李明輝　劉冠沖　曲智超

摘要：正交異性鋼橋面板存在大量焊接細節(jié)，制作要求高，在車輛荷載的長期反復作用下，易出現(xiàn)疲勞開裂。基于此，文章主要對正交異性鋼橋面板疲勞易損區(qū)應力進行了分析，以供參考。

關鍵詞：正交異性鋼橋；面板；疲勞易損區(qū)；應力

引言

雖然國內(nèi)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(yè)的迅猛發(fā)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(xiàn)了疲勞裂紋。疲勞裂紋影響了正交異性鋼橋面板的使用性能與耐久性。目前，國內(nèi)外設計規(guī)范主要基于名義應力給出了正交異性鋼橋面板不同構造分類的疲勞設計曲線。但由于構造復雜性，鋼橋面板的名義直力很難精確得到，并且構造分類法本身對細節(jié)構造和焊接質(zhì)量很敏感，基于熱點應力法對鋼橋面板進行疲勞設計和驗算己經(jīng)成為今后的發(fā)展趨勢。

1鋼橋面板的疲勞損傷

鋼橋面板疲勞裂紋的修補、補強的定量評價難以進行，理由為：①現(xiàn)行鋼橋面板疲勞設計采用疲勞耐久性的構造細節(jié)，沒有規(guī)定要根據(jù)應力進行疲勞驗算；②橋的疲勞設計根據(jù)截面內(nèi)力以公稱應力為標準進行鋼橋面板的疲勞驗算，橋面板的焊接為D級，縱肋橫肋交叉部位按荷載非傳遞肋十字接頭（E級）考慮。鋼橋面板承受的彎曲應力較大，按公稱應力進行疲勞設計不恰當，應該按熱點應力等板局部彎曲應力的方法進行驗算；③橋面板裂紋是從焊接焊縫缺口處開始生成的裂紋，焊縫的疲勞驗算困難，缺口處用應力擴大系數(shù)（K值）進行評價不恰當，可采用FEM進行應力集中分析，與實際情況進行比較。疲勞裂紋的發(fā)生受荷載條件、構造細節(jié)、制造工藝的影響很大，同一構造細節(jié)在車輪荷載作用下全部作為修補對象，實際上，發(fā)生在橋面板側(cè)的損傷、在早期發(fā)現(xiàn)后就采用鋼纖維混凝土（SFRC）進行大規(guī)模的補強是一種較好的方法，目前采用這種方法的實例在不斷增加，但是，存在工程規(guī)模大、成本高等問題。所以，采用簡易的有效辦法（如用墊板），通過焊接進行局部的修補，通過改善構造細節(jié)來控制裂紋發(fā)生無疑是一種行之有效的辦法。鋼橋面板的疲勞損傷類型較多，大致可分為：縱肋與橫肋的焊縫相交部位、橋面板與豎向加勁肋相交的焊縫部位、橋面板與閉口肋相交的焊縫部位的疲勞裂紋等。

2正交異性鋼橋面板疲勞易損區(qū)應力分析

2.1工程背景

某大橋為主跨600m的雙向6車道公路懸索橋，設計壽命為100年。大橋主梁采用扁平鋼箱梁結構形式，梁高3m，寬33m，在主梁吊索處以及兩吊索間跨中處設有實腹型橫隔板，在兩吊索間1/4跨與3/4跨處設有空腹型橫隔板，橫隔板間距為3m，主梁結構未設置縱向腹板，鋼箱梁橋面板采用正交異性板。

2.2模型試驗

（1）模型設計。正交異性板焊接構造細節(jié)主要受第二體系力與第三體系力的影響，呈現(xiàn)明顯的局部效應。鋼箱梁結構在移動荷載作用下會產(chǎn)生橫向剪切作用，并通過橫隔板發(fā)生剪切變形的方式傳遞至整個箱梁結構，使頂板、加勁肋腹板產(chǎn)生面外彎曲應力。并且，直接承受移動荷載的橋面板還會產(chǎn)生局部支撐作用。在橫向剪切作用和局部支撐作用的共同影響下，正交異性板焊接構造細節(jié)處會產(chǎn)生明顯的應力集中，從而導致其在循環(huán)荷載作用下發(fā)生疲勞損傷。模型設計過程中應當兼顧上述2種作用的影響。依據(jù)上述正交異性橋面板的受力特性，選取主跨梁段進行足尺節(jié)段模型疲勞試驗研究。通過對多個模型設計方案進行對比研究，最終確定試驗模型橫向設置8條u形加勁肋，橫向跨度較大，以模擬原橋結構的剪切變形（參見圖1）。

（2）模型概況。試驗模型主要由頂板、縱向u形加勁肋、橫隔板以及腹板組成。綜合考慮應力等效性及試驗場地限制等約束條件，確定模型長3.04m、寬5.14m、高1.278m，橫向設置8條u形加勁肋，加勁肋間距為0.6m，縱向設置3道橫隔板，其中中橫隔板高1.2m，邊橫隔板高0.51m，中橫隔板與邊橫隔板間距為1.3m。頂板厚16mm，u形加勁肋板厚8mm，橫隔板厚12mm，腹板厚20mm。u形加勁肋的形狀、間距，橫隔板開口尺寸，頂板、加勁肋、橫隔板等板件的厚度均與實橋相同。模型用鋼均采用與實橋相同的Q345qD，焊接工藝與加工方法也與實橋相同。

（3）試驗方案。根據(jù)原橋節(jié)段有限元分析結果，確定足尺模型疲勞試驗加載幅P=800kN，荷載上限Pmax=850kN，下限Pmin=50kN，試驗采用等幅加載，加載頻率為1.SHz，荷載循環(huán)500萬次。試驗采用MTS液壓伺服作動儀進行加載。試驗過程中，在荷載循環(huán)次數(shù)達到25萬次的整數(shù)倍時停機進行靜載試驗，采集疲勞易損構造的應變數(shù)據(jù)，并對焊接構造細節(jié)進行裂縫觀測。

2.3疲勞開裂情況試驗結果

根據(jù)有限元計算結果及以往經(jīng)驗，加勁肋腹板與橫隔板切口焊接處、項板與加勁肋腹板焊接處為控制疲勞性能的主要部位，橫隔板切口處也是重點疲勞易損構造。在試驗過程中關注這3個部位，觀察疲勞裂縫的產(chǎn)生。

（1）加勁肋腹板與橫隔板切口焊接處。試驗結果表明，當荷載循環(huán)次數(shù)累計到50萬次時，ZL4加勁肋腹板與橫隔板焊接構造處測點應力發(fā)生突變，但并未觀測到可見裂縫。當疲勞循環(huán)次數(shù)達到400萬次時，疲勞裂縫清晰可見。裂縫萌生于加勁肋腹板與橫隔板切口的內(nèi)側(cè)焊趾處，并且以焊趾為中心，在加勁肋腹板上沿模型縱向向兩側(cè)擴展。

（2）頂板與加勁肋腹板焊接處。頂板與加勁肋腹板焊接處開裂會破壞橋面結構的防水性能，導致雨水滲入箱梁內(nèi)部使鋼結構發(fā)生銹蝕，嚴重威脅使用安全。當荷載循環(huán)次數(shù)達到225萬次后，YLl加勁肋頂板右側(cè)測點應力數(shù)值發(fā)生突變。試驗結束后，發(fā)現(xiàn)此構造處裂縫清晰可見，裂縫起源于加勁肋頂板、加勁肋腹板及橫隔板三者焊接構造的焊根處，并以此為中心在頂板上沿模型縱向擴展。試驗結束時，頂板裂縫長度達130mm，且貫穿整個橋面板。

（3）橫隔板切口處。疲勞試驗結束后，橫隔板各切口邊緣未發(fā)現(xiàn)疲勞裂縫。但試驗結果與有限元計算結果均表明在ZL4與YL4橫隔板下切口處，存在較大的拉應力，其中ZL4橫隔板切口（ZL4-HGB）測點實測主拉應力幅達到120MPa。

2.4應力測試結果

試驗過程中對各測點的應力進行測試，限于篇幅，本文僅給出開裂測點處的測試結果。ZL4加勁肋并未直接承受豎向荷載，但在加勁肋腹板與橫隔板焊接構造處仍發(fā)生疲勞損傷。其原因為試驗模型設計寬度大，邊緣加勁肋剪切作用明顯，此種剪切作用會帶動加勁肋腹板及頂板產(chǎn)生而外彎曲，從而導致加勁肋腹板與橫隔板焊接處產(chǎn)生較大的拉應力。

在前225萬次循環(huán)中，焊趾處應力為壓應力，且測點位置越靠近焊趾，其應力數(shù)值越大，由于試驗過程中加載混凝土板存在開裂現(xiàn)象，因此各測點應力數(shù)值產(chǎn)生一定波動，且變化較小。250萬次以后，各測點壓應力值均逐漸減小，距離焊趾20mm處測點的應力轉(zhuǎn)為拉應力，證明在225萬次后YLl加勁肋頂板焊趾構造處發(fā)生疲勞塑性變形，即225萬次為該構造疲勞開裂的始點。YLl頂板測點處于壓應力作用區(qū)域，但由于焊接殘余應力的影響，在該構造部位依然產(chǎn)生了疲勞裂縫。因此，對于焊接結構而言，壓應力循環(huán)同樣會導致疲勞開裂，焊接殘余應力的影響應予以重視。

2.5疲勞性能評估

采用熱點應力法對試驗模型的疲勞性能進行評估。研究表明，熱點應力法能夠有效避免復雜應力狀態(tài)下名義應力難以定義的問題，因此熱點應力法更適用于正交異性板這類復雜的空間焊接結構疲勞等級的評估。經(jīng)測算，有限元計算得到ZL4加勁肋與YLl頂板開裂位置的計算熱點應力分別為157MPa和123MPa。

3結束語

加勁肋腹板與橫隔板切口焊接構造易于發(fā)生疲勞破壞，疲勞裂縫從加勁肋與橫隔板焊趾處萌生，并沿模型縱向向兩側(cè)擴展。頂板與加勁肋腹板焊接構造雖位于受壓循環(huán)區(qū)，但同樣容易產(chǎn)生疲勞破壞，裂縫沿橋梁縱向擴展。橫隔板切口存在較大拉應力，但經(jīng)過500萬次疲勞試驗后并未發(fā)生可見裂縫，證明其疲勞強度較高。