一种带翻边的横肋和桥面结构的制作方法

1.本技术涉及桥梁工程，尤其涉及桥面结构及用于桥面结构的横肋。


背景技术：

2.正交异性桥面结构由多个纵肋、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，其中纵肋起连续梁的作用，横肋在横向支撑各纵肋。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。正交异形桥面结构由于具备自重轻、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。
3.虽然优点众多，但正交异性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。
4.正交异性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％，是正交异性桥面板最为重要的疲劳易损部位。
5.本专利即为解决正交异性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。
6.出于试图通过纵肋挠度的控制，以减少纵肋和横肋节点及跨中应变量，从而达到提高疲劳抗力的思路，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密的趋势。从过去第一、二体系常见横隔板与小横肋间距分别为6m和3m，此后不断加密至4m和2m，3m和1.5m，有些直线桥间距甚至已达2m和1m。横隔板间距理论上显然已高于箱梁第一体系本身要求，在此间距下纵肋挠度几乎达1/2000mm，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，采用较密间距的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，但优质的横肋的实现前提条件是简捷、轻量、少焊、快装、高效。正交异性桥面板中，纵肋作为连续梁构造穿过横肋，现有横肋多为横隔板形式，横肋成为连续梁的一个支点，横肋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，横肋腹板开口导致横肋腹板弱化，进一步导致横肋作为支点的弱化、支撑力不足，从而导致纵肋肋壁下挠。因刚度有限横肋本身也存在下挠，再加纵肋自身的下挠量，下挠应变叠加作用在相邻横隔板或横肋上，既在横隔板面内发生不一致变形，也在横隔板面外发生不一致的变形，两类不一致变形直接在板件间连接部位导致较大的弯曲次应力和剪应力，这些部位本身即为几何构型不连续部位，应力分布较为复杂且应力集中问题突出，极易产生疲劳开裂问题。
7.加之纵肋和横肋交叉连接部位，是横隔板的厚度方向与纵肋外表面的连接，接触
面积小，连接处额应力集中，同时类似t形接头式的焊接连接，焊接强度有限，但应变量不一，极易引起纵肋开裂或横隔板面外变形及开裂。
8.其次，现代钢桥设计中多采用闭口形式截面正交异性桥面板，比较常见的是u纵肋或底部具有弧形转角的v型纵肋，由于纵肋截面底部具有较大圆弧或转角半径，底部难以受压。这种纵肋和横肋的构造，横肋不能单承托于纵肋的底部，形成顶板、纵肋、横肋层叠式的构造。因而导致横隔板需要同时与顶板和纵肋焊接，造成了纵肋、横肋相互穿插的复杂构造。
9.现有横隔板的用钢量大，安装难度高。现有横肋从顶板下方一直延伸到纵肋下方，高度高，占用了较多的材料用量，为了防止正交异性桥面整体自重过大，因此必将减少纵肋的用钢量，纵肋下部用于承担主应力的截面较小，纵肋截面构造单一，其纵向刚度小，跨中挠度大，引起纵肋与横肋交叉处的负弯矩大，进一步加剧纵肋与横肋交叉处应力集中、变形及开裂和疲劳。
10.因此，系统提升该构造细节的疲劳性能，需从改善局部应力集中程度、降低加工制造缺陷风险等多个方面入手，这也是研发新型横肋与纵肋连接构造细节的根本出发点。


技术实现要素：

11.本技术的目的是为了解决传统横肋与纵肋连接部位的抗疲劳性能差、横肋安装复杂等问题，提供一种带翻边的横肋及采用该横肋的桥面结构，该横肋通过翻边包围或半包围承托纵肋，不仅提高横肋作为支点的承托力，同时通过释放纵肋底部约束而大幅提高纵肋横肋连接部位的抗疲劳性能。
12.为了实现上述目的，本技术采用了以下技术方案：
13.本技术第一方面提供了一种带翻边的横肋，包括横肋腹板，所述横肋腹板上开设用于纵肋通过的切口，所述切口边缘具有与横肋一体的翻边。
14.进一步地，所述翻边为垂直于横肋腹板平面向外延伸的直边，能够保证翻边内表面与纵肋外表面完全贴合，增加翻边与纵肋外表面贴合面积。
15.进一步地，所述翻边宽度为d，d≥10mm。较大宽度的翻边能够成倍的增加与纵肋的接触面积，应力和应力幅也相应减小。
16.进一步地，所述翻边上设有外鼓段。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，因此，该处纵肋肋壁最容易屈曲。翻边与纵肋肋壁紧贴的情况下，纵肋肋壁一旦屈曲，只能向内侧发生，而向内屈曲因为纵肋内侧无约束，屈曲无法控制。因此，在翻边与纵肋肋壁贴合的区域设置外鼓段，相当于给纵肋留有一定的向外屈曲储备空间，一旦屈曲，外鼓段的设置增加了屈曲向外侧发生的概率，由于外侧有翻边包围，即使纵肋肋板屈曲，翻边始终顶住并包围肋板，保持纵肋的稳定。
17.进一步地，所述外鼓段为弧形，最大外鼓高度为a，且0.5≤a≤5mm。所述弧形构造不仅容易制作，同时也符合屈曲发生的形状。
18.进一步地，所述翻边沿切口的边缘全部或局部设置。。翻边沿切口边缘连续的全范围设置，在纵肋和横肋的相交区域，即支点位置具有更好的承托性能。对于一些非受力敏感区域，也可在切口边缘局部设置翻边。
19.进一步地，所述横肋具有下翼缘，所述下翼缘由横肋腹板下部钢板折弯形成，所述下翼缘断面为“一”形、l形或三角形。横肋下部通过折弯形成下翼缘，与翻边类似，不仅制作简便，同时整个横肋为一体材料，母材代替了焊缝，进一步消除焊缝带来的疲劳缺陷。开放型的结构，如“一”形、l形下翼缘制作简单。一块钢板通过成型围成的三角形闭合截面，受力变形时，闭合截面自行顶紧缝隙，变形吸能，将荷载冲击转换为三角形截面的微变，增加结构的柔韧性和应变性。
20.进一步地，所述翻边为卷边。卷边与直边型的翻边不同，卷边具有一定的弹性变形空间，与纵肋连接时，可将纵肋压入，通过卷边的弹性变形，使纵肋和横肋在连接时具备一定的容错性。
21.另一方面，本技术提供了一种桥面结构，包括顶板、纵肋，和上述带翻边的横肋，所述纵肋为闭口肋，包括一对镜像对称的肋板和底缘，所述纵肋与顶板底面固定连接；
22.所述横肋与纵肋垂直，所述纵肋穿过横肋的切口，所述横肋的翻边与纵肋外表面相贴合。
23.所述翻边与纵肋的横截面形状一致，所述横肋的上缘与顶板底面固定连接。
24.进一步地，所述翻边靠近顶板的上部与纵肋上部焊接连接，翻边下部与纵肋下部顶紧连接。
25.进一步地，所述翻边与纵肋的底缘横截面形状一致，所述翻边与底缘的外表面相贴合，且所述翻边与底缘焊接连接。横肋与纵肋下部连接，不直接与顶板的下表面焊接，纵肋肋板位于顶板与横肋之间，从沿桥轴方向看，纵肋起到了纵向加强筋的作用，从垂直于桥轴的横截面来看，纵肋肋板类似桁架腹杆、顶板和横肋类似桁架的上弦和下弦，横向形成有效的类桁架结构，形成横向有效传力结构。由于纵肋在纵桥向是通长布置的，该类桁架结构相对于传统板状的横肋，刚度小，对顶板的反作用小。
26.其次，相对传统纵肋、横肋、顶板复杂三向的连接结构，该连接方式为顶板、纵肋、横肋层叠式的构造，仅在纵肋的底部形成横肋与纵肋的插入式的交叉连接，焊接量小，安装方式简单，降低了施工难度和施工成本。同时，由于其高度方向较小，用钢量小，尤其适用于结构跨径之间的构造配置。
27.进一步地，所述相邻横肋的间距为1330mm至2700mm。类桁架似的横肋，横向间隔可采用较小的间距，达到一种柔性密梁构造，使得沿纵桥向的刚度差异小，经横肋结构分析结合车辆轴距的统计数据计算得出横肋间距宜采用1330至2700mm。这样的间距范围，能达到车辆前轴和相邻后轴之间的应力及应变最大概率的减少乃至相互部分抵消。
28.进一步地，所述横肋具有上翼缘。由于横肋与顶板非直接连接，横肋上缘脱空，其抗弯抗压及抗扭性能减弱，因此，在横肋上缘设置上翼缘，能够有效提高横肋性能。
29.进一步地，所述纵肋的肋板上端具有外翻的耳板。通过外翻耳板与顶板连接，连接方式更加多样化，不仅可以采用传统的焊接连接，也可采用螺栓连接等更加装配化的连接方式。
30.进一步地，所述翻边朝向车辆来车方向一侧。翻边朝向来车方向，能够抵抗来车方向的冲击能。
31.与现有技术相比，采用了上述技术方案的横肋和桥面结构，具有如下有益效果：
32.一、本技术的横肋在弧形切口边缘设置翻边，通过翻边包围或半包围纵肋，在纵肋
底部避免了传统底部开苹果孔造成的脱空，在桥面板的横桥向(y轴方向)和竖直方向(z轴方向)，翻边对纵肋的承托更强，形成更加刚性的支点，防止纵肋产生过大的扭转和畸变，有效降低纵肋的下挠；在纵桥向(y轴向)，由于纵肋下挠造成底部存在微小的位移，造成横肋与纵肋面外发生不一致的变形，本技术翻边与纵肋底部仅仅贴合连接，放开了纵肋底部的约束，大幅提高了纵肋和横肋连接构造的抗疲劳性。
33.二、由于翻边的宽度不受腹板厚度的限制，增加了接触面积，横肋与纵肋形成面面承托，降低横肋与纵肋连接部位应力。
34.三、同时翻边又作为横肋腹板的切口处翼缘，弥补了开设切口对腹板的刚度弱化。
35.四、本技术以母材成型翻边代替焊缝，又从根本上规避了横肋跟纵肋的焊接疲劳开裂，具有现实的经济意义。
附图说明
36.图1本技术实施例1钢桥面结构的立体结构示意图；
37.图2为本技术实施例1横肋的结构示意图；
38.图3为本技术实施例1桥面结构纵桥向平面结构示意图；
39.图4本技术实施例1桥面结构横桥向平面结构示意图；
40.图5为本技术实施例1具有外鼓段的横肋的平面结构示意图；
41.图6为图5的局部放大图；
42.图7为本技术实施例1横肋切口边缘局部翻边的结构示意图；
43.图8至图11为本技术实施例1采用不同构造下翼缘的横肋的结构示意图；
44.图12为本技术实施例1纵肋的结构示意图
45.图13为本技术实施例2横肋翻边为卷边的桥面结构的示意图；
46.图14为本技术实施例3的桥面结构的示意图。
47.附图标记：1、顶板；2、纵肋；21、肋板；22、底缘；23、耳板；3、横肋；31、横肋腹板；32、翻边；321、外鼓段；33、下翼缘；34、上翼缘。
具体实施方式
48.下面结合附图对本技术做进一步描述。需要说明的是，在本技术的描述中，术语“横向”，“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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技术和简化描述，并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技术的限制。
49.实施例1：
50.如图1所示为一种桥面结构，包括顶板1、纵肋2，横肋3，以纵桥向方向为x轴，横桥向方向为y轴，竖直方向为z轴，。
51.如图1和图12所示，纵肋2为闭口肋，纵肋2包括一对镜像对称的肋板21和底缘22，两个肋板21下端与底缘22连接，截面可采用u形、梯形，或如图12所示的具有弧形底缘22的v形。肋板21上端具有向外侧翻的耳板23，纵肋2通过外翻耳板23与顶板1固定连接，连接方式多样化，不仅可以采用传统的焊接连接，在钢混组合桥面中，也可采用螺栓连接等更加装配
化的连接方式。
52.如图2所示，横肋3包括横肋腹板31，横肋腹板31上开设用于纵肋2通过的切口，切口边缘具有与横肋3一体材料而成的翻边32。优选翻边32朝迎向车辆来车方向一侧，能够抵抗来车方向的冲击能。
53.如图3所示，横肋3还具有下翼缘33，下翼缘33由横肋腹板31下部折弯形成。横肋3下部通过折弯形成下翼缘33，与翻边32类似，不仅制作简便，同时整个横肋3为一体材料，通过母材代替了焊缝，规避焊缝带来的疲劳缺陷。
54.图8至图10为不同构造下翼缘33的示意图，下翼缘33断面可采用方便制作的“一”形、l形，也可采用小闭合截面，如图10、11所示，下翼缘33为由钢板围成的三角形，同时在三角形的闭合缝隙处不焊接或部分段焊，当横肋3受力变形时，三角形的下翼缘33顶紧缝隙，变形吸能，将荷载冲击转换为三角形截面的微变，减少焊缝，增加结构的柔韧性和应变性。
55.如图1、3所示，横肋3与纵肋2垂直设置，横肋3的长度方向与横桥向一致，纵肋2的长度方向与纵桥向一致，多个横肋3沿纵桥向并排间隔布置，多个纵肋2沿横桥向并排间隔布置，纵肋2穿过横肋3的切口，同时横肋3的翻边32与纵肋2外表面相贴合。
56.桥面结构中，纵肋2作为连续梁构造穿过横肋3，横肋3成为纵肋2的支点，故横肋3须具备支点的基本支承特性，在如图1所示的xyz三个方向上，纵肋横肋分别具有以下特点：
57.在横桥向y轴，横肋3作为支点，需在y向约束或固定纵肋2，可防止纵肋2过大滚动、扭转及畸变，尤其在跨中扰度较大区域。
58.在竖直向z轴，当桥面板受载荷作用时，横肋3需承托纵肋2，减小纵肋2下挠度，使该处成为有效刚性支点。
59.在纵桥向x轴，纵肋2受载荷下挠，类似纵肋2以顶板1为转动轴转动，约靠近顶板1，纵肋2在x轴方向的位移越小，在顶板处几乎无位移，而越接近纵肋2的底部，纵肋2在x轴方向的位移越大，该处如果纵肋2外表面与横肋腹板31进行焊接连接，连接处的焊缝撕裂，或引起横肋腹板的31的面外变形。因此，纵肋2底部应该尽量放开约束。传统做法中，往往通过在纵肋2底部位置的横肋腹板31开设苹果孔，放开纵肋底部约束。但横肋腹板31开孔不仅会弱化横肋刚度，同时横肋3无法对纵肋2底部进行很好的承托，进一步会增加纵肋2的下挠，即纵肋2在z向的位移过大，导致纵肋肋板21与横肋3连接处的焊缝的撕裂。
60.本技术实施例中，首先，横肋腹板31通过在弧形切口边缘设置翻边32，翻边32与纵肋2形成面面承托，翻边32的宽度不受腹板31厚度的限制，增加了接触面积，降低横肋3与纵肋2连接部位的应力及应力幅，解决传统横肋或横隔板承托纵2时，仅仅是横肋腹板板厚方向的与纵肋形成t形接头式的焊接，由于腹板31板厚较薄导致该处应力集中的问题；同时，翻边32又作为横肋腹板31的切口处翼缘，弥补了开设切口对腹板31的刚度弱化，使得该处形成更加刚性的支点，对纵肋2的承托更强，有效降低纵肋2在该处的下挠，大幅提高了纵肋2和横肋3连接构造的抗疲劳性。
61.其次，如图1所示，翻边32与纵肋2的横截面形状一致，翻边32沿纵肋外轮廓全包围纵肋，横肋3的上缘与顶板1底面固定连接。全包围式的翻边32进一步提高了横肋作为支点的承托性能，有效减小纵肋受载荷时的下挠，从而降低支点处疲劳开裂发生的概率。同时，翻边32靠近顶板1的上部或上段与纵肋2焊接连接，翻边32下段与纵肋2下部顶紧连接。在底部挠度大的区域无焊接，纵肋2与横肋3仅采用顶紧连接，释放了纵肋底部y向的约束，消除
了焊接产生的疲劳问题。进一步地，翻边32以横肋腹板的母材弯折成型，减少了复杂的焊道，又加宽了承托面积，减少应力，从根本上规避了横肋跟纵肋的焊接疲劳开裂，具有现实的经济意义。
62.如图2、3所示，翻边32为垂直于横肋腹板31平面向外延伸的直边，能够保证翻边32内表面与纵肋2外表面完全贴合，翻边32宽度为d，优选d≥10mm，较大宽度的翻边32能够成倍的增加与纵肋2的接触面积，应力也相应幅度的减小。
63.如图4、5所示，在翻边32与纵肋肋板21贴合的区域设置外鼓段321。纵肋2和横肋3连接处是整个正交异性桥面板构造和应力变化最复杂的位置，该处既是纵肋2的支点，又是在工作运行当中受力最频繁的点，因此纵肋肋板21受力最频繁，最容易屈曲。翻边32与纵肋肋板21紧贴的情况下，纵肋肋板21一旦屈曲，只能向内侧发生，而向内屈曲因为纵肋2内侧无约束，屈曲无法控制。给纵肋2留有一定的向外屈曲储备空间时，该向外屈曲的50％的概率就会按照我们希望的方式发生，即一旦发生屈曲，向外侧屈曲成为大概率发生的常态，外侧由于翻边始终顶住且环抱约束纵肋，从而能保持稳定状态。图6为图5的局部放大图，外鼓段321为优选为弧形，外鼓最大高度a，a为0.5～5mm。
64.图7为横肋腹板31切口边缘局部设置翻边的示意图，除了如图1、2所示的翻边32沿切口边缘连续的全范围设置，对于一些非受力敏感区域，也可在切口边缘局部设置翻边。
65.实施例2：
66.如图13所示，本技术实施例2中的桥面结构，与实施例1区别在于，横肋3的翻边32为截面为弧形的卷边，采用卷边与直边型的翻边32不同，虽然在与纵肋2的接触面积上，卷边相对直边的贴合面积少，但卷边具有一定的弹性变形空间，横肋3与纵肋2连接时，可将纵肋2压入横肋3的切口，由于卷边的弹性变形，使纵肋和横肋在连接时具备一定的容错性，对尺寸精度的要求相对于直边更低，能够有效提高装配效率。
67.实施例3：
68.如图14所示，为本技术实施例3的桥面结构的示意图；与实施例1的区别在于，实施例3中，翻边32与纵肋2的底缘22横截面形状一致，纵肋2与横肋3连接时，横肋3的上缘与顶板1的底面不直接连接，横肋3仅与纵肋2形成半嵌入式的连接。翻边32内表面与底缘22外表面相贴合，且翻边32与纵肋2通过焊接固定连接。翻边32与底缘22贴合区域优选采用四周闭合的围焊。
69.本技术实施例3中桥面结构的横向形成类桁架构造，且横肋3与纵肋2下部连接，不直接与顶板1的下表面焊接，纵肋肋板21位于顶板1与横肋3之间，从y向即纵桥向看，纵肋2起到了纵向加强筋的作用，从垂直于桥轴的横截面来看，纵肋肋板21类似桁架腹杆、顶板1和横肋3类似桁架的上弦和下弦，横向形成有效的类桁架结构，形成横向有效传力结构。由于纵肋2在y像即纵桥向是通长布置的，该类桁架结构相对于传统实腹板式的横隔板，刚度小，对顶板的反作用小，相对于传统横隔板，其横向间隔可采用较小的间距，达到一种柔性密梁构造，使得沿纵桥向的刚度差异小。经分析国内车辆的前后轴距的统计数据，认为当横肋间距≤3100时，横肋合理间距应当是货车车辆后轴轴距的函数关系，经计算当横肋间距≤单元轴距统计值(1330mm)，即重载货车的后三轴为2700mm的1倍、1.5倍速、2倍时，作为连续梁的纵肋在相邻横肋上的弯矩、面外应变和应力平衡的效果较好，或者称一辆车通过时的应力幅的主峰和次峰值均较低。因此，较密的横肋的最佳间距宜≤2700mm，且大于等于
1330mm。
70.相对实施例1中纵肋2、横肋3、顶板1三者相互的连接结构，该连接方式为顶板1、纵肋2、横肋3层叠式的构造，仅在纵肋2的底部形成横肋3与纵肋2的插入式的交叉连接，与结构复杂、焊接量大的插入式的交叉连接不同，横肋腹板31不需要与纵肋2上部和顶板1均焊接，自然消除了嵌入连接的复杂构造、大工作量、复杂应力和应变及疲劳开裂等多种问题，安装方式简单，降低了施工难度和施工成本。
71.同时，该桥面结构中纵肋的肋板作为横向构造和纵向构造共用件，大幅减少用钢量。以上，横肋优化构造充分发挥轻量化、少焊接、快安装优势，单元件同步制作，形成大刚度纵肋，柔密横肋的构造，使得55000cm4左右惯性矩纵肋的结构跨径可达10米及以上，横肋使纵肋跨径理论无限，且使得结构各向异性缓解，该结构尤其适用于结构跨径之间的构造配置。
72.实施例1中，由于横肋3上缘与顶板1固定连接，顶板1成为横肋的上翼缘，而本实施例中，由于横肋3与顶板1非直接连接，横肋2的上缘脱空，其抗弯扭性能减弱，因而在横肋3上缘设置上翼缘34，能够有效提高横肋抗弯扭性能。
73.以上所述为本技术的优选实施方式，对于本领域的普通技术人员来说不脱离本技术原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为本技术的保护范围。