隨機車輛荷載流下UHPC 加固正交異性鋼橋面板疲勞性能評估

尤永學

（洛陽騰飛市政工程有限公司，河南 洛陽471000）

0 引 言

正交異性鋼橋面板作為現代橋梁工程重要的標志性成就，具有自重輕、承載力高、適用范圍廣等突出優點，已經成為大跨度橋梁的首選橋面板結構，其推廣應用大大推動了橋梁工程向大跨、重載荷結構造型多樣化等方向的發展[1]。然而，疲勞開裂和橋面鋪裝損壞是正交異性橋面板應用中面臨的兩大控制性難題，自1971 年英國報道了Severn 橋疲勞開裂以來，采用該類橋型的病害在歐洲各國、美國、日本及中國等世界范圍內相繼出現。正交異性鋼橋面板的疲勞問題一直是各國學者高度重視的熱點問題，據不完全統計，我國正在運營和規劃中的該類型橋梁數量有200 余座，在當前的荷載條件下該類橋面板發生疲勞開裂是大概率事件。為此，疲勞裂紋修復和結構加固是提升正交異性鋼橋面板耐久性的研究熱點。

研究表明疲勞開裂主要出現在板件焊接及過焊孔處，其產生的主要原因是相應位置處疲勞應力幅較大，由于截面變化引起的應力集中現象明顯[2-3]。針對鋼橋面板各類疲勞裂紋，一般采用裂紋焊合、鉆止裂孔、栓接鋼板或角鋼、黏貼鋼板等，其基本原理是緩解裂紋尖端的應力集中，或提高裂紋附近鋼板的強度和剛度[4]。然而，上述修復措施往往只是臨時緩解疲勞開裂，尤其是對于應力復雜的橋面板與U 肋連接處的焊縫，而提升鋼橋面板剛度以減小疲勞應力幅是解決該問題的關鍵[5]。工程實踐已將正交異性鋼橋面板板厚由早期常用的12 mm 提高到16 mm 甚至更厚，但對于在役橋梁，改變鋼板厚度成本極高，通過橋面鋪裝提高橋面剛度是減小鋼橋面板和U 肋在輪載下的應力的有效措施，尤其是隨著超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete， UHPC）的推廣應用，其已逐漸在正交異性鋼橋面板的加固改造中發揮作用，例如，UHPC 加固鋼橋面板先后被應用于武漢沿洛河軍山大橋、天津海河大橋、廣東佛山市佛陳擴建西幅橋等工程中[6-8]。學者們也先后開展了UHPC-鋼橋面板力學性能的理論和實驗研究，結果表明采用UHPC-鋼正交異性鋼橋面板能有效地降低關鍵細節疲勞應力幅[9-10]。

綜上，當前國內外學者就超高性能混凝土用于橋面鋪裝改善正交異性鋼橋面的疲勞性能進行了大量研究，但是現有研究多以規范疲勞車作為疲勞性能評估的荷載作用，事實上基于實際交通的現場實驗是最能反映正交異性鋼橋面板疲勞性能的加載方式[11]。本文將探索基于實際車流的UHPC 加固鋼橋面板方案的評估，以更加真實地反應UHPC- 鋼橋面板的疲勞性能。

1 工程概況及有限元模型

1.1 工程概況

該研究以跨沿洛河某公路斜拉橋為工程背景，其橋面結構采用Q345C 鋼，橋面板鋼板厚度為12～20 mm，鋪裝層總厚度為75 mm。橋面板結構模型的尺寸如圖1 所示。日常檢查記錄和文獻研究表明，鋼箱梁橋面板主要病害為鋼結構的裂縫病害，先后進行過多次維修，但是裂縫病害仍然繼續發展且產生舊縫重新開裂的現象。根據裂縫檢測記錄，U 肋與面板的接縫裂縫是主要裂縫形式，因此首先采用有限元方法對該關鍵焊接細節處進行應力狀態分析。

圖1 鋼箱梁結構（單位：mm）

為研究U 肋與面板接縫，取如圖2 所示的局部進行分析。在車輛荷載的局部作用下，主梁第一體系對橋面板各構造細節影響不大，主要是以橋面板與橫縱肋組成的橋面第二體系發揮作用，同時由于正交異性鋼橋面板應力影響線較短，車輛荷載作用下鋼橋面板局部節段模型與鋼箱梁整體模型計算得到的應力狀態相差較小。

圖2 局部構造細節（單位：mm）

1.2 有限元模型

考慮到建模計算效率，計算模型順橋向長度取1 m，橫橋向寬度取一個U 肋的間距0.8 m，分析可知該尺寸大小的節段模型可以基本覆蓋車輪經過時的應力影響區域。對選取的橋面板節段采用有限元分析軟件ANSYS 進行建模，模型采用20 節點的實體單元SOLID185，單元數量為266 314，U 肋兩端固接約束。因瀝青在夏季高溫等極端溫度條件下不能保持原有剛度，故計算時忽略瀝青鋪裝的影響。由于模型尺寸較大，為了后續能精細化分析，采用子模型技術，通過位移插值法將U 肋焊縫處進行更精確的網格劃分，有限元模型如圖3 所示。

圖3 橋面U 肋模型

選取鋼橋面板U 肋焊縫處的三個關注點對焊縫結構在車輛荷載作用下的疲勞性能展開分析，關注點位置如圖4 所示，1 號關注點位于頂板焊趾處，2號關注點位于頂板焊根處，3 號關注點位于U 肋焊趾處。研究中關注局部模型縱向跨中截面三個關注點的性能。

圖4 關注點幾何位置

2 U 肋焊縫處影響面計算

對橋面板結構進行疲勞計算時采用標準疲勞荷載模型，我國《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64—2015）提出了三種疲勞荷載模型，并規定橋面系構件應當采用如圖5 所示模型III 進行驗算。

圖5 鋼規疲勞車輛荷載模型Ⅲ（單位：m）

結合我國疲勞設計標準與規范，疲勞計算所用輪載大小與面積采用《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64—2015）推薦的疲勞車輛荷載模型III（120 kN，0.6 m×0.2 m），考慮鋪裝層對輪載的分布作用，假設考慮鋪裝層對輪載的分布作用，輪載按45°夾角向下傳遞，鋪裝層厚度為75 mm，則實際作用于頂板的荷載面積為0.75 m×0.35 m。此外由于正交異性鋼橋面板應力影響面較小，疲勞荷載模型縱向軸距及橫輪較大，因此相鄰的輪載對于局部應力影響可以忽略不計，在分析計算時僅采用單個車輪面積大小進行加載。

按照上述疲勞車輛荷載模型進行加載，考慮到后續按照實測荷載應力譜的等效應力設計疲勞荷載時，需參考目標細節的影響面。故這里采用1 t 的單位荷載對模型進行加載，橫向加載位置之間間隔0.1 m，以及兩處U 肋與頂板焊縫位置，共計11 個位置，編號為A1～A11；縱向加載位置之間間隔0.1 m，包括11 個位置，編號為B1～B11，具體的荷載輪位情況如圖6 和圖7 所示?？紤]到全部縱、橫向位置組合，共計121 個加載輪位。

圖6 橫橋向加載位置

圖7 縱橋向加載位置

選取有限元模型縱向跨中截面1～3 關注點進行分析。提取有限元模型縱向跨中截面1～3 關注點的x向（橫橋向）正應力進行影響面分析。

圖8 所示為原結構縱向跨中斷面關注點1 影響面。從圖中可以看出關注點1 處焊縫影響面最大應力加載工況A4_B6，最小應力加載工況A5_B6。在單位荷載（1 t）加載下，1 號關注點最大橫向正應力幅值為48.91 MPa。

圖8 影響面-1 號關注點

圖9 所示為原結構縱向跨中斷面關注點2 影響面。從圖中可以看出關注點2 處焊縫影響面最大應力加載工況A6_B6，最小應力加載工況A3_B6。在單位荷載（1 t）加載下，2 號關注點最大橫向正應力幅值為12.74 MPa。

圖9 影響面-2 號關注點

圖10 所示為原結構縱向跨中斷面關注點3 影響面。從圖中可以看出關注點3 處焊縫影響面最大應力加載工況A4_B1（影響面同號），最小應力加載工況A5_B6。在單位荷載（1 t）加載下，3 號關注點最大橫向正應力幅值為47.52 MPa。

圖10 影響面-3 號關注點

3 車輛荷載記錄及分析

背景工程利用車輛荷載監測設備長期記錄了交通流信息，該橋日均交通量約達5 萬輛/d，其中10 t和20 t 以上車輛占比分別為32.3%和23.7%。圖11所示為車型組成餅狀圖?？梢?，車流中大部分為兩軸小客車，占比67%，其次為6 軸大貨車，占比11%。

圖11 車型占比

4 橋面加固方案比較

對鋼箱梁原有設計橋面結構進行UHPC 加固，選取45 mm、55 mm、65 mm 的UHPC 混凝土層厚度進行加固后性能計算，分別計算45 mm、55 mm、65 mm 的UHPC 加固結構影響面，三者的三個關注點橫向應力最大值工況均為輪載A4_B6 工況。對無損狀態下模型進行最大值輪載狀態加載（輪載工況A4_B6），得到U 肋縱向跨中截面關注點1～3 的橫向正應力狀態?？梢姡捎肧TC 橋面加固方法后，各關注點疲勞應力最大值有較大幅度降低，其中，45 mm、55 mm、65 mmUHPC 加固后疲勞應力最大值差距不大，45 mm 厚加固層加固效果好。

圖12 加固后結構疲勞荷載橫向正應力影響面

表1 S TC 加固后關注點應力狀態 單位：MP a

結合橋梁WIM 系統實測車流數據，考慮實際作用的車流荷載，從而計算在實際狀態下橋面板U 肋焊縫關注點處的疲勞性能。采用2016 年10 月1 日至15 日期間6 車道實測車流荷載對關注點進行加載，得到實際作用下的應力隨時間變化的應力歷程，并通過雨流法得到實際關注點處的應力譜，通過Miner 準則對變幅應力等效為對應的常幅應力，得到該時段實際車流荷載作用下各個關注點處的等效應力幅以及在實際車流下各關注點的疲勞壽命見表2。通過對比發現，實際車流作用下，原結構關注點2 處的疲勞壽命為2 000 萬次，經過45 mm 的UHPC 加固方案改造后，關注點2 處的疲勞壽命為16 000 萬次?？梢?，加固效果明顯。

表2 實際車流荷載下45 mmUHP C 加固結構各關注點處疲勞壽命

為進一步分析加固效果，對45 mmUHPC 加固方案的各個關注點處的疲勞壽命進行估計。以汽車-超20 級、掛車-120 級，設計車流量15 000～20 000次/d；設計運營年限按100 a 進行加載分析?？紤]各個車道交通總量相同，取重車比例30%，平均重軸數為2 軸，則單車道1 a 疲勞加載軸次為N=（5～7）×105次。結合上述計算結果，各關注點處疲勞壽命見表3。

表3 規范疲勞荷載下45 mm UHP C 結構各關注點處疲勞壽命

5 結 語

該研究以某跨沿洛河公路斜拉橋為研究對象，該橋多年來面臨的鋼箱梁疲勞病害問題，通過WIM系統收集了橋址處實測車流荷載數據，并對其交通量特性、車型組成特性以及車軸荷載特性進行了統計，為實測車流荷載譜及實際車流下結構疲勞性能評估提供了依據。

通過實際調研及有限元建模分析確定了橋面板U 肋的關鍵部位，通過對關鍵部位的局部有限元模型計算分析得到U 肋焊縫處結構性能。結果表明：原有橋面結構設計不能滿足運營年限需求，在實際車流荷載作用下疲勞壽命亦不能滿足需求。

以實際交通流為基礎分析了橋面鋪裝采用UHPC加固方案，通過有限元分析45 mm、55 mm、65 mm的UHPC 加固層厚度可知，采用STC 橋面加固方法后，各關注點疲勞應力幅有較大幅度降低，疲勞壽命也均有大幅提升，在當前車流狀態下均滿足運營年限需求。其中，45 mm 厚加固層加固效果較好。