佛陳大橋正交異性鋼橋面板疲勞問題分析與對策措施

王 璇

（廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510507）

1 概述

鋼箱連續梁橋誕生于19世紀中期，1850年建成通車的布列坦尼亞橋（Britannia Bridge）是世界上用熟鐵板鉚接而成的第一座鐵路箱形梁橋。近年來，大跨度鋼箱連續梁橋在建造較多。隨著鋼鐵冶煉技術和制造安裝等施工技術的不斷發展及設計技術水平的不斷提高，鋼連續梁的設計及建造技術日趨成熟，將成為非常有競爭力的橋型之一。然而，正交異性鋼橋面板疲勞問題一直是困擾鋼結構橋梁設計的主要問題之一，如何有效地解決這一問題，將對鋼連續梁的長足發展起到至關重要的作用。

2 大跨鋼箱連續梁結構設計

2.1 方案概述

佛山市佛陳路快速化改造工程佛陳大橋主橋為58.51 m+112.8 m+58.51 m變高度截面鋼箱連續梁橋，單幅橋梁寬15.75 m，采用單箱單室斷面，見圖1。

2.2 正交異性橋面板疲勞問題分析

正交異性鋼橋面板結構具有自重輕、極限承載能力大、適用范圍廣的特點。但其板件眾多、縱橫助交錯，因而受力復雜且在板件相交處應力集中效應顯著；加上工廠制造、組裝精度、焊接難度均較高，結構本身存在著初始缺陷等原因，在車輪荷載的反復作用下該結構很容易產生疲勞問題。另一方面，正交異性鋼橋面板結構縱橫向加勁助密度較大，導致某一關注部位（常位于板件交匯處）應力影響線較短，一輛交通車單獨通過一次甚至會引起幾次疲勞加載。因此，鋼橋面板自誕生以來，便一直受到疲勞問題的困擾。

圖1 鋼箱連續梁典型斷面圖

如何提高鋼橋的抗疲勞性能,保證鋼橋長期安全使用是擺在橋梁工作者面前的重要研究課題。國內外眾多學者,通過理論分析、試驗研究和現場調研,已經對多種疲勞性能較差的構造細節提出了很好的改進方法,對有效防止鋼橋構件的疲勞破壞收到了很好的效果，不再贅述。本文在已有研究成果的基礎上，結合佛陳大橋鋼箱連續梁的具體特點，從結構構造和橋面鋪裝兩方面對正交異性橋面板疲勞的影響做進一步分析。

2.2.1結構構造的影響

鋼橋面板產生疲勞裂紋的原因一方面是疲勞荷載引起，另外一方面就是構造本身兩者共同作用使得在關鍵構造細節處產生較大的循環應力集中，從而產生裂紋。正交異性鋼橋面板在發展應用的過程中，取得了大量的研究成果，如合理的面板厚度、縱向加勁肋的斷面型式及尺寸、橫梁（肋）間距、縱肋與面板、橫梁的連接構造形式等[1]。

2.2.2 橋面鋪裝的影響

正交異性鋼橋面板常見鋪裝形式主要有兩大類：瀝青混凝土鋪裝和水泥混凝土鋪裝。瀝青混凝土鋪裝自重輕、變形協調性和粘著性好、維修方便，應用廣泛[2，3]。瀝青混凝土鋪裝與正交異性鋼橋面板存在彈性模量的差異，目前橋面鋪裝的設計主要借鑒路面設計方法，并沒有單獨形成一套完整的理論體系，因此各種病害時有發生，加上使用條件和氣候條件的不利，導致正交異性鋼橋面板的疲勞性能受到較大影響；破壞形式除有普通路面鋪裝常見的破壞形式外，還有一些因使用條件不同而產生的破壞類型：疲勞開裂破壞、車轍破壞、層間推移、、粘結層剪切破壞、鼓包破壞等，見表1。

表1 部分鋼橋橋面鋪裝的破壞情況

各國學者在對正交異性板的疲勞問題進行研究時，主要關注正交異性板的構造細節的形式及其尺寸的影響，通過改變結構形式和細部尺寸得出比較好的設計方案。在研究過程中不考慮橋面鋪裝對荷載分散的有利影響，僅將其作為恒載考慮。同時考慮橋面鋪裝和正交異性板的受力性能并且把橋面鋪裝和正交異性板看作整體進行受力性能的研究較少,研究均表明,橋面鋪裝可以有效的減小正交異性板內的應力，提高正交異性板的抗疲勞性能。

2.3 正交異性橋面板疲勞問題處理對策措施

2.3.1 結構設計優化

正交異性鋼橋面板經歷了半個多世紀的發展應用，取得了大量的研究成果。佛陳大橋主橋設計吸取了相關科研成果和實際工程設計經驗，參考借鑒了國內外相關規范[1]，在面板厚度、縱向加勁肋的斷面型式及尺寸、橫梁（肋）間距、縱肋與面板、橫梁的連接構造形式等結構設計方面做了優化設計：采用了較厚的橋面板以增大剛度、縱向加勁肋采用閉口U型肋并對橫隔板弧形缺口做了優化、采用實腹式橫隔以增大斷面抗扭剛度、縱肋與面板焊縫改進（由傳統的角焊縫調整為坡口角焊縫）。

2.3.1 橋面鋪裝體系優化

對于主應力引起的疲勞裂紋，從預防和養護的角度來看，可從鋪裝等角度來進行控制。根據文獻[6]，鋪裝層的彈性模量及厚度與正交異性鋼橋面板關鍵部位疲勞應力幅的大小有很大關系，如果增大橋面鋪裝層的厚度或者增大其彈性模量，正交異性鋼橋面板關鍵部位的疲勞應力幅將減小。疲勞應力幅值的大小與鋪裝層彈性模量呈非線性負相關，與鋪裝層厚度近似呈線性負相關。早期設計之中應用關于正應力疲勞問題的對策就有鋼纖維混凝土鋪裝層、鋼纖維泡凝土、環氧樹脂改性浙青混凝土等新型的鋪裝料。對于次應力引起的疲勞裂紋，目前的優化理論主要集中于合理匹配正交異性鋼橋面板頂板、縱肋和橫隔板之間的剛度，同時從制造工藝上進行控制。

佛陳大橋主橋采用單箱單室鋼連續梁，鋼橋面板柔韌性大、易撓屈、傳熱快，縱橫加勁肋多，橋面板剛度較小，焊縫應力幅較大，易疲勞開裂；針對以上特點，橋面鋪裝設計著眼于提高橋面板的防銹保護功能、降低疲勞應力幅，見圖2。設計引入組合橋面結構的設計思路，將橋面鋪裝下層與鋼橋面板按鋼-混凝土疊合截面設計，使用年限與主結構一致；橋面鋪裝上層采用薄層瀝青混凝土鋪裝作為磨耗層，使用年限按鋪裝考慮。鋼-混凝土疊合截面疊合混凝土使用超高韌性混凝土（Super Toughness Concret-STC），減薄疊合混凝土厚度以減輕自重，同時提高抗裂性能。

3 理論計算與試驗驗證

3.1 理論計算

根據文獻[6]、[7]，疊合梁在開裂前，截面沿高度的應變變化規律基本符合平截面假定。鋼-混凝土疊合梁的計算沿用彈性理論，采用換算截面法，引入兩種材料彈性模量比的概念，進行第二體系計算；根據有限元仿真分析，主要理論計算結果見圖 3、表 2。

圖2 佛陳大橋主橋鋼橋面鋪裝方案（單位：mm）

圖3 各工況橫向應力圖

表2 鋼箱梁正交異性橋面計算結果

3.2 試驗驗證

3.2.1 足尺試驗

為了驗證輕型組合橋面的結構設計，進行了足尺模型破壞試驗，根據試驗結果，STC開裂應力達45.4 MPa，大于設計開裂應力10.9 MPa，見圖4。

3.2.2 成橋試驗

本項目建成后進行了實橋荷載試驗。主要實驗結果見表3。

實橋荷載試驗表明，采用STC鋪裝體系能夠有效降低面板與U肋連接部位及U肋間面板的應力，對U肋與橫隔板連接焊縫下端焊趾處應力存在一定改善，對U肋底緣應力存在一定改善。

圖4 足尺模型破壞試驗

表3 實橋荷載試驗結果

4 結語

如何提高鋼橋的抗疲勞性能,保證鋼橋長期安全使用是擺在橋梁工作者面前的重要研究課題。國內外眾多學者,通過理論分析、試驗研究和現場調研,已經對多種疲勞性能較差的構造細節提出了很好的改進方法,對有效防止鋼橋構件的疲勞破壞收到了很好的效果。

佛陳大橋擴建工程鋼橋面采用新的鋪裝設計方法，通過理論分析、模型試驗及成橋試驗，基本結論如下：（1）組合結構提高了橋面剛度，大幅度減小了面板和縱橫肋在輪載下的應力，提高了鋼橋面的抗疲勞壽命。（2）采用高強材料STC，采用疊合橋面設計理念，橋面板抗拉強度高，鋪裝混凝土厚度減小使得自重大大減輕，鋼橋面鋪裝層的耐久性高。

輕型組合鋼橋面從橋梁結構的角度探索出新的橋面鋪裝設計方法，有效地解決了鋼橋面鋪裝的病害問題，且適用于大跨度連續鋼箱梁，對未來類似項目設計具有一定參考價值。