祝志文，文鵬翔，李健朋，李積泉，麥鵬

(1. 湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2. 佛山市路橋養(yǎng)護(hù)有限公司，廣東 佛山 528000)

正交異性鋼橋面板因其優(yōu)良的受力特性和經(jīng)濟(jì)性能，在現(xiàn)代橋梁工程中得到了廣泛應(yīng)用。但此類(lèi)結(jié)構(gòu)的疲勞問(wèn)題較為突出[1?2]，國(guó)內(nèi)外的正交異性鋼橋面板疲勞病害表明：正交異性鋼橋面板疲勞病害一旦發(fā)生，將直接影響結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)質(zhì)量甚至顯著降低其耐久性；病害不僅修復(fù)費(fèi)用高而且難以取得理想的修復(fù)效果[3?5]。因此，正交異性鋼橋面板的疲勞研究具有理論和現(xiàn)實(shí)的意義。由于我國(guó)公路交通量增速快、車(chē)流量尤其是貨車(chē)通行量大，且超載嚴(yán)重，使得疲勞開(kāi)裂這一問(wèn)題更為突出，尤其是公路橋梁。正交異性鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞開(kāi)裂主要集中在面板?縱肋焊縫、弧形切口母材、縱肋和橫肋連接焊縫下端、縱肋對(duì)接焊縫和面板?橫肋焊縫處等[6]。正交異性鋼橋面板的開(kāi)裂，嚴(yán)重地影響了橋梁的使用和耐久性。目前使用最廣泛的U型閉口縱肋，出現(xiàn)最多且危害較大的一類(lèi)問(wèn)題是鋼橋面板與縱肋連接處的疲勞裂紋。根據(jù)裂紋萌生位置及擴(kuò)展路徑的不同，疲勞裂紋可分為4種：萌生于面板側(cè)焊根的疲勞裂紋 1、萌生于面板側(cè)焊趾的疲勞裂紋 2、萌生于縱肋側(cè)焊趾的疲勞裂紋 3，以及萌生于焊根穿透焊喉的疲勞裂紋 4[7]，如圖 1所示。超高性能混凝土簡(jiǎn)稱(chēng)UHPC(Ultra-High Performance Concrete)是一種高模量、高強(qiáng)度、高延性的超高性能纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料。邵旭東等[8?9]提出了一種正交異性鋼板-UHPC組合橋面(簡(jiǎn)稱(chēng)為鋼-UHPC組合橋面)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是在正交異性鋼面板上焊接剪力釘、并沿橫向和縱向分別設(shè)置鋼筋網(wǎng)，再澆注薄層超高性能活性粉末混凝土層。為提供較好的行車(chē)條件，再在上面鋪設(shè)一層約20 mm厚的瀝青混凝土。我國(guó)公路交通量增長(zhǎng)迅速，且貨車(chē)超載非常嚴(yán)重，采用鋼-UHPC組合橋面的目的，是希望降低輪載作用下構(gòu)造細(xì)節(jié)的應(yīng)力幅，提高正交異性鋼橋面板的疲勞性能。目前，鋼-UHPC組合橋面鋪裝已在2014?12?28建成通車(chē)的廣東佛山市佛陳路快速化改造中的佛陳擴(kuò)建橋的正交異性鋼橋面板上使用，但基于現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)車(chē)流下縱肋?面板構(gòu)造細(xì)節(jié)系統(tǒng)的疲勞評(píng)價(jià)未見(jiàn)報(bào)道。

1 橋梁工程與試驗(yàn)布置

佛陳大橋位于佛山市禪城區(qū)和順德區(qū)交界處。2014年在佛陳大橋兩側(cè)進(jìn)行了擴(kuò)建，擴(kuò)建工程主橋采用58.5 m＋112.8 m＋58.5 m=229.8 m的3跨鋼箱連續(xù)梁橋和鋼-UHPC組合橋面鋪裝，采用雙幅變截面直腹板鋼箱連續(xù)梁，單幅梁寬15.75 m，包括了3幅寬3.75 m的行車(chē)道如圖3(b)。正交異性鋼橋面板采用16 mm厚面板，8 mm厚閉口縱肋以及12 mm厚橫肋，相鄰橫肋間距2 500 mm；U形縱肋高280 mm，上端寬285 mm，肋底部寬170 mm，相鄰縱肋間距為570 mm，其他布置見(jiàn)圖2。

圖1 縱肋?面板構(gòu)造細(xì)節(jié)開(kāi)裂形態(tài)Fig. 1 Fatigue crack patterns at rib-to-deck welding detail

圖2 UHPC組合鋪裝正交異性鋼橋面結(jié)構(gòu)Fig. 2 Orthotropic steel deck with UHPC composite overlay

本文隨機(jī)車(chē)流下的應(yīng)力監(jiān)測(cè)在西幅橋主梁中跨接近4分點(diǎn)位置開(kāi)展，橫隔板由主橋結(jié)構(gòu)最南端(S)開(kāi)始向北(N)逐個(gè)編號(hào)，如圖 3(a)所示。測(cè)點(diǎn)布設(shè)選擇在輪跡線下方的縱肋附近，但實(shí)際車(chē)輛運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，由于駕駛員的駕駛習(xí)慣，車(chē)輛行駛位置在橫向服從一定的概率分布，因此本文在 36號(hào)橫隔板(D36)及其附近布置了多個(gè)工況。針對(duì)正交異性橋面板常見(jiàn)的疲勞裂紋病害，實(shí)驗(yàn)中在多個(gè)縱肋附件的構(gòu)造細(xì)節(jié)布設(shè)了應(yīng)變片。因篇幅限制，本文僅給出縱肋?面板構(gòu)造細(xì)節(jié)相關(guān)的研究結(jié)果。

本文分析的是工況中13、14、19和20號(hào)縱肋與面板焊縫位置的應(yīng)變片數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖3(b)。R14附近的應(yīng)變片布置在36號(hào)橫隔板北面(N)，距離面板?橫隔板焊縫6 mm，其他縱肋附近的應(yīng)變片布置于36號(hào)橫隔板與37號(hào)橫隔板的跨中(L/2)位置，如圖3(c)和 3(d)所示。圖中所示為應(yīng)變片編號(hào)，也即采集儀與應(yīng)變片相連的通道號(hào)。定義東側(cè)為E，西側(cè)為W。本文疲勞評(píng)估參考名義應(yīng)力法，所有應(yīng)變片中心均布設(shè)在離焊趾或自由邊邊緣6 mm位置處。本文疲勞試驗(yàn)于2015?12~2016?01實(shí)施，試驗(yàn)采用DH-3820動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)并設(shè)定100 Hz采樣頻率采集了半個(gè)月的數(shù)據(jù)。

圖3 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置Fig. 3 Arrangement of measuring location

2 構(gòu)造細(xì)節(jié)應(yīng)力響應(yīng)

縱肋?面板連接焊縫構(gòu)造細(xì)節(jié)分面板側(cè)和縱肋側(cè)。圖4為13號(hào)，19號(hào)和20號(hào)縱肋附近2個(gè)應(yīng)變片24小時(shí)應(yīng)力時(shí)程圖，6個(gè)測(cè)點(diǎn)在縱橋向的位置均在36號(hào)和37號(hào)橫隔板的跨中位置。很明顯，在同一位置的焊縫兩側(cè)，面板測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力顯著小于縱肋側(cè)，且縱肋上的應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，這說(shuō)明鋼-UHPC組合鋪裝增大了面板剛度，應(yīng)力影響線更廣，使面板局部變形減小，有效地降低了該構(gòu)造細(xì)節(jié)面板側(cè)的應(yīng)力水平。3個(gè)縱肋側(cè)的測(cè)點(diǎn)1-12，1-13和1-16的最大壓應(yīng)力均在40 MPa左右。面板的應(yīng)力偏小，拉壓交替比較明顯，且拉壓應(yīng)力均不超過(guò)20 MPa。

14號(hào)縱肋附近的測(cè)點(diǎn)是布置在橫隔板附近，因面板側(cè)1-11測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)異常，本文僅給出縱肋測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)程圖。14號(hào)縱肋上的2個(gè)測(cè)點(diǎn)24 h應(yīng)力時(shí)程如圖5所示?？梢?jiàn)，14號(hào)縱肋的測(cè)點(diǎn)也是以壓應(yīng)力為主，兩側(cè)的應(yīng)力大小有所差異但都小于跨中部位縱肋測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值，因此，縱肋?面板構(gòu)造細(xì)節(jié)如果發(fā)生裂紋擴(kuò)展，應(yīng)當(dāng)是從縱肋?面板的縱肋一側(cè)開(kāi)始。

圖4 R19和R20附近縱肋?面板構(gòu)造細(xì)節(jié)24 h應(yīng)力時(shí)程Fig. 4 24-hour stress records at rib-to-deck welding detail near R19 and R20

圖5 R14附近縱肋?面板構(gòu)造細(xì)節(jié)24 h應(yīng)力時(shí)程Fig. 5 24-hour stress records at rib-to-deck welding detail near R14

典型貨車(chē)通行下，縱肋與面板焊縫兩側(cè)的短時(shí)應(yīng)力時(shí)程如圖6所示。從圖6可見(jiàn)，在縱肋?面板構(gòu)造細(xì)節(jié)中，縱肋與面板可能同時(shí)受壓，也可能同時(shí)受拉，也可能面板受拉縱肋受壓。總體來(lái)說(shuō)，不管何種應(yīng)力狀況，聯(lián)軸內(nèi)每個(gè)軸組均能產(chǎn)生1個(gè)應(yīng)力峰。在圖6(a)中，縱肋與面板測(cè)點(diǎn)均處于受壓狀態(tài)，每個(gè)貨車(chē)通行產(chǎn)生3個(gè)應(yīng)力幅，如前1軸和后2軸三軸車(chē)產(chǎn)生的應(yīng)力幅，且后軸重量大于前軸；第二時(shí)段應(yīng)當(dāng)是前2軸和后1軸的三軸車(chē)產(chǎn)生的應(yīng)力幅，且后軸重量大于前軸。圖6(b)中第一時(shí)段的應(yīng)力幅是由四軸車(chē)產(chǎn)生的，此構(gòu)造細(xì)節(jié)為受壓狀態(tài)，每個(gè)車(chē)軸都能產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力幅。在圖6(c)中，面板與縱肋均受拉，面板有多個(gè)應(yīng)力幅，說(shuō)明是多軸車(chē)通過(guò)，而縱肋上的應(yīng)力幅已經(jīng)不能分辨聯(lián)軸中的單軸。在圖6(d)中，面板受拉，縱肋受壓，其第二時(shí)段，面板測(cè)點(diǎn)1-4表現(xiàn)出前2軸和后3軸共5個(gè)應(yīng)力峰，縱肋對(duì)應(yīng)是前1軸和后2軸共3個(gè)應(yīng)力幅，推測(cè)通行的是前2軸和后3軸的五軸車(chē)，當(dāng)測(cè)點(diǎn)位于聯(lián)軸中2個(gè)單軸之間位置時(shí)，縱肋上產(chǎn)生應(yīng)力峰值。因此，從上分析可見(jiàn)，對(duì)面板?縱肋焊縫構(gòu)造細(xì)節(jié)，無(wú)論是面板側(cè)還是縱肋側(cè)貨車(chē)每個(gè)車(chē)軸均能產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力幅。

圖6 縱肋?面板構(gòu)造細(xì)節(jié)貨車(chē)通行應(yīng)力時(shí)程Fig. 6 Stress records at rib-to-welding detail under passage of trucks

3 疲勞壽命評(píng)估

目前疲勞壽命評(píng)估主要采用Miner準(zhǔn)則和S-N曲線的分析方法，稱(chēng)之為應(yīng)力?壽命分析方法[6,10]。S-N曲線是反映構(gòu)件所承受的應(yīng)力幅水平與該幅值下疲勞開(kāi)裂所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系曲線?；谟炅饔?jì)數(shù)法獲得疲勞試驗(yàn)應(yīng)力時(shí)程的應(yīng)力譜，并根據(jù)Miner準(zhǔn)則將變幅應(yīng)力譜等效為等效應(yīng)力幅，等效應(yīng)力幅Sreff等于：

式中：ni為其中第i個(gè)應(yīng)力幅Si的日均加載次數(shù)；m為S-N曲線的斜率，本文根據(jù)AASHTO LRFD[11]取3。參考AASHTO LRFD[11]估算構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞壽命為：

式中：Y為疲勞壽命；Sreff為等效應(yīng)力幅；∑ni為某日統(tǒng)計(jì)的總應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；常數(shù)A可根據(jù)AASHTO LRFD規(guī)范建議的疲勞等級(jí)取相應(yīng)的值?？v肋?面板構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞等級(jí)取 C，其常幅疲勞極限為 69 MPa[11]。將實(shí)測(cè)的總共7 d數(shù)據(jù)采用雨流計(jì)數(shù)法計(jì)數(shù)后的各應(yīng)變片的最大應(yīng)力幅、等效應(yīng)力幅以及日均加載次數(shù)(截止應(yīng)力幅取 15 MPa，也即小于 15 MPa的應(yīng)力幅不考慮)見(jiàn)表1。

圖7 日均應(yīng)力譜和等效應(yīng)力幅Fig. 7 Average-day stress spectrum and effective stress ranges

表1 縱肋?面板構(gòu)造細(xì)節(jié)監(jiān)測(cè)結(jié)果(1周數(shù)據(jù))Table 1 Monitoring results at rib-to-deck welding detail (one week data)

由表 1可見(jiàn)，縱肋?面板構(gòu)造細(xì)節(jié)的所有測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)力幅都小于相應(yīng)疲勞等級(jí)的常幅疲勞極限，因此基于AASHTO LRFD[11]，可以認(rèn)為縱肋?面板焊縫構(gòu)造細(xì)節(jié)具有無(wú)限壽命。從表1還可見(jiàn)，面板側(cè)的有效疲勞加載次數(shù)顯著小于縱肋側(cè)，也即鋼-UHPC組合鋪裝不僅減小了縱肋?面板焊縫面板側(cè)的應(yīng)力響應(yīng)，還顯著減少了通行貨車(chē)對(duì)其疲勞加載次數(shù)。構(gòu)造細(xì)節(jié)在各個(gè)位置的應(yīng)力譜和等效應(yīng)力幅如圖7所示。

4 結(jié)論

1) 縱肋?面板構(gòu)造細(xì)節(jié)面板側(cè)應(yīng)力幅顯著小于縱肋側(cè)，說(shuō)明鋼-UHPC橋面鋪裝顯著增大了橋面剛度，增大了輪載分布范圍，減小了面板的應(yīng)力響應(yīng)；同時(shí)，鋼-UHPC組合鋪裝還明顯減少了通行貨車(chē)對(duì)面板的疲勞加載次數(shù)，因而將顯著改善了面板側(cè)的疲勞性能。

2) 縱肋?面板構(gòu)造細(xì)節(jié)無(wú)論是面板側(cè)還是縱肋側(cè)，貨車(chē)每個(gè)軸均能產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力幅，也即縱肋?面板構(gòu)造細(xì)節(jié)能清晰的分辨每個(gè)單軸。

3) 在當(dāng)前隨機(jī)車(chē)流作用下，縱肋?面板構(gòu)造細(xì)節(jié)的最大應(yīng)力幅都小于相應(yīng)的常幅疲勞極限，因此佛陳擴(kuò)建西橋鋼-UHPC組合鋪裝正交異性橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)具有無(wú)限疲勞壽命。

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