鋼箱梁懸索橋大節段正交異性鋼橋面板疲勞性能試驗

曾　勇， 渠　昱， 顧安邦， 譚紅梅 ， 劉國強

(1.山區橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地(重慶交通大學), 重慶 400074；2.國家內河航道整治工程技術研究中心

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鋼箱梁懸索橋大節段正交異性鋼橋面板疲勞性能試驗

曾勇1,2,3， 渠昱1,3， 顧安邦1,3， 譚紅梅1,2,3， 劉國強4

(1.山區橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地(重慶交通大學), 重慶 400074；2.國家內河航道整治工程技術研究中心

暨水利水運工程教育部重點實驗室(重慶交通大學), 重慶 400074; 3.山區橋梁結構與材料教育部工程研究中心

(重慶交通大學), 重慶 400074； 4.重慶建工集團 涪南高速公路有限公司, 重慶 401122)

針對正交異性鋼橋面板的焊接細節在反復荷載作用下易疲勞開裂的問題，以三峽庫區某大跨懸索橋的鋼箱梁正交異性鋼橋面板為工程背景，進行1∶2縮尺的鋼橋面板疲勞性能試驗研究，進行設計壽命期內的疲勞試驗和極限壽命期內的疲勞試驗. 疲勞試驗結果表明：200萬次的循環加載后，模型上各測點的應力值波動很小，在加/卸載過程中位移具有良好的對稱性、可恢復性與重復性，說明模型的應力狀態穩定，沒有出現因局部開裂、損傷而導致模型應力顯著變化的現象，說明該橋的正交異性鋼橋面板的構造滿足設計要求, 且有一定的安全儲備.

正交異性鋼橋面板；大節段；疲勞試驗；疲勞裂紋；疲勞強度

正交異性鋼橋面板廣泛應用于橋梁工程中，由縱向加勁肋、橫隔板和鋼面板構成，其橫隔板與縱向加勁肋正交，在互相垂直的兩個方向上剛度不同，構造與受力復雜. 正交異性鋼橋面板存在大量焊接細節，制作要求高，在車輛荷載的長期反復作用下，易出現疲勞開裂. 自19世紀60年代，許多發達國家就發現實橋的正交異性鋼橋面板出現了疲勞裂紋[1-3]. 雖然國內的正交異性鋼橋面板運營時間不長，但隨著中國交通運輸業的迅猛發展，交通量、車型、車重和車速有了快速提高，已有多座鋼橋的正交異性鋼橋面板出現了疲勞裂紋[4-7]. 疲勞裂紋影響了正交異性鋼橋面板的使用性能與耐久性. 陶曉燕[5]進行3個正交異性鋼橋面板的節段模型的疲勞試驗，研究了不同構造對疲勞性能的影響. 王春生等[6]對某斜拉橋的鋼橋面板進行了的1 020萬次足尺疲勞試驗研究，試驗表明加勁肋與蓋板連接部位出現了縱向疲勞裂紋，加勁肋與橫隔板連接的焊縫端部出現了在焊趾處萌生并沿加勁肋腹板擴展的疲勞裂紋等有益的結論. 田洋等[7]研究了以焊縫形式、對接間隙、焊接方式和加載方式為變化參數的正交異性鋼橋面板中閉口縱肋與橋面板連接處縱向焊縫的疲勞加載試驗，得到了相應的疲勞S-N曲線及其疲勞分級.

雖然對正交異性鋼橋面板的疲勞性能已有一定的研究，但對其疲勞機理、關鍵細節與焊縫等的疲勞應力分布特征研究較少，尚不能完全適應鋼橋發展的需求[4-7]. 目前國內對正交異性鋼橋面板的疲勞性能研究相對還不多，可供工程設計參考的疲勞試驗數據有限，在某種程度上制約了正交異性鋼橋面板的應用[8-11]. 青草背長江大橋為主跨788 m鋼箱梁懸索橋，是目前重慶市也是三峽庫區內最大跨徑的橋梁，加勁梁為正交異性板流線型扁平鋼箱梁. 本文以青草背長江大橋的正交異性鋼橋面板為工程背景，進行1∶2縮尺的大節段模型的靜載試驗和疲勞試驗(模型平面尺寸為4.9 m×4.45 m)，重點研究正交異性鋼橋面板的縱向加勁肋(U肋)、橫隔板開孔處、頂板三者連接處、頂板的受力特性與疲勞性能，以期為鋼橋面板合理設計提供試驗依據，豐富正交異性鋼橋面板疲勞實驗的數據庫.

1　模型設計

許多正交異性鋼橋面板的試驗模型尺寸都比較小，邊界條件的影響較大，鑒于此，本次試驗采用4.9 m×4.45 m大尺寸模型， 模型的縮尺比為1∶2，模型的頂板厚7 mm，U形加勁肋厚4 mm；內設3道實體式橫隔板，橫隔板間距確定為1.35 m；橫向兩個端頭用10 mm厚度鋼板封頭；順向的端頭用10 mm厚度鋼板封頭，并制作一個高120.9 mm，長2 400 mm，寬450 mm的鋼箱作為面板邊部的墊板使用，以便于維持橋面水平. 為真實模擬正交異性板在鋼箱梁頂部真實受力，在中橫隔板HG2底部拼接一塊帶邊肋的梯形鋼板. 模型構造見圖1、2，U肋和橫隔板開孔見圖3. 采用幾何、物理以及邊界條件相似原理來模擬橋面板模型. 模型是全焊鋼結構，焊縫的力學性能與母材相同. 正交異性鋼橋面板模型的制造從材料，拼裝，焊接整個過程嚴格按照實橋標準進行.

圖1　正交異性鋼橋面板的1/2構造圖與1/2剖面圖

Fig.1Half structural figuration and half sectional profile of the orthotropic steel deck model

圖2　正交異性鋼橋面板1/4構造平面圖(mm)

Fig.2Plan view of the orthogonal steel deck model of 1/4 structure(mm)

圖3　U肋及橫隔板開孔(mm)

2　模型制造

2.1材料

正交異性鋼橋面板模型采用Q345D鋼，其化學成份和力學性符合國家的相關規范要求. 焊接材料應根據焊接工藝試驗評定的結果來選用. 頂板、底板、U形加勁肋等下料時，應使鋼板軋制方向與其主要應力方向一致. 頂、底板和U形加勁肋在一個梁段長度內不允許接長焊縫，兩條平行的焊縫間距不小于100 mm. 應盡量避免T形接料焊縫，U形加勁肋肢邊外側開坡口，內側作磨圓角處理. 正交異性板模型的連接焊縫較多，盡量采用焊縫收縮和焊接變形都較小焊接方法.

2.2模型安裝

由于運輸尺寸限制，正交異性鋼橋面板模型分為5個部分，一塊中板兩塊邊板兩塊支座；先在工廠加工，再運到實驗室焊接安裝. 模型部件分為中板、兩塊邊板、兩塊支座、一塊梯形板等6個部分，具體組成見圖4. 各板件用龍門吊和叉車排放就位后，在實驗室焊接安裝就位，最后放置加載著重頭. 由于橋面板模型較大，模型擺放分兩種：橫向擺放和縱向擺放. 橫向擺放時，模型支座擺放于預先設置的60 cm×60 cm×60 cm的混凝土塊上，并用螺紋鋼與地錨連接固定. 縱向擺放時，預先在門架柱子一定高度處設置邊橫梁，再在邊橫梁處擺放橋面板模型，并用螺栓與邊橫梁連接.

圖4　正交異性板模型的構造與擺放

2.3模型貼片

應力測點主要布置在結構幾何突變或焊接構造復雜區域,高應力區域以及其他重要且有代表性的部位. 測點貼片主要由中橫隔板(HG2)測點及邊橫隔板(HG1與HG3)測點、橫隔板輔助測點、U肋測點、橋面板頂板測點，面板模型底部位移測點等組成，用來測量疲勞裂紋可能出現位置處的應變和認識模型中應力的分布，共計布置160片應變片. 橫隔板的縱向與橫向應力表現為板效應，布置45°三向應變花. HG2底部為消除橫隔板翹曲效應，真實模擬實橋增加梯形板上設置輔助測點以輔助分析.

U肋主要受拉力，頂板受力較為復雜，故U肋底部布置單向測點，頂板布置三向應變花. 橋面頂板主要受力來自于輪壓，局部承受較大受單向拉壓應力，故在輪壓邊緣位置設置單向應變片. 在模型底部的3片橫隔板處設置3個電子位移百分表，測量加卸載過程中面板模型撓度變形.

3　模型加載

疲勞荷載幅值及對應的循環加載次數是評價工程結構疲勞壽命的最主要參數[12-13]. 中國公路鋼結構橋梁設計規范指出，驗算橋梁結構的疲勞強度時，應根據橋梁實際交通情況，選用實際經常發生的荷載組合中的車輛荷載進行計算[14]. 根據重慶市三峽庫區的實際交通狀況，參考AASHTO、Eurocode 3和BS5400等規范對橋梁設計疲勞荷載的規定，通過荷載歷程計算分析，可得100 a設計壽命內的疲勞荷載頻譜值，并適當考慮交通量的增長. 運用Miner線性累積損傷理論，考慮1∶2縮尺比，試驗模型200萬次循環加載對應的等效疲勞設計荷載幅值按360 kN考慮. MTS機加載于箱梁頂板預先設置的加勁板處，通過加勁板均分于模型左右兩邊. 二期恒載通過MTS預加力，活載通過MTS機加載. 采用電阻應變計法測試應力，模型加載見圖5.

圖5　模型試驗加載圖

MTS機加載于箱梁頂板預先設置的加強板處，通過加強板均分于模型左右兩邊. 試驗荷載分兩部分，第1部分為橋面二期恒載，第2部分為汽車活載. 二期恒載通過MTS預加力，活載通過MTS機加載. 實驗前應對模型進行多次靜力預壓試驗，然后再進行疲勞加載. 為了模擬汽車后軸實際情況，在著重頭和橋面板之間安裝了一個分力裝置，在分力頭和橋面板的接觸處放置橡膠塊，為達到車輪模擬效果，分力頭必須有足夠的彈性.

由于橋面板模型較長，模型約束分橫向和縱向. 對于橫向約束，模型支座擺放于預先設置的混凝土塊上，并用螺紋鋼與地錨連接固定. 對于縱向約束，預先在門架柱一定高度處設置邊橫梁，再在邊橫梁處安放橋面板模型，并用螺栓與邊橫梁連接. 在進行疲勞試驗前應首先進行預載，以消除非彈性變形. 為了檢測各測點應力，當疲勞加載次數分別達到5、10、20、50、80、100、150、200萬次時，停機進行靜載試驗，觀察模型是否開裂，對靜載應變進行測量，以便檢查是否出現開裂或其他異常情況. 當每次靜載加載完成后，進行一次應力測量. 靜載加載從零開始，最大靜力加載91.2 kN，加載歷程：0→30→60→91.2 kN. 加載期間逐級記錄模型的變形位移，加載到最大值時，然后對稱逐步卸載. 當試驗的加載次數達到200萬次時，如果試件仍然未破壞，則每加載20萬次后，疲勞荷載增加初始荷載幅度的0.5倍，同時停機觀察試驗模型是否開裂，若出現疲勞裂紋，則記錄疲勞裂紋擴展的情況. 在荷載循環總次數累計達到300萬次，試驗模型仍未發生破壞，則終止疲勞試驗[15]. 每加載到20萬次時停機進行靜載試驗，以便通過測點應變和變形情況來觀測模型的變化，并仔細觀察結構是否有裂紋或其他異常情況.

4　設計壽命期的疲勞試驗結果

4.1靜力加載位移結果

在靜力試驗時，位移測點可監測模型變形情況和邊界條件. 位移測點安裝在模型中部底板下緣左中右3個位置. 通過靜力加載觀察，梁端位移測量結果非常小. 梁體橫橋向兩端設置不傳遞彎矩的鉸，可認為左側梁體為實橋橫橋向靠近外側端，右側梁體為實橋橫橋向靠近梁體中線端. 由位移監測結果可知，測點位移在200萬次內加卸載曲線都是對稱平滑沒有大的變化，可知模型結構在彈性范圍內. 左、中、右側的位移變化比較均勻.

4.2中橫隔板測點分析

在200萬次循環內，中橫隔板各點由于受輪壓直接作用Von Mises應力較大，方向為與X軸夾角37°～40°. 在加卸載曲線變化平緩，其中最大主拉應力為180 MPa，與有限元分析基本一致. 在200萬次循環內，該孔各點應力幅Δσ最大為40.9 MPa. 在加卸載曲線變化平緩，其中最大主拉應力為73 MPa，與有限元分析基本一致. 由于距離邊界較遠受到邊界條件不平衡影響較小，各點均沒有出現異常值. 實測應力與荷載增大呈線性關系，在加載和卸載兩個過程中都具有較好的對稱性(可恢復性)，每次靜載試驗的應力值很接近. 從圖6看出，在加卸載歷史曲線加卸載變化平緩，最大主拉應力為68 MPa，各測點均小于容許值. 實測應力與荷載增大呈線性關系，在加載和卸載兩個過程中都具有較好的對稱性(可恢復性)，而且每次靜載試驗的應力值很接近.

4.3U肋各測點分析

U肋由于側面和橫隔板焊接剛度較大，應變較小. 底面沒有焊接，剛度較小，并且沒有消減截面積，受力較為簡單應變較大. 在200萬次循環內，各點應力幅Δσ最大為22.1 MPa，均小于歐洲規范的容許應力幅值71 MPa和日本規范的容許應力幅值100 MPa，最大應力均小于鋼材容許應力. 由加卸載歷史曲線可見,加卸載變化平緩，其中最大主拉應力為42.8 MPa，與有限元分析基本一致. 各點均沒有出現異常值. 從圖7看出，實測應力與荷載增大呈線性關系，在加載和卸載兩個過程中都具有較好的對稱性(可恢復性)，而且每次靜載試驗的應力值很接近，表明在荷載循環200萬次了內，鋼橋面板結構未發生明顯應力重分布.

圖6　中橫隔板的主要測點主拉應力變化

Fig.6The 1stprincipal stresses of the key detail of central diaphragm under different fatigue cycle times

圖7　U肋的主要測點主拉應力變化

Fig.7The 1stprincipal stresses of the key detail of U-shaped rib under different fatigue cycle times

在200萬次循環內，各點應力幅Δσ最大為27.8 MPa，均小于歐洲規范的容許應力幅值71 MPa和日本規范的容許應力幅值100 MPa，最大應力均小于鋼材容許應力. 在加卸載歷史曲線加卸載變化平緩，其中最大主拉應力為53.2 MPa，與有限元分析基本一致,各點均沒有出現異常值.

4.4橋面板測點應力分析

橋面板測點由于直接承受荷載，在底部有U肋和橫隔板焊接處剛度較大，其隨荷載變化的幅度也較小，因為沒有中斷，這部分橋面變形較小，應力較低，甚至出現壓應力. 在底部沒有U肋和橫隔板焊接處剛度較小，對荷載變化較為敏感，橋面變形較大，應力水平較高，而且變化幅值較大，甚至出現超過疲勞容許應力幅值的應力值.

在200萬次循環內，各點應力幅Δσ最大為150.1 MPa，大于歐洲規范的容許應力幅值71 MPa和日本規范的容許應力幅值100 MPa，最大應力小于鋼材容許應力. 由加卸載歷史曲線可見，加卸載變化平緩，其中最大主拉應力為263.3 MPa，與有限元分析基本一致，如圖8所示. 各點均沒有出現異常值.

圖8　橋面板的主要測點主拉應力變化

Fig.8The load history of 1stprincipal stresses of the key detail of deck panel under different fatigue cycle times

5　疲勞結果分析及疲勞可靠性評價

5.1疲勞結果分析

不同加載循環次數后靜載試驗的部分測點的主拉應力見圖9. 不同加載循環次數下的靜載試驗各測點的應力相比，差別較小，說明各測點的應力沒有隨加載循環次數的增加而明顯改變. 各測點的應力遠小于鋼材的屈服應力，說明測點處的材料處于彈性狀態. 整個疲勞加載過程中模型未出現異常現象. 200萬次疲勞試驗后，對試件進行檢查，未發現裂紋.

圖9　不同加載循環次數后的部分測點的主拉應力

Fig.9The 1stprincipal stresses of other important details of model under different fatigue cycle times

從疲勞試驗過程中的靜載試驗的應力結果來看, 所有測點的主拉應力在100 MPa以內，多數小于50 MPa, 整個疲勞加載過程未發現模型有異常現象. 200萬次疲勞加載結束后，用放大鏡對模型進行檢查, 未發現疲勞裂紋. 200萬次后，逐步提高疲勞荷載幅,加載到250萬次, 仍未出現疲勞裂紋. 故可認為，實橋的正交異性鋼橋面板在正常制作與正常養護維修情況下, 在設計壽命期內不會發生疲勞開裂，滿足功能要求.

220～240萬次實測應力與荷載增大呈線性關系，在加載和卸載兩個過程中都具有較好的對稱性(可恢復性)，而且每次靜載試驗的應力值很接近，表明在荷載循環240萬次以內，正交異性鋼橋面板結構未發生明顯應力重分布，而240萬次以后隨著荷載的加大，應力變化較大，結構發生了明顯的應力重分布，并且部分位置產生了裂紋萌生，裂紋見圖10.

圖10　模型的疲勞裂紋

5.2閉口肋正交異性鋼橋面板的疲勞細節評估

正交異性鋼橋面板的應力復雜，BS5400和Eurocode都規定其疲勞細節分級需在疲勞試驗的基礎上單獨劃分. 正交異性鋼橋面板容易開裂的位置主要為各部件的連接焊縫，以及因應力集中而容易導致開裂的位置，如橫梁腹板的開孔處. 結合已經報道的國外文獻，圖11繪制了典型的閉口縱肋正交異性鋼橋面板容易出現疲勞裂紋的關鍵部位.

圖11　正交異性鋼橋面板的典型疲勞細節示意圖

正交異性鋼橋面板中一般有7種疲勞細節：縱肋對接焊縫；縱肋與橫梁腹板的連接；縱肋與頂板的角焊縫連接；橫梁腹板與頂板的連接；橫梁腹板開孔；縱隔板與頂板的連接；頂板的縱、橫向對接焊縫. 縱隔板與頂板及橫梁腹板與頂板間焊縫因其疲勞抗力較高，疲勞問題不突出，一般不予考慮[16].

測試點的絕大部分點的應力小于疲勞容許應力，結構具有較大的安全儲備. 說明該正交異性鋼橋面板模型具有較好的疲勞性能，滿足橋梁動載作用下的疲勞強度要求.

6　結　論

1) 建立大節段正交異性鋼橋面板疲勞試驗模型的尺寸為4.9 m×4.45 m，模型尺寸較大，可排除邊界條件的影響，試驗結果能準確地反應應力分布的規律與正交異性鋼橋面板的抗疲勞性能. 實驗過程中關鍵測點的位移與荷載呈線性關系，表明模型在加/卸載過程中的位移具有較好的對稱性與可恢復性，說明模型在疲勞加載過程中處于彈性工作狀態.

2)在200萬次的疲勞加載過程中, 模型上各測點的應力值波動范圍較小，且具有良好的重復性, 說明模型的應力狀態穩定，沒有出現應力顯著變化現象，模型結構中沒有可觀察到的疲勞裂紋.

3)在最大靜力荷載作用下，試驗模型測點最大主拉應力為72.1 MPa，出現在橋面板頂板處，橫隔板及其他測點的主拉應力出現在橫隔與U肋和頂板交接處.

4)在200萬次疲勞加載后，正交異性鋼橋面板連接構造未發現裂紋，提高荷載幅加載到250萬次后，正交異性鋼橋面板連接構造仍未發現裂紋. 再次提高荷載幅加載至260萬次后出現裂紋萌生，在280萬次后裂紋貫通造成結構破壞.

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(編輯魏希柱)

Large sectional fatigue experiment of the orthotropic steel deck from a box-girder suspension bridge

ZENG Yong1,2,3, QU Yu1,3,GU Anbang1,3,TAN Hongmei1,2,3, LIU Guoqiang4

(1. State Key Laboratory Breeding Base of Mountain Bridge and Tunnel Engineering(Chongqing Jiaotong University), Chongqing 400074, China;2.National Engineering Research Center for Inland Waterway Regulation(Chongqing Jiaotong University) ,Chongqing 400074, China;3. Mountain Bridge and Materials Engineering Research Center of Ministry of Education(Chongqing Jiaotong University), Chongqing 400074, China; 4. Funan Expressway Co., Ltd., Chongqing Construction Engineering Group, Chongqing 401122,China)

Based on an orthotropic steel deck of a long-span suspension bridge in Three Gorges reservoir area, a 1∶2 scaled-down fatigue experiment in design life span and limit life span was carried out to explore the fatigue behavior of critical details in the steel orthotropic decks of steel box girder suspension bridge, which is sensitive to fatigue crack under repeated loads. The fatigue experiment results show that the stress fluctuation ranges of critical details of the fatigue model are very small after 2 million times of cyclic loading in design life span, displacements of measure points of the fatigue model have good symmetry and recoverability in the static loading and unloading process, and there are no local fatigue cracks and damage during the experimental process of the design life span. It is considered that the orthotropic steel deck of this experiment in good welding and normal maintenance will not appear cracking in the design life, and fatigue performance of the orthotropic steel deck meets the design requirements and has some safety reserve.

orthotropic steel bridge deck; large scale; fatigue experiment; fatigue crack; fatigue strength

10.11918/j.issn.0367-6234.2016.09.017

2014-12-04

國家自然科學基金(51478071)；國家內河航道整治工程技術研究中心開放基金(SLK2013B04)；山區橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地開放基金(CQSLBF-Y14-3, CQSLBF-Y16-10)作者簡介: 曾勇(1980—)，男，博士，副教授

譚紅梅， hmtan2009@126.com

U441

A

0367-6234(2016)09-0095-06