熊 建 輝

（北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司深圳分院，廣東 深圳 518045）

隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)程的推進(jìn)，橋梁的建設(shè)規(guī)模隨之?dāng)U大，鋼結(jié)構(gòu)橋梁屬于重要的橋梁形式，其抗疲勞性能是影響橋梁穩(wěn)定性和安全性的重要因素，需要在設(shè)計(jì)階段妥善做好橋梁鋼結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)工作，確保建成的橋梁鋼結(jié)構(gòu)在承受較強(qiáng)荷載作用時(shí)可保持穩(wěn)定，滿足橋梁長(zhǎng)久使用的要求。橋梁鋼結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)要求較多，為保證設(shè)計(jì)的有效性，應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探討。

1 橋梁鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)的基本原則

橋梁鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)應(yīng)遵循質(zhì)量先行的基本原則，原因在于保證質(zhì)量是提升橋梁鋼結(jié)構(gòu)耐久性、降低成本的重要前提。橋梁鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量除了與自身因素有關(guān)外，還受到周邊環(huán)境的影響，設(shè)計(jì)人員應(yīng)強(qiáng)化質(zhì)量意識(shí)，通過(guò)科學(xué)的設(shè)計(jì)策略排除內(nèi)外部因素的影響，提高橋梁鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。橋梁鋼結(jié)構(gòu)抗疲勞性能與鋼構(gòu)件有關(guān)，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)注重鋼構(gòu)件類(lèi)型、結(jié)構(gòu)尺寸和組合方式，保證鋼構(gòu)件完整、穩(wěn)定。若鋼構(gòu)件存在細(xì)小裂紋，可能會(huì)影響表觀質(zhì)量，甚至出現(xiàn)安全問(wèn)題，在車(chē)輛荷載的作用下，裂紋持續(xù)發(fā)展，鋼構(gòu)件的穩(wěn)定性明顯下降，甚至威脅全橋的安全性。因此，在橋梁鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)合理選擇鋼構(gòu)件并注重對(duì)質(zhì)量的控制[1]。

2 工程實(shí)例

廣東省深圳市仙湖1#大橋主橋?yàn)橹亓κ綉宜鳂?，主跨跨徑?80 m，橋面板采用正交異性鋼橋面板，加勁梁采用流線型封閉箱梁，主梁中心梁高為3 m，頂板厚度為14 mm，連接至頂板的U 肋的厚度為8 mm。主橋鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)12 m，橫隔板間距為3 m，各標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段的橫隔板數(shù)量均為4 道，非吊點(diǎn)處、吊點(diǎn)處的橫隔板厚度分別為8 mm 和10 mm。

橋梁設(shè)計(jì)完成至施工前耽擱時(shí)間較長(zhǎng)，橋梁所在地區(qū)的城市規(guī)劃有所調(diào)整，橋梁重載交通量增加。為保障建成后的橋梁可正常運(yùn)營(yíng)，將重載交通量提高至25 000 輛/年，并以調(diào)整后的重載交通量為準(zhǔn)，重新評(píng)估主梁疲勞性能。結(jié)果顯示，如圖1 所示的5 個(gè)主要細(xì)節(jié)疲勞中，橫隔板開(kāi)口最不利截面邊緣處（細(xì)節(jié)5）未達(dá)到最新重載交通量的疲勞性能要求。因此，以細(xì)節(jié)5 為重點(diǎn)設(shè)計(jì)部位，進(jìn)行正交異性鋼橋面板抗疲勞設(shè)計(jì)。

圖1 正交異性鋼橋面板疲勞細(xì)節(jié)示意圖

3 有限元模型的構(gòu)建

主梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段板單元有限元模型的構(gòu)建采用有限元軟件Ansys，加勁梁的結(jié)構(gòu)對(duì)稱，因此節(jié)段模型取截面的1/2 即可。本次建模采用4 節(jié)點(diǎn)Shell181 板殼單元，總長(zhǎng)度15 m。除中間非吊點(diǎn)橫隔板上方0.5 m 內(nèi)與頂板和U 肋相交的齒形板為精細(xì)劃分單元外，模型中其余部分的網(wǎng)格劃分相對(duì)較粗，按此方式建模后，在保證模型可用性的同時(shí)還可提高建模效率。模型對(duì)稱部位施加對(duì)稱約束力，吊點(diǎn)處施加豎向約束力，兩端施加縱橋向約束力，建模結(jié)果見(jiàn)圖2～圖3。

圖2 有限元模型示意圖

圖3 節(jié)段模型簡(jiǎn)圖及加載示意圖（mm）

建模后，施加《公路橋梁疲勞設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)》中的疲勞荷載模型3，此模型為四軸車(chē)，輪截面積為0.4 m×0.4 m，每軸荷載120 kN，橫向輪距為2 m，橋面鋪裝對(duì)車(chē)輛輪載有擴(kuò)散作用，比例為1:1，形成車(chē)輛荷載經(jīng)由橋面鋪裝層傳遞至鋼箱梁的傳力路徑。在施加疲勞荷載模型3 后，確定疲勞細(xì)節(jié)的應(yīng)力時(shí)程，評(píng)估細(xì)節(jié)的疲勞性能。為了評(píng)估疲勞荷載作用效應(yīng)，將其施加到試驗(yàn)車(chē)道的中央，主要是行駛重載車(chē)輛的慢車(chē)道。作用于正交異性鋼橋面板的疲勞荷載模型3，橫向分布位置對(duì)分析結(jié)果影響很大，車(chē)輪橫向位置統(tǒng)計(jì)分布見(jiàn)圖4。

圖4 車(chē)輛橫向位置統(tǒng)計(jì)分布（m）

4 正交異性鋼橋面板疲勞性能分析

以細(xì)節(jié)5 為例，此部位為橫隔板切口邊緣，屬于疲勞應(yīng)力較強(qiáng)的部位，根據(jù)有限元建模結(jié)果確定應(yīng)力分布特征，用影響線法明確橫橋向輪載最不利的加載部位，縱向加載疲勞荷載模型，生成如圖5所示的應(yīng)力幅值。細(xì)節(jié)5 的疲勞應(yīng)力幅較小，此處厚度為16 mm 的吊點(diǎn)橫隔板不受疲勞設(shè)計(jì)控制，因此疲勞分析的重點(diǎn)考慮對(duì)象應(yīng)為非吊點(diǎn)橫隔板。

圖5 疲勞驗(yàn)算點(diǎn)的應(yīng)力幅值

應(yīng)力集中點(diǎn)的疲勞應(yīng)力幅值計(jì)算公式如下：

式（1）中：Δσi為疲勞應(yīng)力幅值，Δσmax為最大疲勞應(yīng)力幅值，Δσmin為最小疲勞應(yīng)力幅值，MPa。疲勞損傷及壽命預(yù)估結(jié)果見(jiàn)表1～表2。

表1 疲勞壽命檢測(cè)

表2 壽命預(yù)估結(jié)果

根據(jù)表1～表2 可知，在重載交通量為15 000輛/年時(shí)，非吊點(diǎn)處8 mm 厚的上橫隔板的疲勞使用壽命為126.6 年，滿足抗疲勞驗(yàn)算要求；但重載交通量增至25 000 輛/年時(shí)，該部位的疲勞使用壽命縮短至76.0 年，耐用年限未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，需采取優(yōu)化措施以提高非吊點(diǎn)處上橫隔板的抗疲勞性能。

5 提高抗疲勞性能的措施

對(duì)未加工的鋼箱梁節(jié)段，可通過(guò)增加非吊點(diǎn)處橫隔板厚度的方式降低應(yīng)力集中點(diǎn)的疲勞應(yīng)力幅值，結(jié)合本橋梁工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工程建設(shè)條件，提出在自由邊貼焊新板、增設(shè)小橫隔板的方法。

5.1 加厚上橫隔板

以疲勞關(guān)鍵細(xì)節(jié)5 為例，在原設(shè)計(jì)方案中，與頂板和U 肋焊接的齒形上橫隔板的厚度為8 mm，將其加厚至14 mm 后進(jìn)行檢驗(yàn)，得知應(yīng)力幅值降低34.3%，疲勞使用壽命延長(zhǎng)至221 年，達(dá)到耐用年限要求。可見(jiàn)，以加厚橫隔板的方法提高正交異性板的疲勞性能具有可行性[2]。

5.2 橫隔板開(kāi)口的自由邊貼焊新板

在加厚橫隔板的基礎(chǔ)上，于板開(kāi)孔的自由邊緣雙側(cè)貼焊新板，材料采用寬度為40 mm 的彎曲鋼板，雙側(cè)焊接厚度控制在8 mm。檢驗(yàn)細(xì)節(jié)5 在貼焊彎曲鋼板后的應(yīng)力幅值，此時(shí)的應(yīng)力幅值相比于原設(shè)計(jì)方案降低41.2%，疲勞使用壽命為374 年，達(dá)到重載交通量提高后對(duì)疲勞細(xì)節(jié)5 的疲勞性能要求，因此理論上在自由邊貼焊彎曲鋼板的方法具有可行性?？紤]到焊接精度要求高、質(zhì)量控制難度大等特殊性，在現(xiàn)場(chǎng)安排焊接試驗(yàn)后檢驗(yàn)自由邊貼焊新板的實(shí)際應(yīng)用效果。焊接中，焊接熱應(yīng)變影響到齒形橫隔板，此結(jié)構(gòu)存在大幅度的彎曲變形現(xiàn)象，進(jìn)而影響上、下橫隔板，致使局部結(jié)構(gòu)的形態(tài)出現(xiàn)異常，受力性能降低。因此，在自由邊貼焊新板的方法可行性偏低，易由于焊接操作不當(dāng)引起質(zhì)量問(wèn)題，不宜作為疲勞細(xì)節(jié)的性能強(qiáng)化措施。

5.3 距原橫隔板0.3 m 處增設(shè)小橫隔板

細(xì)節(jié)5 的主應(yīng)力有限元建模分析結(jié)果與Mises應(yīng)力結(jié)果基本一致，橫隔板的面外彎曲應(yīng)力較低，所受應(yīng)力以豎向應(yīng)力居多。根據(jù)該受力特點(diǎn)，在原橫隔板周邊增設(shè)新橫隔板，用新增結(jié)構(gòu)承擔(dān)部分豎向荷載。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果可知，新增小橫隔板的位置距離原橫隔板0.3 m 較為合適，板厚8 mm、高度0.4 m，開(kāi)孔位置與原上橫隔板相同，此時(shí)細(xì)節(jié)5 的應(yīng)力幅值及疲勞使用年限計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 疲勞壽命及損傷匯總（重載交通量25 000 輛/年）

根據(jù)表3 可知，細(xì)節(jié)5 的最大疲勞應(yīng)力幅值因增設(shè)新橫隔板而降低13.3%，疲勞使用壽命為116.7年，達(dá)到重載交通量為25 000 輛/年交通條件下的疲勞設(shè)計(jì)壽命要求。從現(xiàn)場(chǎng)施工的角度來(lái)看，在距離原橫隔板0.3 m 位置開(kāi)設(shè)小橫隔板的方式操作便捷，質(zhì)量可控性良好，增設(shè)小橫隔板并不會(huì)影響到頂板結(jié)構(gòu)。因此，為原橫隔板增設(shè)小橫隔板的方法在理論和實(shí)踐中均具有可行性，推薦將此方法用于提高結(jié)構(gòu)疲勞使用壽命。

6 橋梁鋼結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)策略

6.1 穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)橋梁的重量輕、強(qiáng)度高，具有其它橋梁難以比擬的優(yōu)勢(shì)，但此類(lèi)橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性較差，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮此問(wèn)題。為保障鋼結(jié)構(gòu)橋梁的正常使用，在橋梁鋼結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)中需要注重橋梁的穩(wěn)定性要求。設(shè)計(jì)人員需分析橫梁受力情形，預(yù)測(cè)橋梁使用過(guò)程中的受力特點(diǎn)，評(píng)估橫梁受力時(shí)的穩(wěn)定程度，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，使受力點(diǎn)在橫梁上均勻分布，以免因局部受力不均而導(dǎo)致橫梁的穩(wěn)定性下降。同時(shí)，在橫梁建設(shè)中采用灌砂的方法，以增強(qiáng)其穩(wěn)定性[3]。

6.2 安全壽命設(shè)計(jì)

為滿足橋梁鋼結(jié)構(gòu)耐久穩(wěn)定的要求，需要做好安全壽命設(shè)計(jì)工作，確保建設(shè)成型的橋梁鋼結(jié)構(gòu)在指定的使用年限內(nèi)均保持穩(wěn)定。在橋梁鋼結(jié)構(gòu)的安全壽命設(shè)計(jì)中，以S-N 曲線為標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展設(shè)計(jì)工作，分析加載序列與頻率，測(cè)定荷載力，評(píng)價(jià)荷載作用對(duì)橋梁鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。同時(shí)，密切關(guān)注橋梁當(dāng)前的使用環(huán)境，根據(jù)使用現(xiàn)狀估算橋梁鋼結(jié)構(gòu)的剩余壽命，針對(duì)薄弱部位采取強(qiáng)化措施[4]。

6.3 疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)

橋梁鋼結(jié)構(gòu)的截面內(nèi)力需要得到有效控制，在設(shè)計(jì)階段，根據(jù)橋梁鋼結(jié)構(gòu)屬性計(jì)算內(nèi)力值，同時(shí)關(guān)注橋梁結(jié)構(gòu)較強(qiáng)荷載部位和較大剛度部位。在疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)橋梁模型分析移動(dòng)荷載非線性特征，確定結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)在受到移動(dòng)荷載作用時(shí)的應(yīng)力。在設(shè)計(jì)階段可能由于員工主觀因素或其他因素干擾而出現(xiàn)誤差，需要進(jìn)行細(xì)致分析，盡可能保證設(shè)計(jì)的客觀性。例如，針對(duì)橋梁鋼結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)部分進(jìn)行疲勞抗力設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)計(jì)算后確定兩種有效減小疲勞細(xì)節(jié)5 處疲勞應(yīng)力幅值的方法：①增加上橫隔板厚度；②距離原橫隔板0.3 m 處增加1 道小橫隔。

7 結(jié)語(yǔ)

本文以懸索橋主橋正交異型鋼橋面板的工程實(shí)例為研究對(duì)象，建立有限元模型，評(píng)估主橋關(guān)鍵細(xì)節(jié)的疲勞性能，得到如下結(jié)論。

1）提高橋梁部分疲勞細(xì)節(jié)承載性能的方法：①加厚未加工鋼箱梁段齒形上橫隔板的厚度，由原設(shè)計(jì)方案的8 mm 增厚至14 mm；②在距原橫隔板0.3 m 的部位增設(shè)板厚8 mm、高度0.4 m 的小橫隔板，承擔(dān)部分豎向荷載。

2）分析表明，為原橫隔板增設(shè)小橫隔板后，原設(shè)計(jì)方案下橋梁橫隔板疲勞應(yīng)力幅值較高的問(wèn)題得到有效緩解，妥善解決了局部薄弱區(qū)域疲勞性能不足的問(wèn)題，本方案具有可行性。