结构，支撑部具有穿过横肋腹板与纵肋之间的容错间隙，对纵肋形成基本对称的支撑。

进一步地，所述支撑部中部具有朝外的凸起部。由于纵肋和横肋连接处是整个正交异性板构造和应力变化最复杂的位置，该处既是纵肋的支点，又是在工作运行当中受力最频繁的点，所以该处的肋壁受力最频繁，最容易屈曲。如果T型钢跟肋壁是紧贴的，纵肋屈曲只能向内发生，而向内屈曲因为内侧无约束，屈曲无法控制。而当T型钢留有一定的屈曲储备空间时，该向外屈曲的50％的概率就会按照我们希望的方式发生，即向外屈曲成为大概率发生的常态，一旦屈曲，支撑部内部能始终贴合纵肋外表面，使纵肋保持稳定状态。

进一步地，凸起部的最大高度为a，0.5mm≤a≤5mm。凸起部的外鼓高度不宜过大，若预留空间过大，纵肋发生的变形过大，虽然在支点位置有横肋支撑，但纵肋类似连续梁，在其他区域由于变形过大而屈曲失稳。

进一步地，所述容错构件由型材弯制而成。采用型材不仅结构强度好，同时节省了两块垂直板连接的两道焊缝，经济效益更好。

容错构件包含两个平面，其中一个平面与纵肋底部为相似外形且包住承托(无需焊接)，另一平面与横肋腹板平行且连接。因此，容错构件除了截面为T形外，进一步地，所述容错构件的横断面为“L”形。

另一方面，本申请提供了一种容错式正交异性桥面结构，包括上述的容错构件，顶板、纵肋、横肋；所述纵肋沿桥纵桥向延伸，所述纵肋具有肋板，所述肋板上端与顶板固定连接；所述横肋沿横桥向延伸，横肋具有横肋腹板，横肋腹板上部与顶板固定连接，所述横肋腹板上部具有多个供纵肋穿过的槽口，所述槽口边缘与纵肋外表面之间具有容错间隙，所述支撑部穿过容错间隙且与纵肋外表面相贴合；所述连接部与横肋腹板固定连接。

进一步地，所述支撑部的形状与纵肋的横截面的形状一致，所述支撑部包围纵肋外轮廓。全包围式的容错构件，承托纵肋的效果更好。

进一步地，所述支撑部包括与纵肋焊接连接的焊接连接段，焊接连接段位于支撑部两端。以桥面的纵长方向为Y轴，横桥向为X轴，高度方向为Z轴，桥面板受载荷时，纵肋下挠，纵肋从Z轴方向，从桥面越往下，纵肋Y向的位移越大，即纵肋底部的位移大，中上部由于靠近中性轴，位移较小。因而，全包型的容错构件，在支撑部上部设置焊接连接段，焊接连接段与较小位移的纵肋上部区域采用焊接连接，增强与纵肋的连接，进一步强化支点的支撑作用，且该处由于变形极小，焊缝开裂概率小。

进一步地，所述焊接连接段的高度为h，h小于等于纵肋总高度的1/3。纵肋上部1/3高度范围内变形较小，在该范围内进行焊接连接，焊缝不易发生开裂，抗疲劳性能更好。

进一步地，所述支撑部边缘开设凹槽，所述凹槽位于焊接连接段端部。非闭合的焊缝终止位置为焊缝的薄弱点，裂纹往往由此萌生，在焊接连接段的焊接终点开设凹槽，将焊接的收弧位于凹槽内，既可以规避焊接产生的缺陷，同时增大终点的焊接面积，提高了该处的焊接强度。

进一步地，所述纵肋的肋板上端具有外翻的翼缘，容错构件的上端与翼缘以及顶板均焊接固定。起到对纵肋的垂直承托作用。

进一步地，所述容错构件有2个，对称设置于纵肋两侧，所述支撑部的横截面形状与纵肋的肋板一致，所述支撑部与肋板贴合，且与肋板焊接固定。下部开口，类似传统横隔板苹果口，即在纵肋下部及底部等面外变形较大的区域，纵肋和横肋无约束，防止疲劳开裂。

进一步地，所述容错间隙的最小宽度d≥5mm。容错间隙的最小宽度应能保证容错构件支撑部的板厚能够插入该间隙，为了便于装配，优选最小宽度d不小于5mm。

与现有技术相比，本申请的技术方案具有如下有益效果：

1、本申请实施例改变传统横肋与纵肋紧贴式直接焊接连接的装配方式，在横肋腹板开设的多个尺寸大于纵肋的基本外形尺寸的槽口，在纵肋和横肋腹板之间留有容错间隙，对横肋的制造精度以及纵肋与横肋的装配精度具有一定的容错性，便于纵肋穿过槽口。同时引入容错构件作为纵肋和横肋的连接的中间件，由于容错构件连接部与横肋腹板部分叠合，形成搭接式的焊接结构，通过调整搭接的重叠区域适配不同的间隙，解除了传统横隔板在安装时多约束面的限制，大幅提高了纵肋与横肋的安装效率。

2、纵肋受载荷下挠，相当于以顶板附近为支点纵向滚动，越向纵肋底部，其纵桥向移动幅度越大，而传统横隔板与纵肋的焊接限制了纵肋的这种位移，而传统横隔板在纵肋底部所开设的各类孔型虽放开了一定区域的约束，但又会造成横隔板的弱化，导致横隔板平面内除了有面内变形还有面外变形，撕裂纵肋和横肋腹板连接区域的焊缝及开孔边缘，本申请摒弃了传统纵肋横肋的连接方式，巧妙地采用贴合支撑纵肋的方式，容错构件在纵肋下部用较宽的支撑部，在纵肋底部用非焊接的方式贴面包围承托纵肋，只约束了纵肋竖直方向以及横向的位移，释放了纵肋在纵桥向的约束，尤其是位移量大的纵肋底部的约束，使得纵肋可以在应力过大时纵桥向产生微量滑移，消除了传统纵肋面外变形带来的应力集中问题，既解决了焊接疲劳，又放宽了纵肋挠度要求，对于大开口大跨径的高纵肋，纵肋底部位移量更大，更能体现其适用性。

3、同时，本申请实施例容错构件与横肋腹板全部双面贴角焊接，成为开口处横肋腹板的加固强化翼缘，弥补了多个槽口的开设对横肋的腹板刚度的弱化。经计算分析可知，本申请的桥面结构，通过容错构件的中间件，不仅从根本上解决了正交异性板纵横肋开裂疲劳问题，而且通过容错构件对横肋腹板的边缘强化，已经几乎达到了横肋腹板不开孔的功能。

4、传统构造采用腹板厚度支撑纵肋，横隔板与纵肋为T形接头式的焊接，本申请支撑部具有一定宽度，支撑部与纵肋形成面面承托，增加了接触面积，受力更加均匀。

附图说明

图1为本申请实施例1桥面结构的立体示意图；

图2为本申请实施例1桥面结构的立体示意图；

图3为本申请实施例1桥面结构的纵桥向的平面示意图；

图4为本申请实施例1桥面结构的未安装容错构件时横桥向的平面示意图；

图5为本申请实施例1容错构件的立体示意图；

图6为本申请实施例1容错构件的平面示意图；

图7为图6中A-A方向的断面图；

图8为本申请实施例1横断面为L形的容错构件的立体示意图；

图9为本申请实施例1容错构件设置凸起部的示意图；

图10为图9的局部放大图；

图11为本申请实施例2的桥面结构的立体示意图；

图12为本申请实施例1中方案1的建模图；

图13为本申请实施例1中方案1的有限元计算图；

图14为本申请实施例1中方案1的建模图；

图15为本申请实施例1中方案1的有限元计算图；

图16为本申请实施例1中方案1的建模图；

图17为本申请实施例1中方案1的有限元计算图；

图18为本申请实施例1中方案1的建模图；

图19为本申请实施例1中方案1的有限元计算图。

附图标记：

1—顶板、2—纵肋、21—肋板、22—底缘、23—翼缘、3—横肋、30—横肋腹板、31—槽口、4—容错间隙、5—容错构件、51—支撑部、52—连接部、510-凸起部、511-焊接连接段、512-凹槽。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例1：

如图1、2所示为一种容错式正交异性桥面结构，包括顶板1、纵肋2、横肋3。纵肋2沿顶板纵桥向延伸，横肋3沿横桥向延伸，纵肋2和横肋3均与顶板1底面固定连接，纵肋2为闭口肋，截面可以为U形、V形，梯形等，纵肋2包括一对镜像对称的肋板21和底缘22。如图4所示，横肋3具有与顶板垂直设置的横肋腹板30，上部具有多个供纵肋2穿过的槽口31，槽口31大于纵肋2横截面的外轮廓的尺寸，本实施例中槽口31的形状与纵肋横截面的形状基本一致，尺寸放大，如图4所示，横肋3的槽口31边缘与纵肋2外表面之间具有一定宽度的容错间隙4。

如图1和2所示，容错式正交异性桥面结构还包括容错构件5，容错构件5连接横肋腹板30和纵肋2，成为纵肋2与横肋3腹板的连接的中间件，容错构件5包括支撑部51和连接部52，支撑部51沿纵桥向延伸。安装时，如图2所示，支撑部51穿过容错间隙4，容错间隙4的最小宽度d优选大于等于5mm，以保证支撑部51的板厚能够插入该间隙，同时便于容错构件5的安装。支撑部51的内表面与纵肋2外表面相贴合，连接部52与横肋腹板30部分贴合并固定连接，连接时调整连接部52与横肋腹板30的重叠面积来适配不同的容错间隙，形成纵肋2与横肋3的容错式连接。

传统横隔板或横肋中，横肋腹板上开设的槽口与纵肋截面大小一致，在横隔板安装时，其每个弧形槽口边缘与纵肋外表面紧贴并直接焊接连接，因而，横隔板在安装时受多个弧形槽口边缘的约束，每个槽口需要跟纵肋形成精密的配合，所受的约束多，槽口一侧间隙大则需要增大焊道宽度，当一侧间隙小又需要打磨横隔板，安装难度非常大。本申请实施例改变传统横肋与纵肋紧贴式、直接焊接的装配方式，如图1、2所示，在横肋腹板30开设的多个槽口31，其尺寸大于纵肋的基本外形，在纵肋2和横肋腹板30之间留有容错间隙4，容错间隙4可等宽，也可如图4非等宽设置。容错间隙4的预留，对横肋3的制造精度以及纵肋2与横肋3的装配精度具有一定的容错性，同时，引入容错构件5作为纵肋2和横肋3的连接的中间件，容错构件5的支撑部51支撑纵肋2，连接部52与横肋腹板30部分叠合，与横肋3形成搭接式的焊接结构，通过调整搭接的重叠区域可以适配不同的间隙，解除了传统横隔板或横肋在安装时多约束面的限制，大幅提高了纵肋与横肋的安装效率。

传统纵肋受载荷下挠，相当于以顶板附近为支点纵向滚动，越往纵肋底部方向，其纵桥向位移越大，而传统横隔板与纵肋直接焊接连接，限制了纵肋的这种位移，虽然传统横隔板在纵肋底部所开设的各类孔型放开了一定区域的约束，但开孔又会造成横隔板的弱化，导致横隔板平面内除了有面内变形还有面外变形，撕裂纵肋和横肋腹板连接区域的焊缝及开孔边缘。本申请摒弃了传统纵肋横肋的连接方式，如图1、2所示，巧妙地采用容错构件5在纵肋下部用较宽的支撑部51贴合支撑纵肋的方式，在纵肋2底部用非焊接的方式贴面包围并承托纵肋2，只约束了纵肋2竖直方向以及横桥向的位移，释放了纵肋2在纵桥向的约束，尤其是位移量大的纵肋2底部的约束，使得纵肋2可以在应力过大时纵桥向产生微量滑移，消除了传统纵肋面外变形带来的应力集中问题，既解决了焊接疲劳，又放宽了纵肋挠度要求，对于大开口大跨径的高纵肋，纵肋底部位移量更大，更能体现其适用性。

如图1、2，同时，本申请实施例容错构件5与横肋腹板30全部双面贴角焊接，成为横肋腹板30槽口处加固强化翼缘，弥补了多个槽口31的开设对横肋的腹板30刚度的弱化，经验算该强化后腹板功效相当于不开孔实腹板功效。传统构造的连接，采用腹板板厚宽度支撑纵肋，横隔板与纵肋为T形接头式的焊接，本申请支撑部51的宽度较大，支撑部与纵肋形成面面承托，增加了接触面积，受力更加均匀。

如图5、图6、图7所示的容错构件5的横断面为“T”形。T形为对称结构，支撑部51一侧穿过横肋腹板与纵肋之间的容错间隙，对纵肋形成基本对称的支撑，支撑面相对传统横隔板以板厚宽度支撑纵肋，支撑面的面积放大5-10倍，应力同比例相应减小。

如图9所示，容错构件5在与纵肋肋板的贴合区域，即容错构件5与纵肋肋板21的贴合区域中部设置朝外的凸起部510，如图10所示的凸起部510处的局部放大图，凸起部510高度为a，0.5≤a≤5mm。由于纵肋和横肋连接处是整个正交异性板构造和应力变化最复杂的位置，该处既是纵肋的支点，又是在工作运行当中受力最频繁的点，所以该处的纵肋肋板21受力最频繁，最容易屈曲。如果容错构件5与纵肋肋板21是完全紧贴的，则一旦纵肋发生屈曲，纵肋肋板21只能向内侧屈曲，而向内屈曲因为内侧无筋板等约束，屈曲无法控制。当容错构件5与纵肋2的外表面贴合时，凸起部510与肋板21外侧之间留有0.5mm-5mm较小的屈曲储备空间，一旦肋板发生屈曲，屈曲大概率向外鼓曲，由于外侧有容错构件5环抱，始终贴合并顶住纵肋，使纵肋能够保持稳定状态。

如图1、图5所示，支撑部51的形状与纵肋2的横截面的形状一致，支撑部51包围纵肋2外轮廓。支撑部51包括与纵肋2焊接连接的焊接连接段511，焊接连接段511位于支撑部51两端。以桥面的纵长方向为Y轴，横桥向为X轴，高度方向为Z轴，桥面板受载荷时，纵肋2下挠，纵肋2从Z轴方向，从桥面越往下，纵肋Y向的位移越大，即纵肋2底部的位于大，中上部由于靠近中性轴，位移较小。因而，全包型的容错构件5，在支撑部51上部设置焊接连接段511，焊接连接段511与较小位移的纵肋2上部区域采用焊接连接，既能增强与纵肋的连接，进一步强化支点的支撑作用，且该处由于变形极小，焊缝开裂概率小，同时纵肋下部仅顶紧无焊接，放开纵肋Y向约束。

如图6所示，纵肋2设置焊接连接段511，其高度h小于等于纵肋2总高度的1/3，在该范围内进行焊接连接，由于纵肋2受载时，上部1/3高度范围内变形较小，焊缝不易发生开裂，抗疲劳性能更好。在支撑部51边缘开设凹槽512，凹槽512位于焊接连接段511端部。焊接时，非闭合的焊缝终止位置为焊缝的薄弱点，裂纹往往由此萌生，在焊接连接段511的焊接终点开设凹槽，将焊接的收弧点位于凹槽512内，既可以规避焊接产生的缺陷，同时增大终点的焊接面积，提高焊接收弧点的焊接强度。

容错构件5包含两个平面，其中一个平面与纵肋底部为相似外形且包住承托无需焊接，另一平面与横肋腹板平行且连接。如图8所示，为另一种断面的容错构件5，其断面“L”形，由角钢等型材弯制而成，采用型材弯制，不仅结构强度好，同时节省了两块垂直板连接的两道焊缝，经济效益更好。

如图1所示，纵肋2的肋板21上端具有外翻的翼缘23，容错构件5的上端与翼缘23以及顶板1均焊接固定，能够进一步提高横肋3对纵肋2的垂直承托作用。

以下对本申请实施例1中涉及的采用容错构件5的桥面结构与传统构造、和采用实腹板横肋构造做了有限元计算对比：

方案1为横肋为实腹板(整钢板)的标准梁，如图12所示为本方案的建模图，图13所示为本方案的计算结果图；

方案2为传统正交异性桥面结构：纵肋为U肋(梯形肋)，横肋腹板在与纵肋底部连接处开设苹果孔，如图14所示为本方案的建模图，图15所示为本方案的计算结果图；

方案3为实施例1中采用“L”形截面容错构件的桥面结构，其中“L”形截面容错构件5全包围纵肋2的外表面，容错构件5上部与纵肋2焊接，容错构件5下部与纵肋2贴合连接的桥面结构。如图16所示为本方案的建模图，图17所示为本方案的计算结果图。

方案4为实施例1中采用“T”形截面容错构件的桥面结构，其中“T”形截面容错构件5全包围纵肋2的外表面，容错构件5上部与纵肋2焊接，容错构件5下部与纵肋2贴合连接的桥面结构。如图18所示为本方案的建模图，图19所示为本方案的计算结果图。

经计算分析可知，本申请实施例的桥面结构，通过容错构件5为中间件包围承托纵肋2，大幅减小了顶板1与纵肋2的扰度，减小了应力，不仅从根本上解决了正交异性桥面结构纵横肋开裂疲劳问题，而且通过容错构件5对横肋腹板30的边缘强化，已经几乎达到了方案1中横肋腹板不开孔的功能。

实施例2：

实施例1中容错构件5全包围纵肋2的外表面，与实施例1不同的是，如图11所示的桥面结构，其纵肋2肋板21两侧均设置对称的容错构件5，容错构件5的支撑部51的横截面形状与纵肋2的肋板一致，支撑部51与肋板21贴合，且与肋板21焊接固定，本实施例的桥面结构与实施例1相同，通过引入容错构件5，解决了传统横隔板装配难度大的问题，具有一定的容错性，通过肋板两侧设置两个独立的容错构件，在纵肋2下部挠度较大的区域，纵肋2脱空，类似于传统横隔板在该区域开设的苹果孔，在纵肋2底部放开约束，能够有效解决疲劳开裂问题。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。