正交異性板疲勞分析及構造細節改進設想

蔣 永，陳惟珍，錢 驥

(同濟大學橋梁工程系，上海 200092)

0 引 言

正交異性鋼橋面板具有材料利用率高、適用范圍廣、承載能力大、結構高度低、施工周期短等諸多特點.由于這種結構性能優異、節省材料，緩解了二戰后建筑鋼材緊缺的困境，因而受到世界各國歡迎[1].

圖1 鋼橋面頂板與U肋腹板間焊縫疲勞開裂Fig.1 Fatigue cracking in the weld between the steel deck roof with U rib web

但是，在大規模建設背后隱藏著巨大弊病，目前表現最突出的是正交異性板上出現的疲勞裂紋(如圖1所示).最早發現正交異性板開裂是在英國的Severn橋，該橋建于1966年，并分別于1971年和1977年發現了3種焊縫細節疲勞開裂，發現病害時距該橋建成不超過6年時間.早前德國的Haseltal橋和Sinntal橋同樣在投入使用不久就出現了疲勞裂紋.此后日本、美國等國家也陸續在正交異性板上發現了疲勞裂紋[2].雖然國內使用正交異性板的歷史較短，但由于交通量和車輛載重持續快速增長，亦已在多座橋梁的正交異性鋼橋面板中發現疲勞裂紋，諸如廣州虎門大橋、江陰長江大橋、廈門海滄大橋等[3].

1 正交異性鋼橋面板疲勞細節失效模式分析

正交異性板疲勞壽命評估需要確定疲勞驗算點，找到合理的疲勞失效模式可以盡可能的避免疲勞失效現象的產生.結合一些研究文獻[2,4-5]及工程實例中出現的疲勞特征，可以發現幾種典型的疲勞易損點及其失效模式.

1.1 縱肋與頂板的連接

閉口縱肋與頂板之間只在外側有一條單邊角焊縫，在車輪的作用下面板會發生轉動，焊縫受彎曲拉應力，如果焊縫處理不當就會在焊縫邊緣引起應力集中，容易引發疲勞裂縫.頂板裂紋出現在輪載下的縱肋與橫梁交叉處，裂紋在焊縫根部產生，以一定斜度在豎向發展，一旦裂紋出現，則沿其長度方向擴展，在兩個橫梁間貫通[6]，具有如下失效模式(圖2).

CR-D-1：裂紋起于縱肋焊趾，向縱肋厚度方向擴展；

CR-D-2：裂紋起于頂板焊趾，向頂板上表面方向擴展；

CR-D-3：裂紋起于焊根，大致沿著焊喉方向擴展.

圖2 縱肋與頂板連接處裂紋Fig.2 Fatigue cracking in the junction of longitudinal ribs and roof

1.2 縱肋與橫梁的連接

面板和縱肋可視為彈性連續支承在橫梁上的連續梁，縱肋反復撓曲迫使橫梁產生面外反復變形，當該面外變形受到約束時，將產生很大的彎曲次應力.另外，橫梁本身受車載會產生豎向撓曲變形，由于橫梁腹板上存在弧形缺口，在缺口周邊將產生較大的面內彎曲應力和剪應力，弧形缺口上復雜的應力狀態使得該處經常出現疲勞裂紋，具有如下失效模式(圖3).

CR-TR-1：裂紋起始于縱肋與橫梁腹板連接焊縫下端，之后沿焊縫方向在縱肋擴展；

CR-TR-2：裂紋起始于縱肋下端的橫梁腹板弧形缺口處，大致沿橫梁腹板橫向或斜向擴展；

CR-TR-3：裂紋起始于縱肋與橫梁腹板連接焊縫下端，之后沿焊縫方向在橫梁擴展.

圖3 縱肋與橫梁交叉連接處裂紋Fig.3 Fatigue cracking in the junction of longitudinal ribs and beams

1.3 縱肋的對接

縱肋受彎曲和扭轉效應共同作用，再加上現場對接焊一般為仰位焊， 焊接質量不易保證， 該處多是由于彎曲作用導致縱肋底部焊縫在順橋向應力反復作用下產生疲勞裂紋[7]，當縱肋下翼緣板裂透之后，裂紋就會沿著縱肋腹板對接焊縫向上擴展，直至縱肋全部裂斷，具有如下失效模式(圖4).

CR-CR-1：裂紋起源于縱肋下翼緣板與鋼襯墊板焊縫處，大致沿著焊縫方向向外擴展；

CR-CR-2：裂紋起源于縱肋下翼緣板對接焊縫焊根處，大致沿著焊縫方向向外擴展；

CR-CR-3：裂紋起源于縱肋下翼緣板對接焊縫焊趾處，大致沿著焊縫方向向內擴展.

圖4 縱肋對接焊縫處裂紋Fig. 4 Fatigue cracking in the junction of longitudinal ribs and longitudinal ribs

2 正交異性板驗算實例

2.1 工程概況

實例工程為山東省濱州境內G205國道某大橋，主橋橋跨結構為連續栓焊鋼桁架，主桁采用平行弦三角形體系，正交異性鋼橋面板縱橋向每8 m一個節間，橫梁間距2 m，橫梁下翼緣與桁架橋縱、橫梁上翼緣采用高強螺栓連接.

2.2 有限元模型的建立

正交異性鋼橋面板與桁架橫梁連接處直接施加位移約束，采用殼單元對鋼橋面板各個組成部分進行離散，鋪裝層底面實體單元節點與頂板殼單元節點直接按照節點連續方法來處理，鋼橋面鋪裝采用空間實體單元進行離散，有限元模型如(圖5).

圖5 有限元模型圖Fig.5 Finite element model

正交異性鋼橋面板各個部件均采用Q345qD鋼材，橋面鋪裝層為雙層SMA瀝青混凝土，按照彈性材料模擬[8].有限元模型中主要材料物理參數見表1.

表1 鋼材和鋪裝層的主要物理指標Table 1 Material constants of steel and pavement layer

2.3 軸載譜的建立及加載工況

通過對該橋進行連續30 h應力監測，對數據進行信號處理后，利用編制的程序反算軸重和車輪橫向位置，如圖6、圖7所示，從圖中明顯看到，實測車輛軸重要高于國外規范值.計算過程分成兩個工況進行加載，加載工況和橫向加載位置見表2.

圖6 軸重分布圖Fig.6 Axle load distribution

圖7 車輪橫向位置分布圖Fig.7 Horizontal position distribution of wheel

2.4 疲勞驗算點的選取

結合前文對疲勞驗算點的分析，選取典型的疲勞細節進行疲勞壽命計算.縱肋對接焊縫處選取7號肋(ZZ1)和6號肋(ZZ2)的跨中位置(如圖8)；縱肋與橫梁腹板焊縫的疲勞驗算選取及編號如圖9所示；縱肋與頂板焊縫細節驗算7、8號縱肋，縱向位置分別為跨中及主橫梁位置(圖10).

2.5 疲勞壽命驗算

疲勞壽命驗算采用三種方法，分別為簡化法計算Eurocode[9]等效軸重、BS5400[10]等效軸重作用下鋼橋面板各細節的疲勞壽命，及根據現場實測數據，利用抽樣法計算鋼橋面板各細節的疲勞壽命，計算結果如表3～表5所示.

表2 輪跡線加載位置Table 2 Loading position

圖8 縱肋對接焊縫疲勞細節示意圖Fig.8 Longitudinal ribs butt weld

圖9 縱肋與橫梁腹板焊縫疲勞細節示意圖Fig.9 Longitudinal ribs and beam web weld

圖10 縱肋與頂板焊縫疲勞細節示意圖Fig.10 Longitudinal ribs and roof weld

疲勞細節驗算點編號疲勞細節/MPa等效應力/MPa循環次數/(次/月)100年損傷度/DU肋底板焊縫ZZ1ZZ29037.6436.9775 5617 0240.860.07U肋與橫梁腹板焊縫ZH4ZH880N/AN/AN/AN/A0.000.00U肋與頂板焊縫ZD2ZD4ZD6ZD871N/AN/A37.7934.62N/AN/A8 0039 5780.000.003.020.24

表4 BS5400等效軸載疲勞壽命計算結果Table 4 Fatigue life calculations under 8 tons of equivalent axle load in the BS5400

表5 實測軸載下疲勞壽命計算結果Table 5 Fatigue life calculations under a bridge wheel load

由表3～表5中疲勞壽命驗算結果可知，對于現有設計來說，如果按照Eurocode或BS5400等規范進行驗算，基本上各個疲勞細節的使用壽命均可以達到橋梁設計基準期，但如果按照該橋實測軸載進行疲勞驗算，縱肋對接焊縫、縱肋與頂板焊縫細節均不能夠滿足設計要求.這說明我國國情與國外有一些差別，車輛超載嚴重，鋼橋面板疲勞問題突出，需要制定適用于我國公路狀況的軸載譜，并對現有鋼橋面板結構進行優化.

3 正交異性板構造細節改進設想

正交異性鋼橋面板研究不斷深入和完善的同時，越來越多的工程實踐也不斷積累著寶貴的實踐經驗.由此，正交異性鋼橋面系結構也出現了一些新的構思，現總結一二，以資借鑒.

改進1：將縱向加勁肋改為軋制,參見圖11(b).增大縱向加勁肋高度和底板厚度以提高剛度，從而減少肋的數量實現減少焊縫的目的；同時增加縱肋上緣厚度提高焊接熔深，以提高焊縫疲勞抗力.

改進2：將頂板與加勁肋合為一體軋制，并將焊縫移到疲勞受力較小位置的方案，參見圖11(c)與(d).圖11(c)表明頂板與加勁肋一體軋制，將焊縫移到頂板處；圖11(d)表明頂板與U肋的腹板一體軋制，而U肋的腹板與底板采用焊縫連接.

圖11 加勁肋焊縫優化方案Fig.11 Optimization scheme of stiffener weld

4 結 語

通過對正交異形板疲勞易損部位的分析，選用三種不同的軸載條件驗算構造細節的疲勞壽命，結果表明，根據國外的軸載規范要求，該橋疲勞驗算點壽命能夠滿足要求，但是按照實測軸載進行疲勞驗算，縱肋對接焊縫、縱肋與頂板焊縫細節則均不能夠滿足要求，說明我國國情與國外有一些差別，車輛超載嚴重，鋼橋面板疲勞問題突出.通過橋面體系結構優化能提高一些構造細節的疲勞壽命，但優化設計的目的也不是為了完全滿足現有交通荷載的需要，這是不現實也是不經濟的，還需要從公路交通運營管理制度方面進行考慮，綜合確定采取何種對策來解決這一突出問題.

參考文獻：

[1] 趙欣欣, 劉曉光, 張玉玲. 正交異性橋面板設計參數和構造細節的疲勞研究進展[J]. 鋼結構, 2010,25(8):1-7.

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[3] 《中國大橋》編寫組.中國大橋泣[M]. 北京:人民交通出版社，2003.

[4] 童樂為,沈祖炎．正交異性鋼橋面板疲勞演算[J]．土木工程學報，2000， 33(3)：16-70.

[5] Cuninghame T R．Fatigue classification of welded joints in orthotropic steel bridge decks[R]．TRRL Research Report 1990,259.

[6] 錢冬生.關于正交異性鋼橋面板的疲勞[J].橋梁建設，1996(2):8-13.

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[8] 何平．鋼橋橋面鋪裝力學特性深入分析[D].南京:東南大學，2003.

[9] European committee for standardization. ENV 1993-2 Eurocode 3：Design of steel structures[S].1997.

[10] 英國標準BS5400.鋼橋、混凝土橋及結合橋[M].成都：西南交通大學出版社，1986.