第一作者简介：吴家俊(1979-)，男，本科，高级工程师。研究方向：公路、铁路桥梁、塔架、船舶等用热轧钢材设计开发。
通讯作者：郭洪亮（1971-），男，本科，高级工程师。研究方向：公路、铁路桥梁、塔架、船舶等用热轧钢材工艺与检验。
摘要：带U肋纵筋的正交异性钢桥面体系在公路钢桥上得到广泛应用，但频繁出现的疲劳裂纹迫使工程界提出了许多改进方法，采用热轧变厚度U肋替代常用的冷弯等厚度U肋是创新措施之一。探讨了热轧变厚度U肋的技术特点，包括热轧U肋的几何参数、力学性能、焊接性、疲劳性能、经济性等。制造工艺方面，在普通热轧型材成熟的轧制工艺基础上，利用专业软件DEFORM模拟超薄U肋成型、热处理及机械加工的全过程，再利用微型轧机对缩径后的U肋进行试轧，经过试轧调整后完成辊道设计。目前，热轧变截面U肋已在十余座大型桥梁工程中使用，显示出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
介绍
正交异性钢桥面体系最早由德国工程师于20世纪50年代发明，由于其采用正交布置的纵、横加劲肋，不仅能直接承受车辆轮荷载，还能增强加劲梁整体的抗弯能力，因此已成为现代钢桥面体系中的典型结构。特别是在大跨度缆索承重桥中，以U肋纵向加劲的正交异性钢桥面结构得到广泛应用[1]。U肋作为正交异性钢桥面的重要组成部分，与正交异性板的其他板件共同构成了轻质高效的桥面结构[2]。U肋纵向平行布置在钢箱梁顶板和底板内侧，与顶板、底板采用全熔透角焊缝焊接。
21世纪以来，伴随着我国桥梁建设的快速发展，正交异性钢桥面也在中国钢桥上得到了广泛的应用。然而，在很多承担重载交通量的桥梁上，疲劳裂纹已经成为一种常见的质量缺陷[3]。为此，桥梁工程界针对现行正交异性钢桥面设计提出了很多改进措施，如加厚桥面钢板、改变焊缝形式、加强局部刚度、改变桥面铺装等。此外，工程界逐渐意识到现行U肋几何形状和制造工艺存在改进的空间。本文结合相关研究，探讨正交异性钢桥面变厚度热轧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
理论上，U肋的几何设计应根据桥面体系整体受力情况和局部轮压要求确定。最常用的等厚U肋为300 mm×300 mm×180 mm×8 mm，其外形尺寸为：上开口宽度B1=300 mm，高度H=300 mm，底部宽度B2=180 mm，壁厚t=8 mm，标记为UG 300 mm×300 mm×180 mm×8 mm。设置U肋的钢箱梁顶板厚度一般为12~18 mm，U肋中心距为600 mm。
随着热轧技术的发展，热轧U肋侧翼板端部设置了渐变加厚段，图1为加厚U肋的典型断面及尺寸标识，其断面外轮廓与等厚U肋大体一致。加厚段高度h1≤80mm，渐变段高度h2≤80mm，侧翼加厚t1-t≤8mm，底板加厚t2-t≤8mm。相关参数的取值见表1。
图1 热轧加厚U肋截面几何尺寸
表1 热轧变厚度U肋常用截面尺寸
以UG 300 mm×300 mm×180 mm×8D和UG 300 mm×300 mm×180 mm×8B模型为例，二者的相关参数对比见表2。由表2数据可以看出，局部加厚的U型肋，虽然每延米重量增加了4.6%，但是截面惯性矩却增加了12.1%，也就是正交各向异性板的截面刚度明显增强。
表2 等厚度U肋与变厚度U肋基本参数对比
注：D 表示等厚度，B 表示变厚度。
1.2 热轧U肋试样的力学性能
为保证成品热轧U肋的力学性能，要求在轧制后，沿轧制方向在热轧U肋翼缘靠近肢端的1/3处取样，力学性能试验指标如表3[4]所示。
表3 热轧U肋的力学性能
注：冲击试验在 10 mm × 5 mm × 55 mm 小尺寸试样上进行。
1.3 热轧U肋的焊接性
热轧U肋对焊接性的改善可以从几何形状和制造工艺两个方面来解释。
从几何形状上看钢结构通讯设计，可以增加U肋与顶板焊缝附近的壁厚，并在加厚段的顶部设置支撑平面，以增大其与钢箱梁顶板的接触面积；而且，由于热轧变截面U肋坡口形状一致，有利于提高焊接时的定位精度和二者配合的紧密性，也有利于提高全焊透角焊缝的焊接质量，提高U肋本身与桥面的焊接协调性和受力一致性。
从制造工艺上看，目前工程上采用的U肋制造方式分为冷弯和热轧两种形式。冷弯的原材料为热轧平板或卷材，虽然板材厚度均匀，底板、侧翼板厚度不变，但是底板与侧翼板连接的圆角位置厚度会变薄，并且随着弯曲半径的减小，厚度减薄率增大。同时圆角位置存在冷作硬化区。显然冷弯U肋的结构无法加强受力部位的承载能力，容易在薄弱部位发生破坏。热轧是通过坯料加热、高压水脱磷、粗轧、精轧、矫直、定尺切割、铣削等工序完成的。在使用过程中，避免了U肋因冷弯而导致弯曲部位残余应力大的问题，但焊接后的等截面缺陷并未得到有效治愈。
1.4 热轧加厚U肋疲劳性能
实践表明，纵向U肋与钢桥面、横隔板相交处易出现疲劳裂纹，热轧加厚U肋疲劳性能的改善一般通过有限元热点应力分析及局部桥面疲劳荷载试验来评估，如图2所示。
图2 热轧加厚U肋疲劳载荷试验
参考文献[5]基于《公路钢结构桥梁设计规范》中疲劳荷载单车模型[6]，对正交各向异性板进行分段精细化有限元分析，得到疲劳脆弱部位及对应的最不利加载位置，并对热轧U肋结构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肋肢端及横隔板开口处的应力集中，可减小轮载作用下顶板的局部挠度。同时，建议热轧U肋的加厚高度为h=40 mm，当U肋基本厚度为t=8 mm时，边翼板及底板均加厚△t1=△t2=4 mm。
文献[7]针对厦门第二东通道跨海钢箱梁桥采用的热轧加厚U肋与顶板双面焊的结构细节进行了基于热点应力法的疲劳性能评估。结果表明：与8 mm厚U肋相比，热轧加厚U肋可明显降低隔板处顶板焊趾处和U肋与隔板焊缝端部U肋焊趾处的热点应力幅，分别降低了19%和20%，并缓解了隔板处顶板焊趾附近的应力集中。
1.5热轧U肋的经济性
目前工程上采用的冷弯U型肋主要采用TMCP（热机械轧制控轧控冷工艺）钢板制成。TMCP工艺无需添加过多合金元素、无需复杂的后续热处理即可达到高强度、高韧性的性能指标，但在弯曲过程中会产生变形，经火焰矫正后其性能指标会降低；另外冷弯U型肋受制于钢板采购周期长、切割损耗约4%、弯曲效率受设备能力限制（每台弯曲机能力约70～80吨/天）。综合考虑以上因素，其成本结构=钢板采购费+运费（到加工厂）+冷弯加工费（含钢板损耗）+运费（到结构厂）。
热轧U肋由钢坯热轧一次成型，成品定尺切割，损耗微乎其微，材料利用率接近100%，平均轧制能力约1500吨/天。其优点是完全按照设计规定的材质、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和工作量，大大降低了加工成本，也为缩短桥梁工期提供了材料供应保障；轧制生产线上可采用超声波在线探伤设备严格控制产品质量。成本结构=坯料成本+轧制成本+运费（运至结构厂）；同时热轧工艺适合标准化连续生产，随着同规格、同型号需求量的增加，生产成本（能耗、设备折旧等）将明显降低。
2热轧变厚度U肋制造工艺研究
2.1精轧工艺要点
U肋从外观上看，截面简单，成型容易，看似与板材的轧制相似，但实际上，其轧制原理和轧制设备完全不同。在U肋热轧成型过程中，保证截面厚度的均匀性极其重要，保证侧翼板端部变厚位置的高度也非常关键。首先根据设计及供货要求，参考与热轧U肋产品类似的热轧U型钢及矿山巷道支护用热轧U型钢板桩产品的工艺特点，利用DEFORM软件模拟孔型中U肋成型的演变过程，再利用微型轧机试轧缩小版的U肋，经过反复优化设计方案、试轧调整，最终完成辊孔型设计。其次，在轧制过程中对万能轧机的精确调整尤为重要。在为后续铣削加工预留适宜加工的侧翼板变厚位置高度的同时，能够获得U肋稳定的对称性，有效保证热轧U肋后续焊接的稳定性。
2.2 制造工艺
行业内现有的U肋产品大致分为滚弯、折弯两种钢结构通讯设计，均为冷弯工艺，热轧产品在国际上尚属空白领域。U肋由钢坯热轧一次成型，易实现变截面结构。在轧后矫直工序中，采用平矫和纵矫两种方式，降低U肋残余应力，有效缓解焊接时局部变形，提高抗疲劳性能。
热轧加厚U型肋的工艺流程如图3所示。钢坯为钢水经炉内精炼（LF）、真空脱气（VD）后，用连铸机浇铸得到的矩形截面方坯。热轧过程中，钢坯经步进梁式加热炉加热，高压水除鳞去除氧化皮，再经两辊可逆式粗轧机（BD1和BD2）和精轧机轧制。半成品U肋经热锯切割，再经带锯精切、专用铣床修边、二次矫直等工序成型，经质量检验后，最终得到合格的U肋成品。
图3 热轧U肋工艺流程
热轧U肋生产线部分现场景象如图4所示。
图4 轧制生产线实景
3 工程应用
近年来，随着热轧U肋的良好力学性能和经济性开始被桥梁行业所认可，许多钢桥已采用热轧等厚U肋或热轧变厚U肋[7-8]。这些桥梁的主要结构形式包括钢箱梁桥、连续钢桁桥的桥面体系以及悬索桥和斜拉桥的加劲梁，在制造上可采用与钢箱梁相同的材料。部分应用实例如表4所示。
表4 热轧加厚U型肋在桥梁工程中的应用示例
4 结论
由于我国桥梁工程建设和革新的需要，热轧U肋产品属国内首创，国际上尚属空白。不等厚热轧U肋在制造工艺和结构上对传统冷弯等厚U肋进行了创新性改进，主要经济技术优势如下：
（1）热轧工艺可消除传统冷弯工艺产生的残余应力，有利于提高焊接质量，延长失效时间，有效提高桥面的疲劳寿命。
(2)非均匀厚度热轧U肋的制造工艺使得桥梁设计时可以根据桥面受力要求优化U肋的几何结构细节，从而减少应力集中。
（3）国内外尚无热轧U肋的标准化体系。从发展角度看，热轧U肋在能源利用率、生产效率、采购难度、采购成本、工程周期等方面具有明显的优势。
参考：
［1］Mangus AR, Sun S. 正交异性桥面桥梁. 桥梁工程手册[M]. Wai-Fah Chen, Lian Duan 编，博卡拉顿：CRC Press，2000.
［2］正交异性钢桥面设计、施工和维护手册[R].报告编号:FHWA-IF-12-027,2012.01.01.
［3］张庆华, 达乐天, 李俊, 等. 新型纵肋与顶板双面焊接结构细节疲劳强度问题［J］. 中国公路学报, 2022, 35(8): 162-174
［4］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 20015—2021［S］，北京：人民交通出版社有限公司，2021。
［5］ 常志军, 金秀南, 吴家俊, 等. 热轧正交各向异性变厚度板 U 型肋结构细节优化［J］. 金属功能材料, 2022, 29(4): 84-91.
［6］公路钢结构桥设计规范：JTGD64—2015［S］，北京：人民交通出版社，2015。
［7］盛荣荣,刘玉清,董小强,等.热轧加厚U肋钢桥面疲劳机理分析［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肋工艺中的应用——以厦门翔安大桥为例［J］. 福建交通科技，2022, 197（8）：68-71.
热轧变厚度钢板的技术特点及生产工艺
正交异性桥面 U 型肋
吴家军、洪泽、郭洪亮
（辽宁紫竹集团，鞍山 114000）
摘要：U型肋纵向加劲正交异性钢桥面板在公路钢桥上得到广泛应用，但针对其疲劳裂纹问题，目前已提出很多改进措施，其中一项创新措施就是将目前普遍使用的冷弯U型肋替换为热轧变厚度U型肋。本文对热轧变厚度U型肋的技术特点进行了较为深入的阐述，包括热轧U型肋的几何参数、力学性能、焊接性、疲劳性能、经济性等。
为满足该类U肋在制造过程中板厚薄、精度要求高等特点，在普通热轧型材成熟的轧制工艺基础上，采用专业软件DEFORM对薄壁U肋成形、热处理、机加工全过程进行模拟，并利用微细轧机对缩径后的U肋进行试轧，经试轧调整确定压型辊。目前，变厚度热轧U肋已在十余座大型桥梁工程中得到应用，显示出一定的经济技术优势。
关键词：钢桥；正交异性钢桥面；热轧U肋；制造工艺；钢桥疲劳
中图分类号：U448.36；TG335.11
商品编号：2097-017X (2023) 02-0014-05
资助项目：国家重点研发计划项目（2017YFB0304805）
