鄭中岳，唐冕，呂韶全

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

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橋面鋪裝對(duì)城市鋼箱梁橋面板疲勞性能的影響

鄭中岳，唐冕，呂韶全

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

城市鋼箱梁橋面板在車輪荷載的反復(fù)作用，特別有超載車的持續(xù)作用時(shí)，疲勞問(wèn)題顯著。為分析橋面鋪裝對(duì)其疲勞性能的影響，基于空間有限元的分析方法，選取不同類型的橋面鋪裝，分別研究在鋪裝層不同的剛度、厚度以及加勁肋的構(gòu)造形式下對(duì)城市鋼箱梁橋面板疲勞性能。分析結(jié)果表明：與普通瀝青混凝土相比，新型RPC鋪裝可以顯著改善鋼橋面板的受力狀態(tài)，提高其疲勞壽命；提高鋪裝層的剛度可以明顯降低構(gòu)造細(xì)節(jié)的應(yīng)力幅；對(duì)于橋面板的各種常用形式閉口肋中，U形加勁肋的受力性能明顯優(yōu)于V形。

橋面板；鋪裝；疲勞壽命；應(yīng)力幅

大跨度連續(xù)鋼箱梁由于其跨越能力強(qiáng)、重量輕、整體性好、施工周期短的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在城市橋梁中應(yīng)用廣泛。但隨著交通量及重載車輛的增加，其正交異性鋼橋面板的疲勞裂紋日益顯現(xiàn)，如1997年建成通車的南方某大橋[1]，在運(yùn)營(yíng)5 a后不斷出現(xiàn)疲勞裂紋，到2007年橋面板又發(fā)現(xiàn)多條縱向裂縫。檢測(cè)結(jié)果表明，橋面板與U肋縱向焊接裂縫以及U肋和橫隔板連接處的裂縫最為突出，見(jiàn)圖1所示。

作為鋼橋面板的保護(hù)層，橋面鋪裝的相對(duì)剛度較大，其材料特性對(duì)鋼橋面板的疲勞性能影響較大。國(guó)內(nèi)外的許多學(xué)者都對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了研究，吳沖[2]采用ABAQUS有限元程序、以大跨度斜拉橋和懸索橋?yàn)槔?，探討了彈性模量、鋪裝層厚度等因素對(duì)鋼橋面板疲勞應(yīng)力幅的影響；張東波[3]考慮橫隔板間距、厚度和縱肋高度等參數(shù)，分析裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度及其疲勞性能。由于我國(guó)現(xiàn)行的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范關(guān)于鋼橋疲勞驗(yàn)算的條文相對(duì)落后，沒(méi)有疲勞驗(yàn)算荷載譜，尤其對(duì)于異形鋼箱梁橋面板的疲勞問(wèn)題缺乏清晰的設(shè)計(jì)理念，因此探討鋪裝層極其構(gòu)造細(xì)節(jié)對(duì)城市連續(xù)鋼橋面板疲勞性能的影響具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，以某城市立交橋中的異形鋼箱梁為例，根據(jù)歐洲Eurocode1規(guī)范，對(duì)橋面板進(jìn)行疲勞應(yīng)力分析和壽命評(píng)估，并比較城市橋梁和公路橋梁的車輛荷載，分析瀝青鋪裝層的彈性模量、厚度及構(gòu)造細(xì)節(jié)對(duì)橋面板疲勞應(yīng)力幅的影響。

圖1　南方某大橋鋼橋面板的裂紋分布Fig.1 Crack distribution of a south bridge Steel Deck Plates

1　工程背景

某城市三層立交橋的多個(gè)匝道采用變寬或變高連續(xù)鋼箱梁橋，主跨從25～50 m，橋面寬度7.3～12.5 m，梁高1.6～2.5 m，本文選取的NE匝道(34.3+34.9 m)為兩跨連續(xù)鋼箱梁橋，采用單箱單室截面，結(jié)構(gòu)中心梁高1.8 m，箱梁頂面寬8.14～7.32 m，箱底等截面寬度3.98～3.1 m，鋼材材質(zhì)Q345qE，橋面采用正交異性板結(jié)構(gòu)，其主要截面如圖2所示。

單位：mm圖2　NE匝道鋼箱標(biāo)準(zhǔn)截面Fig.2 Standard section of NE ramp steel box girder

2　計(jì)算模型

采用ANSYS有限元分析軟件建立節(jié)段鋼箱梁模型，為了模擬正交異性鋼橋面板在車輛荷載作用下的受力情況，順橋向取3個(gè)橫隔板區(qū)間，鋼橋面板、底板、橫隔板、腹板及橋面鋪裝分別采用shell63和Solid45單元模擬。鋼橋面板的焊接節(jié)點(diǎn)是比較容易開(kāi)裂的部位，需進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算的構(gòu)造細(xì)節(jié)主要有：1)縱肋現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接焊縫；2)橫隔板腹板開(kāi)孔邊緣；3)縱肋與頂板焊縫；4)縱肋與頂板位于橫隔板處焊縫。細(xì)節(jié)位置如圖4所示。

圖3　橋面鋪裝FEM模型Fig.3 FEM of deck pavement

圖4　疲勞驗(yàn)算細(xì)節(jié)位置示意圖Fig.4 Fatigue checking details

3　鋪裝體系對(duì)鋼橋面板疲勞性能的影響

3.1細(xì)節(jié)應(yīng)力的影響因素

瀝青混凝土鋪裝層與面板之間的粘結(jié)層結(jié)合在一起，因各種原因會(huì)出現(xiàn)疲勞開(kāi)裂和其他病害等問(wèn)題。隨著新型材料活性粉末混凝土(Reactive Power concrete)[4]的出現(xiàn)，楊劍[5]等對(duì)這種材料進(jìn)行了一定研究。邵旭東等[6-8]研制的以活性粉末混凝土作為新型鋪裝體系可以顯著改善橋面板的受力性能。本文選用常見(jiàn)瀝青鋪裝和RPC鋪裝體系進(jìn)行比較。鋪裝的材料特性見(jiàn)表1。

表1　橋面鋪裝材料參數(shù)表

為了模擬瀝青鋪裝層與橋面板之間的滑移現(xiàn)象，將瀝青鋪裝單元與橋面板單元分開(kāi)建立，其連接方式按考慮鋪裝與橋面板之間1)無(wú)滑移和2)有滑移2種情況。由于RPC層與鋼橋面板通過(guò)剪力釘形成了良好連接，RPC層參與結(jié)構(gòu)受力，有限元模擬時(shí)鋪裝與鋼橋面板相同位置處節(jié)點(diǎn)的全部平動(dòng)自由度耦合。

在進(jìn)行車輛荷載加載時(shí)，應(yīng)以使驗(yàn)算細(xì)節(jié)產(chǎn)生最大應(yīng)力作為最不利加載位置的判別準(zhǔn)則。加載車輪軸重為100 kN，并考慮0.15的沖擊系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。本文選取的細(xì)節(jié)1～細(xì)節(jié)4的具體位置如圖4所示。

表2　不同鋪裝類型下的應(yīng)力峰值

瀝青鋪裝與橋面板產(chǎn)生滑移時(shí)，黏結(jié)層對(duì)鋪裝與橋面板之間仍有粘結(jié)作用，為了模擬這種作用，采用不同剛度的彈簧連接鋪裝層與橋面板。彈簧的水平剛度按照以下公式計(jì)算：

(1)

式中：K為彈簧的水平剛度；E為鋪裝的彈性模量；h為鋪裝的厚度；A為彈簧連接板單元面積；η為彈簧水平剛度換算系數(shù)。

公式中η反映了黏結(jié)層粘結(jié)作用的大小，規(guī)定η取值范圍為10-n(n=0，1，2，…)，不同的n值下的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3所示。

表3　不同n值下的細(xì)節(jié)應(yīng)力峰值

由表2可知，相對(duì)于瀝青鋪裝體系，RPC鋪裝明顯減低了各驗(yàn)算細(xì)節(jié)的應(yīng)力峰值，其中驗(yàn)算細(xì)節(jié)3和4的應(yīng)力峰值的降低幅度遠(yuǎn)大于細(xì)節(jié)1和2，RPC鋪裝體系可以明顯改善鋪裝層直接接觸的驗(yàn)算細(xì)節(jié)3和4的受力狀態(tài)。

由表3可知驗(yàn)算細(xì)節(jié)的應(yīng)力值均隨著n值的增大即水平連接剛度的減小而逐漸增大，當(dāng)n值大于3即當(dāng)水平連接剛度達(dá)到83.3 kN/m時(shí)，應(yīng)力基本上趨于穩(wěn)定。

3.2城市鋼橋面板的壽命評(píng)估

為了研究方便，采用童樂(lè)為等[9]對(duì)上海某道路橋梁疲勞荷載研究而簡(jiǎn)化的六類模型車輛組成的荷載頻譜值。交通量按照10 000輛/d計(jì)算。將六類模型車按照使細(xì)節(jié)應(yīng)力產(chǎn)生最大值的位置進(jìn)行加載，得到不同鋪裝體系下的應(yīng)力歷程，按照雨流計(jì)數(shù)法并結(jié)合各模型車一年的交通量求得不同的應(yīng)力幅Δσi及相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)Ni，圖5和圖6給出不同鋪裝體系下各驗(yàn)算細(xì)節(jié)應(yīng)力譜。(其中瀝青鋪裝體系其水平連接剛度取83.3 kN/m)

本文選取歐洲Eurocode1中規(guī)定的相關(guān)驗(yàn)算細(xì)節(jié)強(qiáng)度變幅荷載疲勞強(qiáng)度曲線。根據(jù)圖5和圖6給出的各驗(yàn)算細(xì)節(jié)應(yīng)力譜的結(jié)果可知，各驗(yàn)算細(xì)節(jié)的最大應(yīng)力幅均低于其常幅疲勞極限ΔσL，可知各驗(yàn)算細(xì)節(jié)理論上都具有無(wú)限壽命。實(shí)際上，焊縫的焊接質(zhì)量、焊接殘余應(yīng)力等因素嚴(yán)重影響鋼橋的使用壽命，其主要體現(xiàn)在對(duì)構(gòu)件疲勞特性及疲勞極限的影響，因而可通過(guò)對(duì)疲勞極限進(jìn)行折減的方式去考慮這些因素對(duì)鋼橋疲勞壽命的影響。將ΔσL與Δσcut取折減系數(shù)α=0.8計(jì)算出不同鋪裝體系下各驗(yàn)算細(xì)節(jié)的疲勞壽命。

(a)驗(yàn)算細(xì)節(jié)1的應(yīng)力譜;(b)驗(yàn)算細(xì)節(jié)2的應(yīng)力譜;(c)驗(yàn)算細(xì)節(jié)3的應(yīng)力譜;(d)驗(yàn)算細(xì)節(jié)4的應(yīng)力譜圖5　瀝青鋪裝體系各驗(yàn)算細(xì)節(jié)應(yīng)力譜Fig.5 Stress spectrum of asphalt pavement system checking details

(a)驗(yàn)算細(xì)節(jié)1的應(yīng)力譜;(b)驗(yàn)算細(xì)節(jié)2的應(yīng)力譜;(c)驗(yàn)算細(xì)節(jié)3的應(yīng)力譜;(d)驗(yàn)算細(xì)節(jié)4的應(yīng)力譜圖6　RPC鋪裝體系下各驗(yàn)算細(xì)節(jié)應(yīng)力譜Fig.6 Stress spectrum of RPC pavement system checking details

細(xì)節(jié)編號(hào)折減后常幅疲勞極限/MPa折減后變幅疲勞極限/MPa鋪裝最大應(yīng)力幅/MPa年疲勞損傷度疲勞壽命/a141.623.2瀝青460.016660.2RPC32.20無(wú)限2--瀝青65.30無(wú)限RPC47.20無(wú)限341.623.2瀝青49.80.05617.9RPC12.40無(wú)限441.623.2瀝青42.60.02145.7RPC9.90無(wú)限

由表4可知，瀝青鋪裝體系驗(yàn)算細(xì)節(jié)的壽命在對(duì)疲勞極限進(jìn)行折減后發(fā)生了很大的變化，特別是縱肋與頂板焊縫處細(xì)節(jié)變化更加明顯。而對(duì)于RPC鋪裝體系，當(dāng)存在焊縫問(wèn)題時(shí)，各驗(yàn)算細(xì)節(jié)的壽命仍為無(wú)限。這說(shuō)明各驗(yàn)算細(xì)節(jié)的疲勞壽命受鋪裝體系的影響很大，RPC鋪張?bào)w系能夠大幅提高鋼橋面板的疲勞壽命。

4　瀝青鋪裝剛度及構(gòu)造細(xì)節(jié)對(duì)橋面板應(yīng)力幅的影響

瀝青混凝土鋪裝自重輕、黏性好、行車舒服、便于維修，但瀝青的材料特性會(huì)隨著溫度升高而發(fā)生軟化，其彈性模量的變化范圍在500～1 500 MPa左右，厚度一般在40～80 mm之間。由于鋼橋面板厚度比較小，鋪張層的相對(duì)剛度較大，鋼橋面板在進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮其與橋面板之間的共同作用。本節(jié)分別選用《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》的城-A級(jí)車輛荷載(70 t)和《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》的車輛荷載(55 t)進(jìn)行加載，并考慮鋪裝層的彈性模量、厚度以及橋面板常用加勁肋的構(gòu)造形式對(duì)鋼箱梁鋼橋面板應(yīng)力幅的影響。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7～圖10。

(a)城-A車輛荷載；(b)公路規(guī)范車輛荷載圖7　應(yīng)力幅隨彈性模量變化曲線圖Fig.7 Curve of stress amplitude with Elastic Modulus

(a)城-A車輛荷載；(b)公路規(guī)范車輛荷載圖8　應(yīng)力幅隨鋪裝厚度變化曲線圖Fig.8 Curve of stress amplitude with Thickness

(a)加勁肋U1；(b)加勁肋U2；(c)加勁肋V圖9　不同加勁肋形式圖Fig.9 Different forms of stiffener

(a)加勁肋U1；(b)加勁肋U2；(c)加勁肋V圖10　應(yīng)力幅隨彈性模量變化曲線圖Fig.10 Curve of stress amplitude with Elastic Modulus

由圖7可以得出：1)各驗(yàn)算細(xì)節(jié)應(yīng)力幅均在10～60 MPa，且隨著彈性模量的增加而逐漸減小，其中細(xì)節(jié)3和4的應(yīng)力幅變化比較明顯而細(xì)節(jié)1和2的應(yīng)力幅變化較平緩。由此可見(jiàn)，與鋼橋面板直接相關(guān)的驗(yàn)算細(xì)節(jié)3和4對(duì)瀝青鋪裝彈性模量的改變更加敏感。2)城-A車輛荷載作用下細(xì)節(jié)1，3和4的等效應(yīng)力幅均大于公路規(guī)范車輛荷載作用下的應(yīng)力幅，而細(xì)節(jié)2則相反。即對(duì)于城市橋梁，縱肋對(duì)接焊縫和縱肋與頂板連接焊縫承受的應(yīng)力幅高于公路橋梁，橫隔板腹板開(kāi)孔邊緣處則與之相反。

大多數(shù)城市鋼橋鋼橋面板鋪裝層厚度都在40～80 mm，因此選用4種鋪裝層厚度進(jìn)行對(duì)比分析，鋪裝層彈性模量取5 000 MPa。圖8(a)和圖8(b)分別給出了城-A車輛和公路規(guī)范車輛荷載下的等效應(yīng)力幅值隨鋪裝層厚度變化曲線圖。

由圖8可以得出：1)不同鋪裝厚度下，各驗(yàn)算細(xì)節(jié)應(yīng)力幅均在10～60 MPa。驗(yàn)算細(xì)節(jié)應(yīng)力幅隨著鋪裝厚度的增加而逐漸減小，其中細(xì)節(jié)3和4的應(yīng)力幅變化比較明顯，而細(xì)節(jié)1和2的應(yīng)力幅變化較平緩。由此可見(jiàn)，縱肋與頂板連接焊縫的等效應(yīng)力幅比縱肋對(duì)接焊縫和橫隔板腹板開(kāi)孔邊緣處的等效應(yīng)力幅受鋪裝厚度變化的影響大，但是沒(méi)有受鋪裝彈性模量變化的影響大。2)不同鋪裝厚度下，城-A車輛荷載及公路車輛荷載對(duì)各細(xì)節(jié)等效應(yīng)力幅的影響與不同彈性模量下的影響一致。

正交異性鋼橋面板的壽命除受荷載類型、殘余應(yīng)力以及焊接質(zhì)量影響外，細(xì)部的構(gòu)造設(shè)計(jì)對(duì)局部應(yīng)力影響也較大。因而，選擇圖9所示的3種不同加勁肋類型進(jìn)行對(duì)比分析。

圖10給出了3種加勁肋截面形式下的等效應(yīng)力幅隨彈性模量變化的曲線圖。圖11給出了鋪裝層彈性模量為1 500 MPa，厚度為60 mm時(shí)的3種加勁肋截面形式的等效應(yīng)力幅。

圖11　應(yīng)力幅隨截面形式變化曲線圖Fig.11 Curve of stress amplitude with section forms

由圖10和圖11可以得出：1)3種不同加勁肋形式下各驗(yàn)算細(xì)節(jié)應(yīng)力幅均隨著彈性模量的增加而逐漸減小。2)U形加勁肋的細(xì)節(jié)應(yīng)力幅基本一致，加勁肋截面開(kāi)口形式對(duì)過(guò)焊孔附近的應(yīng)力影響顯著；而V形加勁肋的絕大部分細(xì)節(jié)應(yīng)力幅均高于U形加勁肋。

5　結(jié)論

1)對(duì)于瀝青鋪裝體系，焊接質(zhì)量、焊接殘余應(yīng)力等因素對(duì)鋼橋面板的壽命影響較大，提高粘結(jié)層對(duì)鋪裝與橋面板的粘結(jié)作用能都有效改善橋面板的受力性能。相對(duì)于瀝青鋪裝，新型材料(RPC)鋪裝體系能夠明顯改善鋼橋面板的受力狀態(tài)，降低驗(yàn)算細(xì)節(jié)處的應(yīng)力，大幅提高鋼橋面板的疲勞壽命。

2)城市鋼橋鋼箱梁橋面板驗(yàn)算細(xì)節(jié)應(yīng)力幅，隨著橋面鋪裝彈性模量以及厚度的增加而減小，提高鋪裝層剛度可以有效地降低與鋪裝層直接接觸的驗(yàn)算細(xì)節(jié)處的應(yīng)力幅。

3)對(duì)于縱肋對(duì)接焊縫和縱肋與頂板連接焊縫，城-A車輛荷載作用下產(chǎn)生的等效應(yīng)力幅大于公路規(guī)范；而橫隔板腹板開(kāi)孔邊緣承受的應(yīng)力幅則相反，這是由于其應(yīng)力影響線較長(zhǎng)，車輛荷載的縱向軸距及相應(yīng)的軸重對(duì)其值影響很大。

4)對(duì)于城市鋼箱梁橋鋼橋面板的構(gòu)造細(xì)節(jié)，U形加勁肋疲勞特性優(yōu)于V形。不同的閉口肋形式及橫隔板的過(guò)焊孔形式對(duì)構(gòu)造細(xì)節(jié)的應(yīng)力影響很大。

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Influence of pavement on fatigue performance ofurban Steel Box Girder Deck

(College of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Urban steel box girder bridge deck under repeated wheel loads, especially when overloaded car sustained action, fatigue problem is significant. In order to analyze the Influence of pavement on fatigue performance of urban steel box girder bridge deck, based on spatial finite element analysis method, different pavement stiffness, thickness and construction details was analyzed under different types of bridge deck pavement. The result shows that compared with asphalt pavement system, RPC pavement system can not only obviously improve the stress condition of steel bridge deck, but also significantly extend the fatigue life of steel bridge panel; Increasing the stiffness of pavement layer can obviously reduce the stress amplitude of fatigue details, especially for direct contact with the pavement. For the different forms of silent rib fatigue properties, U2 shaped stiffener is superior to the U1 shape, and the property of U shape rib is better than V shape.

deck；pavement；fatigue life；stress amplitude

2015-11-17

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51178471,50908232)

唐冕(1970—)，女，遼寧開(kāi)原人，副教授，從事橋梁教學(xué)與科研工作；E-mail: tangmian513@163.com

U441+.4

A

1672-7029(2016)09-1749-07