佛陳大橋正交異性鋼橋面板疲勞問題分析與對(duì)策措施

王 璇

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510507）

1 概述

鋼箱連續(xù)梁橋誕生于19世紀(jì)中期，1850年建成通車的布列坦尼亞橋（Britannia Bridge）是世界上用熟鐵板鉚接而成的第一座鐵路箱形梁橋。近年來，大跨度鋼箱連續(xù)梁橋在建造較多。隨著鋼鐵冶煉技術(shù)和制造安裝等施工技術(shù)的不斷發(fā)展及設(shè)計(jì)技術(shù)水平的不斷提高，鋼連續(xù)梁的設(shè)計(jì)及建造技術(shù)日趨成熟，將成為非常有競(jìng)爭(zhēng)力的橋型之一。然而，正交異性鋼橋面板疲勞問題一直是困擾鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)的主要問題之一，如何有效地解決這一問題，將對(duì)鋼連續(xù)梁的長(zhǎng)足發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。

2 大跨鋼箱連續(xù)梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 方案概述

佛山市佛陳路快速化改造工程佛陳大橋主橋?yàn)?8.51 m+112.8 m+58.51 m變高度截面鋼箱連續(xù)梁橋，單幅橋梁寬15.75 m，采用單箱單室斷面，見圖1。

2.2 正交異性橋面板疲勞問題分析

正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)具有自重輕、極限承載能力大、適用范圍廣的特點(diǎn)。但其板件眾多、縱橫助交錯(cuò)，因而受力復(fù)雜且在板件相交處應(yīng)力集中效應(yīng)顯著；加上工廠制造、組裝精度、焊接難度均較高，結(jié)構(gòu)本身存在著初始缺陷等原因，在車輪荷載的反復(fù)作用下該結(jié)構(gòu)很容易產(chǎn)生疲勞問題。另一方面，正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)縱橫向加勁助密度較大，導(dǎo)致某一關(guān)注部位（常位于板件交匯處）應(yīng)力影響線較短，一輛交通車單獨(dú)通過一次甚至?xí)饚状纹诩虞d。因此，鋼橋面板自誕生以來，便一直受到疲勞問題的困擾。

圖1 鋼箱連續(xù)梁典型斷面圖

如何提高鋼橋的抗疲勞性能,保證鋼橋長(zhǎng)期安全使用是擺在橋梁工作者面前的重要研究課題。國內(nèi)外眾多學(xué)者,通過理論分析、試驗(yàn)研究和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,已經(jīng)對(duì)多種疲勞性能較差的構(gòu)造細(xì)節(jié)提出了很好的改進(jìn)方法,對(duì)有效防止鋼橋構(gòu)件的疲勞破壞收到了很好的效果，不再贅述。本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合佛陳大橋鋼箱連續(xù)梁的具體特點(diǎn)，從結(jié)構(gòu)構(gòu)造和橋面鋪裝兩方面對(duì)正交異性橋面板疲勞的影響做進(jìn)一步分析。

2.2.1結(jié)構(gòu)構(gòu)造的影響

鋼橋面板產(chǎn)生疲勞裂紋的原因一方面是疲勞荷載引起，另外一方面就是構(gòu)造本身兩者共同作用使得在關(guān)鍵構(gòu)造細(xì)節(jié)處產(chǎn)生較大的循環(huán)應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生裂紋。正交異性鋼橋面板在發(fā)展應(yīng)用的過程中，取得了大量的研究成果，如合理的面板厚度、縱向加勁肋的斷面型式及尺寸、橫梁（肋）間距、縱肋與面板、橫梁的連接構(gòu)造形式等[1]。

2.2.2 橋面鋪裝的影響

正交異性鋼橋面板常見鋪裝形式主要有兩大類：瀝青混凝土鋪裝和水泥混凝土鋪裝。瀝青混凝土鋪裝自重輕、變形協(xié)調(diào)性和粘著性好、維修方便，應(yīng)用廣泛[2，3]。瀝青混凝土鋪裝與正交異性鋼橋面板存在彈性模量的差異，目前橋面鋪裝的設(shè)計(jì)主要借鑒路面設(shè)計(jì)方法，并沒有單獨(dú)形成一套完整的理論體系，因此各種病害時(shí)有發(fā)生，加上使用條件和氣候條件的不利，導(dǎo)致正交異性鋼橋面板的疲勞性能受到較大影響；破壞形式除有普通路面鋪裝常見的破壞形式外，還有一些因使用條件不同而產(chǎn)生的破壞類型：疲勞開裂破壞、車轍破壞、層間推移、、粘結(jié)層剪切破壞、鼓包破壞等，見表1。

表1 部分鋼橋橋面鋪裝的破壞情況

各國學(xué)者在對(duì)正交異性板的疲勞問題進(jìn)行研究時(shí)，主要關(guān)注正交異性板的構(gòu)造細(xì)節(jié)的形式及其尺寸的影響，通過改變結(jié)構(gòu)形式和細(xì)部尺寸得出比較好的設(shè)計(jì)方案。在研究過程中不考慮橋面鋪裝對(duì)荷載分散的有利影響，僅將其作為恒載考慮。同時(shí)考慮橋面鋪裝和正交異性板的受力性能并且把橋面鋪裝和正交異性板看作整體進(jìn)行受力性能的研究較少,研究均表明,橋面鋪裝可以有效的減小正交異性板內(nèi)的應(yīng)力，提高正交異性板的抗疲勞性能。

2.3 正交異性橋面板疲勞問題處理對(duì)策措施

2.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

正交異性鋼橋面板經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展應(yīng)用，取得了大量的研究成果。佛陳大橋主橋設(shè)計(jì)吸取了相關(guān)科研成果和實(shí)際工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，參考借鑒了國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范[1]，在面板厚度、縱向加勁肋的斷面型式及尺寸、橫梁（肋）間距、縱肋與面板、橫梁的連接構(gòu)造形式等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面做了優(yōu)化設(shè)計(jì)：采用了較厚的橋面板以增大剛度、縱向加勁肋采用閉口U型肋并對(duì)橫隔板弧形缺口做了優(yōu)化、采用實(shí)腹式橫隔以增大斷面抗扭剛度、縱肋與面板焊縫改進(jìn)（由傳統(tǒng)的角焊縫調(diào)整為坡口角焊縫）。

2.3.1 橋面鋪裝體系優(yōu)化

對(duì)于主應(yīng)力引起的疲勞裂紋，從預(yù)防和養(yǎng)護(hù)的角度來看，可從鋪裝等角度來進(jìn)行控制。根據(jù)文獻(xiàn)[6]，鋪裝層的彈性模量及厚度與正交異性鋼橋面板關(guān)鍵部位疲勞應(yīng)力幅的大小有很大關(guān)系，如果增大橋面鋪裝層的厚度或者增大其彈性模量，正交異性鋼橋面板關(guān)鍵部位的疲勞應(yīng)力幅將減小。疲勞應(yīng)力幅值的大小與鋪裝層彈性模量呈非線性負(fù)相關(guān)，與鋪裝層厚度近似呈線性負(fù)相關(guān)。早期設(shè)計(jì)之中應(yīng)用關(guān)于正應(yīng)力疲勞問題的對(duì)策就有鋼纖維混凝土鋪裝層、鋼纖維泡凝土、環(huán)氧樹脂改性浙青混凝土等新型的鋪裝料。對(duì)于次應(yīng)力引起的疲勞裂紋，目前的優(yōu)化理論主要集中于合理匹配正交異性鋼橋面板頂板、縱肋和橫隔板之間的剛度，同時(shí)從制造工藝上進(jìn)行控制。

佛陳大橋主橋采用單箱單室鋼連續(xù)梁，鋼橋面板柔韌性大、易撓屈、傳熱快，縱橫加勁肋多，橋面板剛度較小，焊縫應(yīng)力幅較大，易疲勞開裂；針對(duì)以上特點(diǎn)，橋面鋪裝設(shè)計(jì)著眼于提高橋面板的防銹保護(hù)功能、降低疲勞應(yīng)力幅，見圖2。設(shè)計(jì)引入組合橋面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，將橋面鋪裝下層與鋼橋面板按鋼-混凝土疊合截面設(shè)計(jì)，使用年限與主結(jié)構(gòu)一致；橋面鋪裝上層采用薄層瀝青混凝土鋪裝作為磨耗層，使用年限按鋪裝考慮。鋼-混凝土疊合截面疊合混凝土使用超高韌性混凝土（Super Toughness Concret-STC），減薄疊合混凝土厚度以減輕自重，同時(shí)提高抗裂性能。

3 理論計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 理論計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[6]、[7]，疊合梁在開裂前，截面沿高度的應(yīng)變變化規(guī)律基本符合平截面假定。鋼-混凝土疊合梁的計(jì)算沿用彈性理論，采用換算截面法，引入兩種材料彈性模量比的概念，進(jìn)行第二體系計(jì)算；根據(jù)有限元仿真分析，主要理論計(jì)算結(jié)果見圖 3、表 2。

圖2 佛陳大橋主橋鋼橋面鋪裝方案（單位：mm）

圖3 各工況橫向應(yīng)力圖

表2 鋼箱梁正交異性橋面計(jì)算結(jié)果

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.2.1 足尺試驗(yàn)

為了驗(yàn)證輕型組合橋面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行了足尺模型破壞試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，STC開裂應(yīng)力達(dá)45.4 MPa，大于設(shè)計(jì)開裂應(yīng)力10.9 MPa，見圖4。

3.2.2 成橋試驗(yàn)

本項(xiàng)目建成后進(jìn)行了實(shí)橋荷載試驗(yàn)。主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

實(shí)橋荷載試驗(yàn)表明，采用STC鋪裝體系能夠有效降低面板與U肋連接部位及U肋間面板的應(yīng)力，對(duì)U肋與橫隔板連接焊縫下端焊趾處應(yīng)力存在一定改善，對(duì)U肋底緣應(yīng)力存在一定改善。

圖4 足尺模型破壞試驗(yàn)

表3 實(shí)橋荷載試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語

如何提高鋼橋的抗疲勞性能,保證鋼橋長(zhǎng)期安全使用是擺在橋梁工作者面前的重要研究課題。國內(nèi)外眾多學(xué)者,通過理論分析、試驗(yàn)研究和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,已經(jīng)對(duì)多種疲勞性能較差的構(gòu)造細(xì)節(jié)提出了很好的改進(jìn)方法,對(duì)有效防止鋼橋構(gòu)件的疲勞破壞收到了很好的效果。

佛陳大橋擴(kuò)建工程鋼橋面采用新的鋪裝設(shè)計(jì)方法，通過理論分析、模型試驗(yàn)及成橋試驗(yàn)，基本結(jié)論如下：（1）組合結(jié)構(gòu)提高了橋面剛度，大幅度減小了面板和縱橫肋在輪載下的應(yīng)力，提高了鋼橋面的抗疲勞壽命。（2）采用高強(qiáng)材料STC，采用疊合橋面設(shè)計(jì)理念，橋面板抗拉強(qiáng)度高，鋪裝混凝土厚度減小使得自重大大減輕，鋼橋面鋪裝層的耐久性高。

輕型組合鋼橋面從橋梁結(jié)構(gòu)的角度探索出新的橋面鋪裝設(shè)計(jì)方法，有效地解決了鋼橋面鋪裝的病害問題，且適用于大跨度連續(xù)鋼箱梁，對(duì)未來類似項(xiàng)目設(shè)計(jì)具有一定參考價(jià)值。