正交異性鋼橋面板U肋足尺靜力荷載試驗研究

孔丹丹 孫全勝 刁萬民 胡丹丹 于瑩 林鐵

摘 要：針對正交異性橋面板自重輕、承載能力大以及施工周期短等優點，本文以某城市連續鋼箱梁橋中U肋設計參數作為研究對象，通過足尺模型試驗，研究橋面板易出現開裂的位置和有限元模擬鋼箱梁橋U肋截面變化對全橋豎向位移、應力的影響。研究結果表明，在實際工程中常用的連續鋼箱梁橋細部U肋處容易產生開裂，但鋼箱梁并未發生破壞，只在局部焊縫和弧形缺口處發生開裂和應力集中;進而通過有限元模擬U肋的參數值（U肋高度、U肋厚度），對U肋的參數進行改變，與足尺模型中的設計尺寸進行撓度和應力對比，對比結果顯示，U肋高度越高，主要截面的應力和撓度值越小，但不成線性關系，U肋高度為0.28 m和0.30 m時，受力性能最優;隨U肋厚度增加，主要截面也呈現應力和撓度值減小的情況，下降最大的截面厚度為12 mm。本試驗研究結論可為同類型連續鋼箱梁橋中U肋的設計提供思路。

關鍵詞：正交異性鋼橋面板;U肋;足尺模型試驗;參數化分析;應力;撓度

中圖分類號：U446.1??? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1006-8023（2022）01-0145-07

Experimental Analysis on Mechanical Performance of U-rib

on Orthotropic Steel Bridge Deck

KONG Dandan1， SUN Quansheng1*， DIAO Wanmin2， HU Dandan1， YU Ying1， LIN Tie1

（1.School of Civil Engineering， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China;

2.Heilongjiang Highway Construction Center， Harbin 150081， China）

Abstract：In view of the advantages of light weight， large bearing capacity and short construction period of orthotropic bridge deck， this paper takes the design parameters of U-rib in a continuous steel box girder bridge in a city as the research object. Through full-scale model test， the location where the bridge deck is prone to crack and the influence of the change of U-rib section of the steel box girder bridge on the vertical displacement and stress of the whole bridge are studied by finite element simulation. The results show that the U-rib of the continuous steel box girder bridge commonly used in practical engineering is easy to crack， but the steel box girder is not damaged， and only cracks and stress concentration occur at the local weld and arc defects. Then through the finite element simulation of the parameters of the U-rib （U-rib height， U-rib thickness）， the parameters of the U-rib are changed， and the deflection and stress of the design size in the full scale model are compared. The comparison results show that the higher the height of the U-rib， the smaller the stress and deflection of the main section， but there is no linear relationship. When the height of the U-rib is 0.28 m and 0.30 m， the mechanical performance is the best. With the increase of U-rib thickness， the stress and deflection of the main section also decrease， and the thickness of the section with the largest decrease is 12 mm. The conclusions of this study can provide ideas for the design of U-ribs in the same type of continuous steel box girder bridges.

Keywords：Orthotropic steel bridge deck; U-rib; full-scale test; parametric analysis; stress; deflection

0 引言

在鋼箱梁橋面板結構形式中，正交異性的橋面板因為自重輕、承載能力大和施工周期短等優點，成為世界各國在大跨徑鋼橋建設中首選的橋面板形式[1]。從改革開放以來，正交異性橋面板在我國大跨度跨江、跨海大橋上進行了迅速的推廣及應用。國內近些年建成的江陰長江大橋、青馬大橋以及港珠澳大橋等用的都是此類橋面板[2-4]。正交異性鋼橋面板雖然有其獨特的優點，但因其構造復雜、焊縫數量多、瀝青鋪裝層剛度低，且隨著經濟的快速發展出現交通量越來越大，超重車長期反復碾壓，以虎門大橋、severn橋（連接威爾士和英格蘭的跨河大橋）等為代表的正交異性鋼橋面板，反復出現鋪裝性損壞和鋼橋面疲勞開裂等問題，這類問題已經成為阻礙正交異性鋼橋面板發展的世界性難題[5]。通過眾多試驗發現，橫隔板弧形缺口處受力復雜，加上在焊接時不易控制，該處產生多個應力循環，容易導致開裂[6]。根據文獻資料顯示，位于橫隔板弧形缺口的開裂可分為3類：U肋與橫隔板交叉部位U肋腹板裂紋;U肋與橫隔板連接焊縫端部弧形缺口自由邊的橫隔板母材裂縫;U肋與橫隔板連接焊縫豎向裂縫[7]。

正交異性鋼橋面板設計過程中仍有許多不確定的因素影響橋梁工程的質量。目前我國針對正交異性鋼橋面板中出現的病害處理方法，主要參照日本以及美國的鋼橋設計規范，且大多參數的設置都使用半理論半經驗的方法[8-10]。為此本文針對改變加勁肋高度、加勁肋厚度來分析對鋼箱梁橋受力性能的影響，研究在靜力荷載作用下連續梁橋中局部構造細節處的受力情況，并對各種參數變化情況下，連續鋼箱梁橋內力、應力和變形等靜力特征進行深入研究，通過現場試驗來發現易發生破壞的位置。進而通過有限元軟件對改變構件的參數進行模擬，得出優化后的局部設計尺寸，為優化連續鋼箱梁橋中U肋尺寸設計提供一定指導。

1 足尺靜力荷載試驗

1.1 試驗概況

本試驗依托某跨徑（43+64+43）m的城市連續分離式鋼箱梁橋進行足尺模型設計。箱梁高1.634 m，標準段寬27.5 m，為單箱雙室，橋面板為正交異性鋼橋面板，縱向加勁肋為U肋。試驗采用2個加勁肋的足尺模型，足尺模型的尺寸為：模型長0.7 m，寬1.5 m，高0.9 m，設置1個橫隔板、1個中筋板、4個腹板、2個支座板和1個底板，其中，橫隔板高0.65 m、中筋板高0.35 m、腹板高0.854 m。模型主體結構（頂板，U肋，橫隔板）的設計參數與實際橋梁結構相同。具體數值為：頂板厚度16 mm、U型加勁肋版厚8 mm、橫隔板厚度14 mm。足尺試驗模型均采用Q345qe鋼。

1.2 試驗研究方法

試驗用PLS-500型電液伺服疲勞試驗機進行試驗，應力采用日本TML靜態應變儀-數據采集儀TDS-540。本試驗應力測點共15個，測點試件是直接錨固在實驗室地錨上，作動器觸頭下布置一個0.2 m×0.6 m×0.06 m的鋼板和一個0.2 m×0.6 m×0.06 m橡膠板，鋼板可以實現荷載均勻布置，橡膠墊板模擬車輪荷載。試驗機布置如圖2所示。

試驗步驟：①預壓50 kN的荷載，反復加載3次，以保證各個部位都能安裝就位，連接緊密;②待應變片完全粘貼，并將導線與采集儀連接好之后，采集并記錄數據，為空載數據;③施加第一級荷載80 kN，待荷載穩定后，采集并記錄數據;④施加第2級荷載180 kN，待荷載穩定后，采集并記錄數據;⑤施加第3級荷載280 kN，待荷載穩定后，采集并記錄數據;⑥施加第4級荷載380 kN，待荷載穩定后，采集并記錄數據;⑦施加第5級荷載480 kN，待荷載穩定后，采集并記錄數據;⑧待荷載完全卸去并穩定后，采集并記錄數據，作為殘余應力。

本次試驗采用動態采集系統，共有60個通道，為保證測試數據的準確性，采用半橋連接形式，并增加溫度補償。靜力荷載作用下U肋敏感部位（重點考察U肋與橫隔板連接部位、弧形開孔邊緣應力集中部位及U肋與頂板連接部位）主應力或正應力大小及應力分布規律的測試，以及靜力荷載作用下的撓度。加載工況分為：中載加載位置為U肋之間的位置，偏載加載位置為U肋左側上方150 mm。

通過有限元軟件進行足尺模型的理論數據分析。有限元模型如圖3所示。具體測點布置如下：撓度測試選擇位于跨中位置的U肋底板，采用百分表進行測試，6個測點的位置如圖4所示，位移測點間距為66 mm。應變測點是距離焊縫左右10 mm位置處，如圖5所示。

2 結果與分析

2.1 U肋撓度分析

按照試驗步驟進行5次加載和5次卸載，此次試驗是10萬次疲勞后的靜載試驗，此次數據下的位移與初次加載比較，鋼材特性較穩定。試驗結果如圖6所示。

由圖6（a）分析可知，各測點的撓度-荷載曲線基本是線性關系，加載過程中的數據分析可知屬于線性關系，在卸載過程中，從480 kN降到380 kN時，撓度值比后面的卸載過程撓度變化大;通過理論計算，均布荷載作用時，3個測點的豎向撓度應是一致的，從試驗的數據中可知，荷載壓到鋼板上傳到橡膠板上分散均布荷載力時，發生扭轉造成M5為最大位移測點，實測值為1.36 mm，最小值M6位移為0.92 mm。6個撓度測點基本是對稱關系，對稱測點撓度值相比，相差0.08%，屬于誤差范圍之內。理論值為1.31 mm，校驗系數為0.96。

由圖6（b）分析可知，偏載布載時，各測點的撓度值與荷載值大致呈線性關系，撓度最大值為M2測點，撓度為1.67 mm，偏載卸載從480 kN降到380 kN時，撓度值變化更大，說明在偏載加載時，構件屬于彈性階段，可承受更大的荷載，滿足荷載效率。偏載加載過程中出現2個測點呈現非線性關系，出現這種情況可能是因為試驗應變片經過中載加載試驗后，偏載試驗時應變片或者連接線出現松動，造成數據未呈現線性關系。但其他數據基本穩定，撓度實驗值與理論值最大值和最小值均滿足校驗系數。

2.2 測點應力分析

選擇測點N1—N4進行應力變化情況分析，10萬次疲勞后的不同靜載作用下各個測點應力的變化情況如圖7所示。

由圖7可知，當靜力荷載為480 kN時，N3測點應力最大為206 MPa，N2和N4測點應力基本一致，弧形缺口容易破壞點為N3、N2、N4這3個點，通過試驗結果可知測點應力與荷載之間基本是線性關系，也說明加載過程結構處于彈性階段，但卸載過程中大致呈線性，卸載完畢穩定后，存在殘余應力。

U肋跨中撓度和U肋附近弧形缺口處的應力試驗結果說明，通過試驗的逐級加載，橋面板整體未出現破壞，但U肋處發生應力集中問題，為優化正交異性鋼橋面板受力性能，通過改變U肋的高度、厚度進行分析正交異性鋼橋面板受力性能的影響。

3 有限元分析

使用有限元法對連續分離式鋼箱梁橋進行空間分析時，主梁的形式大致有單主梁形式、雙主梁形式以及多主梁形式，該橋主梁為分離式鋼箱梁橋，為了模擬更加準確的橋梁實際受力情況，本模型采用雙主梁模型。橋面板采用正交異性鋼橋面板。

結構自重計入時，按照鋼材、鋼絞線、鋼筋和鋼絲容重γ=78.5kN/m3計入。對于橋梁的二期恒載，瀝青混凝土鋪裝90 mm;容重γ=23 kN/m3，鋼筋混凝土鋪裝厚度100 mm，容重25 kN/m3，護欄按單側11.0 kN/m計入。

3.1 U肋高度對靜力性能影響

為研究U肋高度對正交異性鋼橋面板的靜力性能的影響，通過改變U肋高度，即U肋高度為0.22、0.24、0.26、0.28、0.30、0.32 m共6種情況下的偏載工況，計算出撓度、應力，這里著重說明，U肋高度對全橋整體影響均不大，故只考慮其中的主要受力截面進行研究。

由圖8（a）可知，當U肋高度在0.24～0.32 m，U肋高度每提高2 cm，2#跨跨中橋梁的豎向撓度減小幅度為0.60%，墩支點對于改變參數，結果幾乎沒有影響，從這幾種情況來看，當加勁肋高度0.28、0.30、0.32 m時橋梁的整體剛度增強明顯。偏載加載過程中撓度變化遍布于整個橫橋向范圍，在荷載較遠處也產生了距離呈減小的撓度。

由圖8（b）和圖8（c）可知，改變U肋的高度對于本次有限元分析中的1#跨幾乎沒有影響，對于2#跨中影響較大，上緣最大應力平均降低1.61%，在同等情況下緣最大應力平均降低了0.30%。對于U肋高度的改變主梁上的最大應力值影響較大的為墩支點和2#跨跨中，改變U肋高度對于主梁下緣應力沒有太大改變。通過數據分析可知，改變U肋高度對于應力的改變基本影響不大，但對于2#跨的測點應力值可能會出現應力集中的點，造成局部開裂破壞。

3.2 U肋厚度對主要受力截面的影響

本文試驗中U肋高度為0.28 m，故用此高度進行控制變量，改變U肋厚度。設置加勁肋厚度分別為8、10、12、14、16 mm共5種情況的偏載工況，全橋主要受力截面撓度變化以及橋梁1.0倍恒載+1.0倍車道荷載工況時，對主要受力截面上緣最大應力、下緣最大應力變化和主梁最大彎矩變化進行分析。

如圖9所示，當U肋厚度在8～16 mm時，U厚度每提高2 mm，橋梁的豎向撓度值平均降幅2.03%，上緣最大應力平均降低了5.23%，在相同情況下，下緣最大應力平均增加1.61%，綜上所述，U肋厚度為8、10 、12 mm時較好。

由圖9可知，改變U肋的厚度對于墩支點的撓度影響不大，但對于墩支點的應力影響較大，與原設計的U肋厚度14 mm相比，U肋厚度為16 mm時應力減少了4.63%。主梁上翼緣最大應力比下翼緣最大應力受影響大，與U肋的高度結果相似，都對于1#跨影響小。通過對比，發現橋梁跨徑越大，改變U肋參數時受力性能影響越大。

4 結論

本文通過進行U肋足尺靜力荷載試驗，發現連續剛箱梁橋容易發生破壞的位置。進而利用有限元軟件建立全橋有限元模型分析，分析了連續分離式鋼箱梁橋在U肋高度、U肋厚度改變對連續鋼箱梁橋受力特性的影響，同時分析了各種參數變化情況下連續分離式鋼箱梁橋內力、應力以及變形等參數的變化，對所研究的連續鋼箱梁橋進行了設計優化。得到的主結論如下。

（1）通過實驗室現場足尺試驗，在靜力荷載從80 kN到480 kN逐步加載時，撓度值和應力值呈現線性關系，但卸載過程撓度和應力值開始變化大，后期呈線性關系。

（2）連續梁發生破壞一般是構造細節發生破壞，U肋破壞的點一般為U肋弧形切口和焊縫位置。在靜力加載過程弧形切口位置發生應力集中，應力陡然增加。

（3）在不改變橋梁其他設計參數的情況下，選取U肋高度為0.28 m，綜合考慮全橋的豎向位移和受力情況，U肋厚度為8、10、12 mm時較好;改變U肋厚度時對截面第一跨撓度影響較小，應力幾乎無影響，對第2跨的撓度影響較大，墩支點處應力影響明顯。

（4）在不改變橋梁其他設計參數的情況下，綜合考慮全橋的豎向位移、應力，當U肋高度為0.28、0.30 m時對橋梁的受力較好;對主要截面上翼緣應力影響突出，但對于主要截面彎矩值未出現明顯變化。

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