超大跨徑斜拉橋鋼結構疲勞監測與評估

何 江

（中國中鐵七局集團第三工程有限公司，陜西咸陽 712000）

0 前言

鋼橋或組合橋梁在交通荷載反復作用下，將使鋼構件產生疲勞，當疲勞損傷達到一定程度時，將會威脅橋梁結構的整體安全性。目前針對鋼橋的疲勞設計和評估，廣泛采用的是基于S-N曲線的名義應力法。但使用的S-N曲線必須與特定的焊接細節相對應，由于有效的疲勞試驗數據極其匱乏，難以建立眾多焊接細節的疲勞壽命S-N曲線，設計時又常存在判斷焊接細節類型的混亂，甚至誤判和錯判。目前，在鋼結構橋梁疲勞狀況評估中，對于疲勞應力譜的建立，可采用的方法有兩種：一是通過對交通量的調查或預測，根據所得各類車型荷載參數模擬橋梁疲勞荷載譜，計算得到疲勞應力譜；二是在橋梁較易發生疲勞破壞的位置布置測量元件，測試正常運營期間各測點的疲勞應力歷程，再基于雨流計數獲得疲勞應力譜。由于疲勞荷載譜法是建立在對交通量調查和預測的基礎上的，其所得結果往往與正常運營期間的實際疲勞應力譜相差甚遠[1]。

因此，如何通過在關鍵位置布點測試應力歷程，獲得蘇通大橋運營期間的疲勞應力譜是實現其疲勞狀況評估的首要問題。本文通過現場測試并結合詳細的理論計算分析，掌握超大跨徑斜拉橋鋼結構的疲勞狀況，為大橋的養護管理提供必要的技術依據。

1 工程背景

某斜拉橋為：100 m+100 m+300 m+1088 m（中跨）+300 m+100 m+100 m的雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，主梁采用扁平流線形鋼箱梁。頂板在順橋向不同區段采用了14～24 mm不同的厚度，橫橋向靠近外腹板2.55 m范圍內采用了20 mm、24 mm兩種厚度，頂板設置了8～10 mm厚的U型加勁肋；底板在順橋向不同區段采用了12～24 mm不同的厚度，并設置了6～8 mm厚的U型加勁肋。鋼箱梁內設置了橫隔板，其標準間距為400 cm。非吊點處橫隔板一般為10 mm厚，拉索吊點處橫隔板采用變厚度，即外腹板附近為16 mm厚、中間為12 mm厚。鋼箱梁內設置兩道縱隔板，除豎向支承區、壓重區和索塔附近梁段采用實腹板式外，余均為桁架式。斜拉索在主梁上的錨固采用錨箱式，錨箱安裝在主梁腹板外側，并與其焊成一體。主梁采用Q370qD和Q345qD鋼材，鋼材屈服強度及其相關容許應力隨板厚變化根據GB/T714－2000規定執行。索塔采用倒Y形混凝土塔，上塔柱為對稱單箱單室斷面，壁厚在斜拉索錨固面為100 cm，非錨固面為120 cm。斜拉索在索塔上的錨固，第1～3對直接錨固在上塔柱的混凝土底座上，其他采用鋼錨箱錨固。鋼錨箱包裹在上塔柱混凝土中。鋼錨箱采用節段制作，節段長711.8～851.7 cm，寬 240 cm，高 230～355 cm，節段間采用高強螺栓連接；鋼錨箱與索塔之間側向接觸面采用剪力釘連接，最下端直接支撐于混凝土底座上。

2 疲勞監測點布設與測試內容

2.1 測試部位與測試內容

根據大橋整體和局部受力分析以及動靜載試驗結果[2]，并考慮到測試的經濟性，選擇以下部位作為測試區域：（1）中跨鋼箱梁板厚變化及U肋厚度最小處（S1，距北塔332.8 m），該部位U肋厚度最小、鋼板厚度變化，且動靜載試驗中其實際應力大于設計計算值。（2）中跨拉索應力變化較大的J33索處上游鋼錨箱（S2），J33索是最大索力之一，拉索索力變化較大；該索梁錨固區各部位（含聯結腹板）的應力與計算應力水平相當，但實際應力分布規律與現有理論分析模型的計算結果存在一定的差異。（3）北塔鋼錨箱（S3，對于2#索），是典型的索塔鋼錨箱，是關鍵受力部位之一。測試斷面布置如圖1所示。

圖1 測試斷面布置示意圖（單位：cm）

測試內容包括：（1）鋼箱梁頂、底板與U肋焊接節點焊縫周圍：頂、底板應力及U肋應力；（2）索梁鋼錨箱承壓板與箱梁外腹板焊縫周圍：承壓板及外腹板的應力；（3）索梁鋼錨箱上、下錨固板與箱梁外腹板焊縫周圍：錨固板及外腹板的應力；（4）索塔鋼錨箱底板和腹板的應力。

2.2 測點布置

在鋼箱梁測試斷面S1的上下游分別選擇縱隔板附近的頂板U肋及底板U肋作為測試區域，測點布置[3]如圖2所示。

圖2 底板及底板U肋測點布置示意圖

考慮到斜拉索索力最終是通過鋼錨箱的承壓板、上錨固板及下錨固板與箱梁外腹板的焊縫傳遞給外腹板，索梁錨固區鋼錨箱的測點主要沿著焊縫的縱向布置；在鋼錨箱底板和腹板上分別布置三向應變花，同時沿著兩板件的豎向焊縫布置垂直于焊縫方向的單向應變片（見圖3）。

圖3 索梁及索塔錨固區測點布置示意圖(單位：mm)

3 監測結果分析

3.1 應變時程分析

對斜拉橋鋼箱梁、索梁錨固區鋼錨箱，以及索塔錨固區鋼錨箱等關鍵部位分別進行了連續48 h的疲勞應力監測。圖4為各關鍵部位不同時刻的應變歷程。由圖4可知：上午9點到下午5點，應變峰值較其他時間段內要大，且應變出現峰值的次數較多；鋼箱梁靠近焊縫的測點應變大于遠離焊縫的測點，反映出焊縫附近的應力集中效應；鋼箱梁的應力水平明顯大于索梁、索塔錨固區的鋼錨箱。鋼箱梁的應變值基本在40με以內，但在某瞬時應變值能達到120με以上，突顯出重車對橋梁結構的影響遠大于一般車輛；索塔錨固區鋼錨箱應力水平較低，應變值基本都在15με以內。

3.2 應力幅譜分析

對鋼箱梁、鋼錨箱分別取其連續24 h的應變監測數據作為考察對象，基于雨流計數法編制程序對應力時程進行統計計數，獲得大橋正常運營期間鋼箱梁和鋼錨箱1 d的應力譜。表1為鋼錨箱主要測點的應力幅及相應的循環次數。在表1中，雖然鋼箱梁頂板測點的最大應力幅達到50 MPa以上，但其作用次數只有四次，其他高應力幅值的循環次數也較少，因此，為了方便比較，圖5、圖6只列出鋼箱梁主要測點2～10 MPa之間循環次數較多的應力幅。

從表1和圖5、圖6可看出：

（1）隨著應力幅的增大，鋼箱梁頂板各應力幅的循環次數降低，但橫向應力幅降低的速度快于縱向應力幅。相同應力幅下，橫向應力幅的循環次數小于縱向應力幅的循環次數。這是由于橫橋向主梁受到塔梁間橫向抗風支座的約束作用，而縱向只有帶限位功能的阻尼器，較橫向更自由。頂板和U肋腹板的應力幅值較大，頂板最大應力幅值達到56.7 MPa，U肋腹板達到35.4 MPa。根據英國規范BS5400[4]關于鋼橋焊接細節的分類，U形加勁肋貼角焊縫屬于W級，其疲勞極限值為25 MPa。因此，鋼箱梁頂板和U肋腹板的最大應力幅值均已超過了該細節不發生疲勞損傷的極限值，在車載的累積作用下，該部位易出現疲勞裂紋，需進一步進行疲勞狀況評定。

圖4 關鍵部位24 h典型應變歷程圖示

表1 各主要測點應力幅頻次一覽表

圖5 鋼箱梁頂板應力譜柱狀圖

圖6 鋼箱梁底板應力譜柱狀圖

（2）與頂板類似，相同應力幅下，鋼箱梁底板橫向應力幅的循環次數也小于縱向應力幅的循環次數。但底板和底板U肋的應力幅值較小，主要集中在2～10 MPa之間，最大應力幅值不超過20 MPa,而BS5400中各焊接細節發生疲勞損傷的最小極限值為25 MPa，因而，以目前的交通狀況，底板和底板U肋不會出現疲勞損傷。

（3）索梁錨固區鋼錨箱各板件的應力幅均較小。承壓板及與之相連的箱梁外腹板不僅應力幅值小，而且在各級應力幅值下的循環次數也很少。上、下錨固板的主應力幅主要集中在10 MPa以內，高應力幅值的循環次數較少，1 d內上錨固板主應力幅值大于10 MPa的循環次數只有3次，下錨固板僅有6次；而且上、下錨固板最大應力幅值也只有26.8 MPa左右。與上、下錨固板相焊接的鋼箱梁外腹板的應力幅值較大，外腹板主應力幅值大于20 MPa的循環次數有40次，大于30 MPa的循環次數有14次。由于錨固板、承壓板均通過8 mm×8 mm的直角焊縫與箱梁外腹板相連，在BS5400規范中，該焊接細節屬于F2類，疲勞極限值為35 MPa，箱梁外腹板的最大應力幅值已超過該極限值，所以，長期交通荷載作用下，箱梁外腹板亦有可能出現疲勞裂紋。

（4）索塔錨固區鋼錨箱測點的應力幅值主要集中在2 MPa以下，最大應力幅不超過4 MPa，遠小于BS5400規定的發生疲勞損傷的極限值，因此，正常運營狀態下，索塔鋼錨也不會發生疲勞損傷。

4 結論

（1）鋼箱梁底板、索塔鋼錨箱、索梁鋼錨箱錨固板，以及承壓板的應力幅水平都很低，正常運營狀態下，不可能出現疲勞損傷。

（2）索梁鋼錨箱外腹板雖存在疲勞損傷，但疲勞壽命遠大于設計使用年限。

即使今后交通量的增大和車輛軸重的提高，該部位出現疲勞破壞的可能性也很小。

（3）鋼箱梁頂板焊接細節是全橋疲勞性能最薄弱的部位，若重型車尤其是超重車的頻繁作用，該區域有可能在設計使用年限內出現疲勞破壞。

[1]Eurocode 3:Design of steel structures.The European Standard EN 1993-1-9.2005.

[2]同濟大學.蘇通長江大橋動靜載試驗報告[R].2008.

[3]張啟偉.蘇通大橋斜拉橋鋼結構疲勞監測與評估報告[R].上海：同濟大學橋梁工程系，2010.

[4]英國標準學會.鋼橋、混凝土橋及結合橋（英國標準BS5400）第十篇:疲勞設計實用規則[M].成都:西南交通大學出版社，1987.