何 江

（中國中鐵七局集團第三工程有限公司，陜西咸陽 712000）

0 前言

鋼橋或組合橋梁在交通荷載反復作用下，將使鋼構(gòu)件產(chǎn)生疲勞，當疲勞損傷達到一定程度時，將會威脅橋梁結(jié)構(gòu)的整體安全性。目前針對鋼橋的疲勞設(shè)計和評估，廣泛采用的是基于S-N曲線的名義應力法。但使用的S-N曲線必須與特定的焊接細節(jié)相對應，由于有效的疲勞試驗數(shù)據(jù)極其匱乏，難以建立眾多焊接細節(jié)的疲勞壽命S-N曲線，設(shè)計時又常存在判斷焊接細節(jié)類型的混亂，甚至誤判和錯判。目前，在鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞狀況評估中，對于疲勞應力譜的建立，可采用的方法有兩種：一是通過對交通量的調(diào)查或預測，根據(jù)所得各類車型荷載參數(shù)模擬橋梁疲勞荷載譜，計算得到疲勞應力譜；二是在橋梁較易發(fā)生疲勞破壞的位置布置測量元件，測試正常運營期間各測點的疲勞應力歷程，再基于雨流計數(shù)獲得疲勞應力譜。由于疲勞荷載譜法是建立在對交通量調(diào)查和預測的基礎(chǔ)上的，其所得結(jié)果往往與正常運營期間的實際疲勞應力譜相差甚遠[1]。

因此，如何通過在關(guān)鍵位置布點測試應力歷程，獲得蘇通大橋運營期間的疲勞應力譜是實現(xiàn)其疲勞狀況評估的首要問題。本文通過現(xiàn)場測試并結(jié)合詳細的理論計算分析，掌握超大跨徑斜拉橋鋼結(jié)構(gòu)的疲勞狀況，為大橋的養(yǎng)護管理提供必要的技術(shù)依據(jù)。

1 工程背景

某斜拉橋為：100 m+100 m+300 m+1088 m（中跨）+300 m+100 m+100 m的雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，主梁采用扁平流線形鋼箱梁。頂板在順橋向不同區(qū)段采用了14～24 mm不同的厚度，橫橋向靠近外腹板2.55 m范圍內(nèi)采用了20 mm、24 mm兩種厚度，頂板設(shè)置了8～10 mm厚的U型加勁肋；底板在順橋向不同區(qū)段采用了12～24 mm不同的厚度，并設(shè)置了6～8 mm厚的U型加勁肋。鋼箱梁內(nèi)設(shè)置了橫隔板，其標準間距為400 cm。非吊點處橫隔板一般為10 mm厚，拉索吊點處橫隔板采用變厚度，即外腹板附近為16 mm厚、中間為12 mm厚。鋼箱梁內(nèi)設(shè)置兩道縱隔板，除豎向支承區(qū)、壓重區(qū)和索塔附近梁段采用實腹板式外，余均為桁架式。斜拉索在主梁上的錨固采用錨箱式，錨箱安裝在主梁腹板外側(cè)，并與其焊成一體。主梁采用Q370qD和Q345qD鋼材，鋼材屈服強度及其相關(guān)容許應力隨板厚變化根據(jù)GB/T714－2000規(guī)定執(zhí)行。索塔采用倒Y形混凝土塔，上塔柱為對稱單箱單室斷面，壁厚在斜拉索錨固面為100 cm，非錨固面為120 cm。斜拉索在索塔上的錨固，第1～3對直接錨固在上塔柱的混凝土底座上，其他采用鋼錨箱錨固。鋼錨箱包裹在上塔柱混凝土中。鋼錨箱采用節(jié)段制作，節(jié)段長711.8～851.7 cm，寬 240 cm，高 230～355 cm，節(jié)段間采用高強螺栓連接；鋼錨箱與索塔之間側(cè)向接觸面采用剪力釘連接，最下端直接支撐于混凝土底座上。

2 疲勞監(jiān)測點布設(shè)與測試內(nèi)容

2.1 測試部位與測試內(nèi)容

根據(jù)大橋整體和局部受力分析以及動靜載試驗結(jié)果[2]，并考慮到測試的經(jīng)濟性，選擇以下部位作為測試區(qū)域：（1）中跨鋼箱梁板厚變化及U肋厚度最小處（S1，距北塔332.8 m），該部位U肋厚度最小、鋼板厚度變化，且動靜載試驗中其實際應力大于設(shè)計計算值。（2）中跨拉索應力變化較大的J33索處上游鋼錨箱（S2），J33索是最大索力之一，拉索索力變化較大；該索梁錨固區(qū)各部位（含聯(lián)結(jié)腹板）的應力與計算應力水平相當，但實際應力分布規(guī)律與現(xiàn)有理論分析模型的計算結(jié)果存在一定的差異。（3）北塔鋼錨箱（S3，對于2#索），是典型的索塔鋼錨箱，是關(guān)鍵受力部位之一。測試斷面布置如圖1所示。

圖1 測試斷面布置示意圖（單位：cm）

測試內(nèi)容包括：（1）鋼箱梁頂、底板與U肋焊接節(jié)點焊縫周圍：頂、底板應力及U肋應力；（2）索梁鋼錨箱承壓板與箱梁外腹板焊縫周圍：承壓板及外腹板的應力；（3）索梁鋼錨箱上、下錨固板與箱梁外腹板焊縫周圍：錨固板及外腹板的應力；（4）索塔鋼錨箱底板和腹板的應力。

2.2 測點布置

在鋼箱梁測試斷面S1的上下游分別選擇縱隔板附近的頂板U肋及底板U肋作為測試區(qū)域，測點布置[3]如圖2所示。

圖2 底板及底板U肋測點布置示意圖

考慮到斜拉索索力最終是通過鋼錨箱的承壓板、上錨固板及下錨固板與箱梁外腹板的焊縫傳遞給外腹板，索梁錨固區(qū)鋼錨箱的測點主要沿著焊縫的縱向布置；在鋼錨箱底板和腹板上分別布置三向應變花，同時沿著兩板件的豎向焊縫布置垂直于焊縫方向的單向應變片（見圖3）。

圖3 索梁及索塔錨固區(qū)測點布置示意圖(單位：mm)

3 監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 應變時程分析

對斜拉橋鋼箱梁、索梁錨固區(qū)鋼錨箱，以及索塔錨固區(qū)鋼錨箱等關(guān)鍵部位分別進行了連續(xù)48 h的疲勞應力監(jiān)測。圖4為各關(guān)鍵部位不同時刻的應變歷程。由圖4可知：上午9點到下午5點，應變峰值較其他時間段內(nèi)要大，且應變出現(xiàn)峰值的次數(shù)較多；鋼箱梁靠近焊縫的測點應變大于遠離焊縫的測點，反映出焊縫附近的應力集中效應；鋼箱梁的應力水平明顯大于索梁、索塔錨固區(qū)的鋼錨箱。鋼箱梁的應變值基本在40με以內(nèi)，但在某瞬時應變值能達到120με以上，突顯出重車對橋梁結(jié)構(gòu)的影響遠大于一般車輛；索塔錨固區(qū)鋼錨箱應力水平較低，應變值基本都在15με以內(nèi)。

3.2 應力幅譜分析

對鋼箱梁、鋼錨箱分別取其連續(xù)24 h的應變監(jiān)測數(shù)據(jù)作為考察對象，基于雨流計數(shù)法編制程序?qū)r程進行統(tǒng)計計數(shù)，獲得大橋正常運營期間鋼箱梁和鋼錨箱1 d的應力譜。表1為鋼錨箱主要測點的應力幅及相應的循環(huán)次數(shù)。在表1中，雖然鋼箱梁頂板測點的最大應力幅達到50 MPa以上，但其作用次數(shù)只有四次，其他高應力幅值的循環(huán)次數(shù)也較少，因此，為了方便比較，圖5、圖6只列出鋼箱梁主要測點2～10 MPa之間循環(huán)次數(shù)較多的應力幅。

從表1和圖5、圖6可看出：

（1）隨著應力幅的增大，鋼箱梁頂板各應力幅的循環(huán)次數(shù)降低，但橫向應力幅降低的速度快于縱向應力幅。相同應力幅下，橫向應力幅的循環(huán)次數(shù)小于縱向應力幅的循環(huán)次數(shù)。這是由于橫橋向主梁受到塔梁間橫向抗風支座的約束作用，而縱向只有帶限位功能的阻尼器，較橫向更自由。頂板和U肋腹板的應力幅值較大，頂板最大應力幅值達到56.7 MPa，U肋腹板達到35.4 MPa。根據(jù)英國規(guī)范BS5400[4]關(guān)于鋼橋焊接細節(jié)的分類，U形加勁肋貼角焊縫屬于W級，其疲勞極限值為25 MPa。因此，鋼箱梁頂板和U肋腹板的最大應力幅值均已超過了該細節(jié)不發(fā)生疲勞損傷的極限值，在車載的累積作用下，該部位易出現(xiàn)疲勞裂紋，需進一步進行疲勞狀況評定。

圖4 關(guān)鍵部位24 h典型應變歷程圖示

表1 各主要測點應力幅頻次一覽表

圖5 鋼箱梁頂板應力譜柱狀圖

圖6 鋼箱梁底板應力譜柱狀圖

（2）與頂板類似，相同應力幅下，鋼箱梁底板橫向應力幅的循環(huán)次數(shù)也小于縱向應力幅的循環(huán)次數(shù)。但底板和底板U肋的應力幅值較小，主要集中在2～10 MPa之間，最大應力幅值不超過20 MPa,而BS5400中各焊接細節(jié)發(fā)生疲勞損傷的最小極限值為25 MPa，因而，以目前的交通狀況，底板和底板U肋不會出現(xiàn)疲勞損傷。

（3）索梁錨固區(qū)鋼錨箱各板件的應力幅均較小。承壓板及與之相連的箱梁外腹板不僅應力幅值小，而且在各級應力幅值下的循環(huán)次數(shù)也很少。上、下錨固板的主應力幅主要集中在10 MPa以內(nèi)，高應力幅值的循環(huán)次數(shù)較少，1 d內(nèi)上錨固板主應力幅值大于10 MPa的循環(huán)次數(shù)只有3次，下錨固板僅有6次；而且上、下錨固板最大應力幅值也只有26.8 MPa左右。與上、下錨固板相焊接的鋼箱梁外腹板的應力幅值較大，外腹板主應力幅值大于20 MPa的循環(huán)次數(shù)有40次，大于30 MPa的循環(huán)次數(shù)有14次。由于錨固板、承壓板均通過8 mm×8 mm的直角焊縫與箱梁外腹板相連，在BS5400規(guī)范中，該焊接細節(jié)屬于F2類，疲勞極限值為35 MPa，箱梁外腹板的最大應力幅值已超過該極限值，所以，長期交通荷載作用下，箱梁外腹板亦有可能出現(xiàn)疲勞裂紋。

（4）索塔錨固區(qū)鋼錨箱測點的應力幅值主要集中在2 MPa以下，最大應力幅不超過4 MPa，遠小于BS5400規(guī)定的發(fā)生疲勞損傷的極限值，因此，正常運營狀態(tài)下，索塔鋼錨也不會發(fā)生疲勞損傷。

4 結(jié)論

（1）鋼箱梁底板、索塔鋼錨箱、索梁鋼錨箱錨固板，以及承壓板的應力幅水平都很低，正常運營狀態(tài)下，不可能出現(xiàn)疲勞損傷。

（2）索梁鋼錨箱外腹板雖存在疲勞損傷，但疲勞壽命遠大于設(shè)計使用年限。

即使今后交通量的增大和車輛軸重的提高，該部位出現(xiàn)疲勞破壞的可能性也很小。

（3）鋼箱梁頂板焊接細節(jié)是全橋疲勞性能最薄弱的部位，若重型車尤其是超重車的頻繁作用，該區(qū)域有可能在設(shè)計使用年限內(nèi)出現(xiàn)疲勞破壞。

[1]Eurocode 3:Design of steel structures.The European Standard EN 1993-1-9.2005.

[2]同濟大學.蘇通長江大橋動靜載試驗報告[R].2008.

[3]張啟偉.蘇通大橋斜拉橋鋼結(jié)構(gòu)疲勞監(jiān)測與評估報告[R].上海：同濟大學橋梁工程系，2010.

[4]英國標準學會.鋼橋、混凝土橋及結(jié)合橋（英國標準BS5400）第十篇:疲勞設(shè)計實用規(guī)則[M].成都:西南交通大學出版社，1987.