正交异性钢桥面板疲劳易损区应力分析

李明辉　刘冠冲　曲智超

摘要：正交异性钢桥面板存在大量焊接细节，制作要求高，在车辆荷载的长期反复作用下，易出现疲劳开裂。基于此，文章主要对正交异性钢桥面板疲劳易损区应力进行了分析，以供参考。

关键词：正交异性钢桥；面板；疲劳易损区；应力

引言

虽然国内的正交异性钢桥面板运营时间不长，但随着中国交通运输业的迅猛发展，交通量、车型、车重和车速有了快速提高，已有多座钢桥的正交异性钢桥面板出现了疲劳裂纹。疲劳裂纹影响了正交异性钢桥面板的使用性能与耐久性。目前，国内外设计规范主要基于名义应力给出了正交异性钢桥面板不同构造分类的疲劳设计曲线。但由于构造复杂性，钢桥面板的名义直力很难精确得到，并且构造分类法本身对细节构造和焊接质量很敏感，基于热点应力法对钢桥面板进行疲劳设计和验算己经成为今后的发展趋势。

1钢桥面板的疲劳损伤

钢桥面板疲劳裂纹的修补、补强的定量评价难以进行，理由为：①现行钢桥面板疲劳设计采用疲劳耐久性的构造细节，没有规定要根据应力进行疲劳验算；②桥的疲劳设计根据截面内力以公称应力为标准进行钢桥面板的疲劳验算，桥面板的焊接为D级，纵肋横肋交叉部位按荷载非传递肋十字接头（E级）考虑。钢桥面板承受的弯曲应力较大，按公称应力进行疲劳设计不恰当，应该按热点应力等板局部弯曲应力的方法进行验算；③桥面板裂纹是从焊接焊缝缺口处开始生成的裂纹，焊缝的疲劳验算困难，缺口处用应力扩大系数（K值）进行评价不恰当，可采用FEM进行应力集中分析，与实际情况进行比较。疲劳裂纹的发生受荷载条件、构造细节、制造工艺的影响很大，同一构造细节在车轮荷载作用下全部作为修补对象，实际上，发生在桥面板侧的损伤、在早期发现后就采用钢纤维混凝土（SFRC）进行大规模的补强是一种较好的方法，目前采用这种方法的实例在不断增加，但是，存在工程规模大、成本高等问题。所以，采用简易的有效办法（如用垫板），通过焊接进行局部的修补，通过改善构造细节来控制裂纹发生无疑是一种行之有效的办法。钢桥面板的疲劳损伤类型较多，大致可分为：纵肋与横肋的焊缝相交部位、桥面板与竖向加劲肋相交的焊缝部位、桥面板与闭口肋相交的焊缝部位的疲劳裂纹等。

2正交异性钢桥面板疲劳易损区应力分析

2.1工程背景

某大桥为主跨600m的双向6车道公路悬索桥，设计寿命为100年。大桥主梁采用扁平钢箱梁结构形式，梁高3m，宽33m，在主梁吊索处以及两吊索间跨中处设有实腹型横隔板，在两吊索间1/4跨与3/4跨处设有空腹型横隔板，横隔板间距为3m，主梁结构未设置纵向腹板，钢箱梁桥面板采用正交异性板。

2.2模型试验

（1）模型设计。正交异性板焊接构造细节主要受第二体系力与第三体系力的影响，呈现明显的局部效应。钢箱梁结构在移动荷载作用下会产生横向剪切作用，并通过横隔板发生剪切变形的方式传递至整个箱梁结构，使顶板、加劲肋腹板产生面外弯曲应力。并且，直接承受移动荷载的桥面板还会产生局部支撑作用。在横向剪切作用和局部支撑作用的共同影响下，正交异性板焊接构造细节处会产生明显的应力集中，从而导致其在循环荷载作用下发生疲劳损伤。模型设计过程中应当兼顾上述2种作用的影响。依据上述正交异性桥面板的受力特性，选取主跨梁段进行足尺节段模型疲劳试验研究。通过对多个模型设计方案进行对比研究，最终确定试验模型横向设置8条u形加劲肋，横向跨度较大，以模拟原桥结构的剪切变形（参见图1）。

（2）模型概况。试验模型主要由顶板、纵向u形加劲肋、横隔板以及腹板组成。综合考虑应力等效性及试验场地限制等约束条件，确定模型长3.04m、宽5.14m、高1.278m，横向设置8条u形加劲肋，加劲肋间距为0.6m，纵向设置3道横隔板，其中中横隔板高1.2m，边横隔板高0.51m，中横隔板与边横隔板间距为1.3m。顶板厚16mm，u形加劲肋板厚8mm，横隔板厚12mm，腹板厚20mm。u形加劲肋的形状、间距，横隔板开口尺寸，顶板、加劲肋、横隔板等板件的厚度均与实桥相同。模型用钢均采用与实桥相同的Q345qD，焊接工艺与加工方法也与实桥相同。

（3）试验方案。根据原桥节段有限元分析结果，确定足尺模型疲劳试验加载幅P=800kN，荷载上限Pmax=850kN，下限Pmin=50kN，试验采用等幅加载，加载频率为1.SHz，荷载循环500万次。试验采用MTS液压伺服作动仪进行加载。试验过程中，在荷载循环次数达到25万次的整数倍时停机进行静载试验，采集疲劳易损构造的应变数据，并对焊接构造细节进行裂缝观测。

2.3疲劳开裂情况试验结果

根据有限元计算结果及以往经验，加劲肋腹板与横隔板切口焊接处、项板与加劲肋腹板焊接处为控制疲劳性能的主要部位，横隔板切口处也是重点疲劳易损构造。在试验过程中关注这3个部位，观察疲劳裂缝的产生。

（1）加劲肋腹板与横隔板切口焊接处。试验结果表明，当荷载循环次数累计到50万次时，ZL4加劲肋腹板与横隔板焊接构造处测点应力发生突变，但并未观测到可见裂缝。当疲劳循环次数达到400万次时，疲劳裂缝清晰可见。裂缝萌生于加劲肋腹板与横隔板切口的内侧焊趾处，并且以焊趾为中心，在加劲肋腹板上沿模型纵向向两侧扩展。

（2）顶板与加劲肋腹板焊接处。顶板与加劲肋腹板焊接处开裂会破坏桥面结构的防水性能，导致雨水渗入箱梁内部使钢结构发生锈蚀，严重威胁使用安全。当荷载循环次数达到225万次后，YLl加劲肋顶板右侧测点应力数值发生突变。试验结束后，发现此构造处裂缝清晰可见，裂缝起源于加劲肋顶板、加劲肋腹板及横隔板三者焊接构造的焊根处，并以此为中心在顶板上沿模型纵向扩展。试验结束时，顶板裂缝长度达130mm，且贯穿整个桥面板。

（3）横隔板切口处。疲劳试验结束后，横隔板各切口边缘未发现疲劳裂缝。但试验结果与有限元计算结果均表明在ZL4与YL4横隔板下切口处，存在较大的拉应力，其中ZL4横隔板切口（ZL4-HGB）测点实测主拉应力幅达到120MPa。

2.4应力测试结果

试验过程中对各测点的应力进行测试，限于篇幅，本文仅给出开裂测点处的测试结果。ZL4加劲肋并未直接承受竖向荷载，但在加劲肋腹板与横隔板焊接构造处仍发生疲劳损伤。其原因为试验模型设计宽度大，边缘加劲肋剪切作用明显，此种剪切作用会带动加劲肋腹板及顶板产生而外弯曲，从而导致加劲肋腹板与横隔板焊接处产生较大的拉应力。

在前225万次循环中，焊趾处应力为压应力，且测点位置越靠近焊趾，其应力数值越大，由于试验过程中加载混凝土板存在开裂现象，因此各测点应力数值产生一定波动，且变化较小。250万次以后，各测点压应力值均逐渐减小，距离焊趾20mm处测点的应力转为拉应力，证明在225万次后YLl加劲肋顶板焊趾构造处发生疲劳塑性变形，即225万次为该构造疲劳开裂的始点。YLl顶板测点处于压应力作用区域，但由于焊接残余应力的影响，在该构造部位依然产生了疲劳裂缝。因此，对于焊接结构而言，压应力循环同样会导致疲劳开裂，焊接残余应力的影响应予以重视。

2.5疲劳性能评估

采用热点应力法对试验模型的疲劳性能进行评估。研究表明，热点应力法能够有效避免复杂应力状态下名义应力难以定义的问题，因此热点应力法更适用于正交异性板这类复杂的空间焊接结构疲劳等级的评估。经测算，有限元计算得到ZL4加劲肋与YLl顶板开裂位置的计算热点应力分別为157MPa和123MPa。

3结束语

加劲肋腹板与横隔板切口焊接构造易于发生疲劳破坏，疲劳裂缝从加劲肋与横隔板焊趾处萌生，并沿模型纵向向两侧扩展。顶板与加劲肋腹板焊接构造虽位于受压循环区，但同样容易产生疲劳破坏，裂缝沿桥梁纵向扩展。横隔板切口存在较大拉应力，但经过500万次疲劳试验后并未发生可见裂缝，证明其疲劳强度较高。