正交異性板疲勞分析及構(gòu)造細(xì)節(jié)改進(jìn)設(shè)想

蔣 永，陳惟珍，錢 驥

(同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系，上海 200092)

0 引 言

正交異性鋼橋面板具有材料利用率高、適用范圍廣、承載能力大、結(jié)構(gòu)高度低、施工周期短等諸多特點(diǎn).由于這種結(jié)構(gòu)性能優(yōu)異、節(jié)省材料，緩解了二戰(zhàn)后建筑鋼材緊缺的困境，因而受到世界各國歡迎[1].

圖1 鋼橋面頂板與U肋腹板間焊縫疲勞開裂Fig.1 Fatigue cracking in the weld between the steel deck roof with U rib web

但是，在大規(guī)模建設(shè)背后隱藏著巨大弊病，目前表現(xiàn)最突出的是正交異性板上出現(xiàn)的疲勞裂紋(如圖1所示).最早發(fā)現(xiàn)正交異性板開裂是在英國的Severn橋，該橋建于1966年，并分別于1971年和1977年發(fā)現(xiàn)了3種焊縫細(xì)節(jié)疲勞開裂，發(fā)現(xiàn)病害時距該橋建成不超過6年時間.早前德國的Haseltal橋和Sinntal橋同樣在投入使用不久就出現(xiàn)了疲勞裂紋.此后日本、美國等國家也陸續(xù)在正交異性板上發(fā)現(xiàn)了疲勞裂紋[2].雖然國內(nèi)使用正交異性板的歷史較短，但由于交通量和車輛載重持續(xù)快速增長，亦已在多座橋梁的正交異性鋼橋面板中發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋，諸如廣州虎門大橋、江陰長江大橋、廈門海滄大橋等[3].

1 正交異性鋼橋面板疲勞細(xì)節(jié)失效模式分析

正交異性板疲勞壽命評估需要確定疲勞驗(yàn)算點(diǎn)，找到合理的疲勞失效模式可以盡可能的避免疲勞失效現(xiàn)象的產(chǎn)生.結(jié)合一些研究文獻(xiàn)[2,4-5]及工程實(shí)例中出現(xiàn)的疲勞特征，可以發(fā)現(xiàn)幾種典型的疲勞易損點(diǎn)及其失效模式.

1.1 縱肋與頂板的連接

閉口縱肋與頂板之間只在外側(cè)有一條單邊角焊縫，在車輪的作用下面板會發(fā)生轉(zhuǎn)動，焊縫受彎曲拉應(yīng)力，如果焊縫處理不當(dāng)就會在焊縫邊緣引起應(yīng)力集中，容易引發(fā)疲勞裂縫.頂板裂紋出現(xiàn)在輪載下的縱肋與橫梁交叉處，裂紋在焊縫根部產(chǎn)生，以一定斜度在豎向發(fā)展，一旦裂紋出現(xiàn)，則沿其長度方向擴(kuò)展，在兩個橫梁間貫通[6]，具有如下失效模式(圖2).

CR-D-1：裂紋起于縱肋焊趾，向縱肋厚度方向擴(kuò)展；

CR-D-2：裂紋起于頂板焊趾，向頂板上表面方向擴(kuò)展；

CR-D-3：裂紋起于焊根，大致沿著焊喉方向擴(kuò)展.

圖2 縱肋與頂板連接處裂紋Fig.2 Fatigue cracking in the junction of longitudinal ribs and roof

1.2 縱肋與橫梁的連接

面板和縱肋可視為彈性連續(xù)支承在橫梁上的連續(xù)梁，縱肋反復(fù)撓曲迫使橫梁產(chǎn)生面外反復(fù)變形，當(dāng)該面外變形受到約束時，將產(chǎn)生很大的彎曲次應(yīng)力.另外，橫梁本身受車載會產(chǎn)生豎向撓曲變形，由于橫梁腹板上存在弧形缺口，在缺口周邊將產(chǎn)生較大的面內(nèi)彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力，弧形缺口上復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)使得該處經(jīng)常出現(xiàn)疲勞裂紋，具有如下失效模式(圖3).

CR-TR-1：裂紋起始于縱肋與橫梁腹板連接焊縫下端，之后沿焊縫方向在縱肋擴(kuò)展；

CR-TR-2：裂紋起始于縱肋下端的橫梁腹板弧形缺口處，大致沿橫梁腹板橫向或斜向擴(kuò)展；

CR-TR-3：裂紋起始于縱肋與橫梁腹板連接焊縫下端，之后沿焊縫方向在橫梁擴(kuò)展.

圖3 縱肋與橫梁交叉連接處裂紋Fig.3 Fatigue cracking in the junction of longitudinal ribs and beams

1.3 縱肋的對接

縱肋受彎曲和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)共同作用，再加上現(xiàn)場對接焊一般為仰位焊， 焊接質(zhì)量不易保證， 該處多是由于彎曲作用導(dǎo)致縱肋底部焊縫在順橋向應(yīng)力反復(fù)作用下產(chǎn)生疲勞裂紋[7]，當(dāng)縱肋下翼緣板裂透之后，裂紋就會沿著縱肋腹板對接焊縫向上擴(kuò)展，直至縱肋全部裂斷，具有如下失效模式(圖4).

CR-CR-1：裂紋起源于縱肋下翼緣板與鋼襯墊板焊縫處，大致沿著焊縫方向向外擴(kuò)展；

CR-CR-2：裂紋起源于縱肋下翼緣板對接焊縫焊根處，大致沿著焊縫方向向外擴(kuò)展；

CR-CR-3：裂紋起源于縱肋下翼緣板對接焊縫焊趾處，大致沿著焊縫方向向內(nèi)擴(kuò)展.

圖4 縱肋對接焊縫處裂紋Fig. 4 Fatigue cracking in the junction of longitudinal ribs and longitudinal ribs

2 正交異性板驗(yàn)算實(shí)例

2.1 工程概況

實(shí)例工程為山東省濱州境內(nèi)G205國道某大橋，主橋橋跨結(jié)構(gòu)為連續(xù)栓焊鋼桁架，主桁采用平行弦三角形體系，正交異性鋼橋面板縱橋向每8 m一個節(jié)間，橫梁間距2 m，橫梁下翼緣與桁架橋縱、橫梁上翼緣采用高強(qiáng)螺栓連接.

2.2 有限元模型的建立

正交異性鋼橋面板與桁架橫梁連接處直接施加位移約束，采用殼單元對鋼橋面板各個組成部分進(jìn)行離散，鋪裝層底面實(shí)體單元節(jié)點(diǎn)與頂板殼單元節(jié)點(diǎn)直接按照節(jié)點(diǎn)連續(xù)方法來處理，鋼橋面鋪裝采用空間實(shí)體單元進(jìn)行離散，有限元模型如(圖5).

圖5 有限元模型圖Fig.5 Finite element model

正交異性鋼橋面板各個部件均采用Q345qD鋼材，橋面鋪裝層為雙層SMA瀝青混凝土，按照彈性材料模擬[8].有限元模型中主要材料物理參數(shù)見表1.

表1 鋼材和鋪裝層的主要物理指標(biāo)Table 1 Material constants of steel and pavement layer

2.3 軸載譜的建立及加載工況

通過對該橋進(jìn)行連續(xù)30 h應(yīng)力監(jiān)測，對數(shù)據(jù)進(jìn)行信號處理后，利用編制的程序反算軸重和車輪橫向位置，如圖6、圖7所示，從圖中明顯看到，實(shí)測車輛軸重要高于國外規(guī)范值.計(jì)算過程分成兩個工況進(jìn)行加載，加載工況和橫向加載位置見表2.

圖6 軸重分布圖Fig.6 Axle load distribution

圖7 車輪橫向位置分布圖Fig.7 Horizontal position distribution of wheel

2.4 疲勞驗(yàn)算點(diǎn)的選取

結(jié)合前文對疲勞驗(yàn)算點(diǎn)的分析，選取典型的疲勞細(xì)節(jié)進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算.縱肋對接焊縫處選取7號肋(ZZ1)和6號肋(ZZ2)的跨中位置(如圖8)；縱肋與橫梁腹板焊縫的疲勞驗(yàn)算選取及編號如圖9所示；縱肋與頂板焊縫細(xì)節(jié)驗(yàn)算7、8號縱肋，縱向位置分別為跨中及主橫梁位置(圖10).

2.5 疲勞壽命驗(yàn)算

疲勞壽命驗(yàn)算采用三種方法，分別為簡化法計(jì)算Eurocode[9]等效軸重、BS5400[10]等效軸重作用下鋼橋面板各細(xì)節(jié)的疲勞壽命，及根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，利用抽樣法計(jì)算鋼橋面板各細(xì)節(jié)的疲勞壽命，計(jì)算結(jié)果如表3～表5所示.

表2 輪跡線加載位置Table 2 Loading position

圖8 縱肋對接焊縫疲勞細(xì)節(jié)示意圖Fig.8 Longitudinal ribs butt weld

圖9 縱肋與橫梁腹板焊縫疲勞細(xì)節(jié)示意圖Fig.9 Longitudinal ribs and beam web weld

圖10 縱肋與頂板焊縫疲勞細(xì)節(jié)示意圖Fig.10 Longitudinal ribs and roof weld

疲勞細(xì)節(jié)驗(yàn)算點(diǎn)編號疲勞細(xì)節(jié)/MPa等效應(yīng)力/MPa循環(huán)次數(shù)/(次/月)100年損傷度/DU肋底板焊縫ZZ1ZZ29037.6436.9775 5617 0240.860.07U肋與橫梁腹板焊縫ZH4ZH880N/AN/AN/AN/A0.000.00U肋與頂板焊縫ZD2ZD4ZD6ZD871N/AN/A37.7934.62N/AN/A8 0039 5780.000.003.020.24

表4 BS5400等效軸載疲勞壽命計(jì)算結(jié)果Table 4 Fatigue life calculations under 8 tons of equivalent axle load in the BS5400

表5 實(shí)測軸載下疲勞壽命計(jì)算結(jié)果Table 5 Fatigue life calculations under a bridge wheel load

由表3～表5中疲勞壽命驗(yàn)算結(jié)果可知，對于現(xiàn)有設(shè)計(jì)來說，如果按照Eurocode或BS5400等規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)算，基本上各個疲勞細(xì)節(jié)的使用壽命均可以達(dá)到橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期，但如果按照該橋?qū)崪y軸載進(jìn)行疲勞驗(yàn)算，縱肋對接焊縫、縱肋與頂板焊縫細(xì)節(jié)均不能夠滿足設(shè)計(jì)要求.這說明我國國情與國外有一些差別，車輛超載嚴(yán)重，鋼橋面板疲勞問題突出，需要制定適用于我國公路狀況的軸載譜，并對現(xiàn)有鋼橋面板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化.

3 正交異性板構(gòu)造細(xì)節(jié)改進(jìn)設(shè)想

正交異性鋼橋面板研究不斷深入和完善的同時，越來越多的工程實(shí)踐也不斷積累著寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn).由此，正交異性鋼橋面系結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了一些新的構(gòu)思，現(xiàn)總結(jié)一二，以資借鑒.

改進(jìn)1：將縱向加勁肋改為軋制,參見圖11(b).增大縱向加勁肋高度和底板厚度以提高剛度，從而減少肋的數(shù)量實(shí)現(xiàn)減少焊縫的目的；同時增加縱肋上緣厚度提高焊接熔深，以提高焊縫疲勞抗力.

改進(jìn)2：將頂板與加勁肋合為一體軋制，并將焊縫移到疲勞受力較小位置的方案，參見圖11(c)與(d).圖11(c)表明頂板與加勁肋一體軋制，將焊縫移到頂板處；圖11(d)表明頂板與U肋的腹板一體軋制，而U肋的腹板與底板采用焊縫連接.

圖11 加勁肋焊縫優(yōu)化方案Fig.11 Optimization scheme of stiffener weld

4 結(jié) 語

通過對正交異形板疲勞易損部位的分析，選用三種不同的軸載條件驗(yàn)算構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞壽命，結(jié)果表明，根據(jù)國外的軸載規(guī)范要求，該橋疲勞驗(yàn)算點(diǎn)壽命能夠滿足要求，但是按照實(shí)測軸載進(jìn)行疲勞驗(yàn)算，縱肋對接焊縫、縱肋與頂板焊縫細(xì)節(jié)則均不能夠滿足要求，說明我國國情與國外有一些差別，車輛超載嚴(yán)重，鋼橋面板疲勞問題突出.通過橋面體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化能提高一些構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞壽命，但優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的也不是為了完全滿足現(xiàn)有交通荷載的需要，這是不現(xiàn)實(shí)也是不經(jīng)濟(jì)的，還需要從公路交通運(yùn)營管理制度方面進(jìn)行考慮，綜合確定采取何種對策來解決這一突出問題.

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙欣欣, 劉曉光, 張玉玲. 正交異性橋面板設(shè)計(jì)參數(shù)和構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞研究進(jìn)展[J]. 鋼結(jié)構(gòu), 2010,25(8):1-7.

[2] Cuninghame J R ， Beales C．Fatigue crack locations in orthotropic steel decks[R].IABSE Periodical No．4，1990，133～146.

[3] 《中國大橋》編寫組.中國大橋泣[M]. 北京:人民交通出版社，2003.

[4] 童樂為,沈祖炎．正交異性鋼橋面板疲勞演算[J]．土木工程學(xué)報(bào)，2000， 33(3)：16-70.

[5] Cuninghame T R．Fatigue classification of welded joints in orthotropic steel bridge decks[R]．TRRL Research Report 1990,259.

[6] 錢冬生.關(guān)于正交異性鋼橋面板的疲勞[J].橋梁建設(shè)，1996(2):8-13.

[7] Zhi-Gang Xiao，Kentaro Yamada，Jirou Inoue，Kouta Yamaguchi．Fatigue cracks in longitudinal ribs of steel orthotropic deck[J].International Journal of Fatigue，2006,28: 409-416.

[8] 何平．鋼橋橋面鋪裝力學(xué)特性深入分析[D].南京:東南大學(xué)，2003.

[9] European committee for standardization. ENV 1993-2 Eurocode 3：Design of steel structures[S].1997.

[10] 英國標(biāo)準(zhǔn)BS5400.鋼橋、混凝土橋及結(jié)合橋[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，1986.