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 34120140，152，13290，96，130120，120，120396，256，360340，322，290320，150，270-40/130，110，11690，92，110100，100，92254，210，300316，280，28478，36，36数据来源Q355标准值Q345qD标准值检验值检验值注：冲击试验为 10 mm5 mm55 mm 的小尺寸试样。16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 等台折弯机产能约在 7080 吨/天）等问题的制约。综合上述因素，其成本构成=钢板采购成本+运费（至加工厂）+冷弯加工费用（含钢板的损耗）+运费（运至结构厂）。热轧 U 肋由钢坯一次热轧制成型，成品定尺切割，损耗可忽略，材料利用率接近 100%，轧制产能平均约 1500吨/天。其优势在于完全依照设计规定的材质和外观规格制作相应的轧辊，实现批量轧制生产，大大减少了加工制造企业的加工工序及工作量，极大地降低了加工成本，也为缩短桥梁建造周期提供材料供应保障；产品质量可以通过轧制生产线上的超声波在线探伤设备严格控制质量指标，其成本构成=钢坯成本+轧制费用+运费（运至结构厂）；同时热轧工艺适合标准化连续生产，随着同一规格型号的需求量增加，生产成本（能源消耗，设备折损等费用）会显著降低。2热轧变厚度 U肋制造工艺研究2.1精轧工艺要点从 U 肋的外形来看，截面简单，易于成型，看似与板材的轧制相类似，但实际上其轧制原理及轧制设备完全不同。在 U 肋的热轧成型过程中，保证截面厚度的均匀性极为重要，同时保证侧翼板端部变厚度位置的高度也非常关键，首先依据设计及供货需求，参考与热轧 U 肋产品类似的矿山巷道支护用热轧 U 型钢和热轧 U 型钢板桩产品的工艺特点，通过 DEFORM 软件模拟 U 肋在孔型中成型的演进过程，再使用微型轧机试轧缩小版的 U 肋，经反复优化设计方案和试轧调整，最终完成轧辊孔型设计。其次在轧制过程中精准调整万能轧机尤为重要，在为后续铣边工序预留出适合加工的侧翼板变厚度位置高度的同时，又能够获得 U 肋稳定的对称性，并为热轧 U肋后续的焊接稳定性提供有力的保障。2.2制造工艺过程行业内现有 U 肋产品大致分为辊弯、折弯两种，均为冷弯加工，热轧产品此前在世界范围内仍属于空白领域。由钢坯一次热轧成 U 肋，易于实现变截面构造，在轧制完成后的矫直过程中，采用平、立矫直方式，降低 U 肋的残余应力，并有效缓解焊接时局部变形量，提高抗疲劳性能。热轧变厚 U 型肋的工艺过程如图 3 所示。其中，坯料为经过炉外精炼（LF）、真空脱气（VD）工艺得到的钢水，通过连铸机浇铸得到的矩形断面方坯。热轧过程中，坯料经步进式加热炉加热，高压水除鳞去除氧化皮，先后通过两辊可逆式粗轧机（BD1 和BD2）和精轧机的轧制，经热锯切割获得 U 肋的半成品，再经带锯精确切割、专用铣边机边、二次矫直等工艺成型，经质量验收，最终获得合格的 U肋成品。其中，热轧 U 肋生产线的部分现场实景如图 4所示。3工程应用近年来，随着热轧 U 肋良好的力学性能和经济性开始得到桥梁界的认同，相继有多座钢桥采用了热轧等厚 U 肋，或热轧变厚 U 肋7-8。这些桥梁的主结构形式，包括钢箱梁桥、连续钢桁梁桥的桥面系，以及悬索桥和斜拉桥的加劲梁等，在制造上等厚 U肋的材质可以与钢箱梁一致，部分应用实例情况如表 4所示。图 4轧制生产线实景图 3热轧 U肋工艺过程 174结 语由于中国桥梁工程建设和创新需求，热轧 U 肋产品现属国内首创，在国际上尚属空白领域。非等厚热轧 U 肋从制造工艺和构造两方面，对传统冷弯等厚 U肋进行了创新改进，主要经济技术优势如下：（1）热轧工艺可以消除传统冷弯工艺中带来的残余应力，有利于提高焊接质量，延长失效时间，有效提高桥面板的疲劳寿命。（2）非等厚热轧 U 肋的制造工艺，使得桥梁设计中可以根据桥面板的受力需要，优化 U 肋的几何构造细节，从而减少应力集中。（3）在国内外此前均没有热轧 U 肋相关的标准化体系做参考，从发展的角度来看，无论从能源利用率、生产效能上，还是采购难度、采购成本、工程周期等方面，热轧 U肋都具有明显的优势。参考文献：1 Mangus A R，Sun S.Orthotropic Deck Bridges.Bridge Engineering HandbookM.Ed.Wai-Fah Chen，Lian Duan，Boca Raton：CRC Press，2000.2 Manual for design，construction，and maintenance of or-thotropic steel deck bridgesR.Report Number：FHWA-IF-12-027，2012.01.01.https：/rosap.ntl.bts.gov/view/dot/41395.3 张清华，笪乐天，李俊，等.纵肋与顶板新型双面焊构造细节的疲劳强度问题 J.中国公路学报，2022，35（8）：162-1744 中交公路规划设计院有限公司，公路桥梁用热轧 U 型钢：T/CHTS 200152021 S，北京：人民交通出版社股份有限公司，2021.5 常志军，金秀男，吴家君，等正交异性板变厚度热轧肋构造细节设计优化 J 金属功能材料，2022，29（4）：84-91.6 公路钢结构桥梁设计规范：JTGD642015 S，北京：人民交通出版社股份有限公司，2015.7 盛荣荣，刘玉擎，董小强，等.热轧变厚 U 肋钢桥面板疲劳机理分析 J.结构工程师，2022，38（6）：30-37.8 黄俊平.自动化焊接在热轧变截面 U 肋工艺上的应用以厦门翔安大桥为例 J.福建交通科技，2022，197（8）：68-71.表 4热轧变厚 U肋在桥梁工程中的应用实例工程名称厦门第二东通道广东中山香山大桥广东顺德大桥广西龙门大桥合肥市畅通二环工程桥梁结构形式连续变截面钢箱梁桥，跨径 290 m+2150 m+290 m钢桁梁斜拉桥，主跨 880 m连续半漂浮高低双塔钢混组合梁斜拉桥，主跨 626 m全漂浮体系钢箱梁悬索桥，主跨 1098 m钢箱梁高架桥，全长 41.9 km热轧变厚 U肋规格UG300-30018012BUG400-2602508DUG300-3001808DUG400-2602508DUG300-3001808DUG299-2981808DUG297-2931808DUG300-3001808DUG299-2981808DUG298-2961808DUG300-2801708B材质Q420qDQ345qDQ355DQ345qDQ355DQ345qD 18