鋼橋面板頂板焊根裂紋對鋪裝層受力性能影響

曹雪坤 傅中秋 高玉強 吉伯海

(河海大學 土木與交通學院，南京 210098)

鋪裝層覆蓋在鋼橋面板上方，可擴散車輛輪載作用，提高局部剛度，減緩橋面板的疲勞損傷，同時能夠隔絕雨水等外界腐蝕因素，對鋼橋面板起到保護作用[1-2].隨著服役年限增長，鋪裝層將會出現開裂、破損等病害，進而引起鋼橋面板受到侵蝕，影響結構使用和安全性能[3-4].目前來看，大跨度鋼橋正交異性鋼橋面板構造細節較為復雜，且其各方向剛度差異顯著，頂板與U肋焊接細節應力集中顯著，焊根處應力水平較高，易產生疲勞裂紋，且不易檢測發現，裂紋沿頂板厚度進一步擴展將導致橋面鋪裝層受力狀況更為復雜[5-6].因此，明確鋼箱梁橋面板上方鋪裝層的受力狀況，研究鋪裝層破環的影響因素，從而為后續鋼橋面鋪裝層的養護與設計工作提供參考，就顯得尤為重要.

針對鋼箱梁橋面鋪裝受力狀況及影響因素的研究，國內外學者開展了相關工作.徐佳等[7]等分析了頂板厚度和U肋厚度對鋪裝層應力的影響，認為頂板、U肋厚度增加能降低鋪裝層最大橫向拉應力.孫旭霞[8]分析了橫隔板間距、縱隔板構造等對鋪裝層的影響，得出橫隔板間距對鋪裝層應力影響較小，縱隔板厚度增加使鋪裝層主拉應力增大.Kim等[9]對不同材料的鋼橋面鋪裝性能進行研究，明確了鋪裝層厚度、路面溫度等對鋪裝層受力及關鍵位置的影響.伍成忱[10]分析了荷載對鋪裝層的影響，認為荷載增加對鋪裝橫向最大剪應力不利.徐偉等[11]研究了L型與U型加勁肋對橋面鋪裝的受力影響，得出L型加勁肋鋪裝表層橫向拉應變更大，U型加勁肋橋面板拉應變更大.王剛等[12]研究了橋面鋪裝與鋼橋面板在完好和開裂情況下的鋪裝層受力情況，得出鋪裝層橫向應力大于縱向應力，鋼橋面板開裂會使鋪裝層受力狀況惡化.劉燕飛等[13]對鋼混組合橋面鋪裝進行了研究，明確了混凝土橋面鋪裝的受力特征.

既有研究多集中在鋪裝層材料屬性、鋼橋面構造及環境因素等對鋪裝層受力的影響，而針對實橋中當頂板產生裂紋后以及裂紋長度與深度變化對鋪裝層影響程度的研究很少.本文借助有限元分析了頂板-U肋連接焊縫易疲勞焊根位置向頂板擴展裂紋貫穿前后不同長度與深度對鋪裝層受力性能的影響，明確了裂紋產生后對同一U肋范圍內無裂紋處鋪裝層的影響，可充分認識鋪裝層的破壞規律，對鋼橋面鋪裝的研究工作具有借鑒意義.

1 模型與工況

1.1 模型建立

參照國內某斜拉橋鋼箱梁各構件尺寸，利用ABAQUS有限元分析軟件建立帶鋪裝層的鋼橋面板節段模型，模型橫橋向包含7根U肋(編號為U1～U7)，縱橋向包括5道橫隔板[14](編號為D1～D5)，兩端各伸出橫隔板100 mm，豎向橫隔板高度取1 500 mm，節段模型整體尺寸為16 200 mm×4 200 mm.其它各構件尺寸為:U肋開口寬300 mm，高300 mm，厚8 mm，間距600 mm;橫隔板厚度10 mm;間距4 000 mm;頂板厚度14 mm;鋪裝層厚度55 mm.頂板-U肋角焊縫采用三角形模擬，焊腳尺寸為10 mm.鋼構件采用Q345qD材料屬性，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3.環氧瀝青混凝土鋪裝層彈性模量為1 000 MPa，泊松比為0.3，抗拉強度在1.5～2.5 MPa之間.

為盡可能接近實橋鋼箱梁各部件之間的約束關系，模型邊界條件模擬為:約束鋪裝及頂板四周、U肋端部3個方向的平動自由度;約束橫隔板3個邊界的平動及轉動自由度.

為使關注細節數值模擬結果更加準確，利用ABAQUS軟件子模型技術將頂板-U肋焊縫及鋪裝層附近區域提取出來，子模型縱向位于2號與3號橫隔板跨中位置，橫向位于4號U肋處，子模型尺寸為600 mm×1 000 mm.節段模型采用40 mm全局網格尺寸劃分，單元類型為C3D8R，子模型采用40 mm全局網格尺寸、加密區域4 mm細化網格尺寸進行劃分，并采用C3D10單元設置過渡區.有限元模型及網格劃分分別如圖1～2所示.

圖1 有限元模型

圖2 網格劃分

1.2 裂紋工況

采用ABAQUS擴展有限元進行裂紋模擬，為對比頂板-U肋焊根向頂板擴展裂紋貫穿前后對鋪裝層的影響，分別建立貫穿前不同長度和深度的帶裂紋模型以及貫穿后不同長度的帶裂紋模型，裂紋布置在子模型右側焊根處，未貫穿頂板裂紋設置為半橢圓形，貫穿頂板裂紋簡化為矩形，裂紋模擬如圖3所示，裂紋工況見表1.

圖3 裂紋模擬

表1 裂紋工況

1.3 荷載工況

采用疲勞荷載模型Ⅲ中單側雙車輪加載[15]，加載面積為600 mm(橫橋向)×200 mm(縱橋向)，單側軸重60 k N，荷載集度為0.5 MPa，利用DLOAD子程序實現車輪荷載移動加載.橫橋向以關注的4號U肋中心為原點，左右各設置4個加載工況，間距為150 mm，共9個工況(編號為T1～T9).縱橋向從1號橫隔板移動到4號橫隔板，步長為200 mm，共60個荷載步.縱、橫橋向加載工況如圖4所示.

圖4 荷載工況(單位:mm)

2 裂紋類型對鋪裝層影響

2.1 最不利荷載工況

隨荷載橫向位置變化和縱向移動，關注細節鋪裝層應力也隨之變化，為明確裂紋縱向中心正上方鋪裝底部受拉開裂的最不利橫向荷載工況，以裂紋長度為300 mm的子模型為例，分別提取不同橫向荷載工況下鋪裝底部的最大主應力時程曲線，如圖5所示.

由圖5可知，由于荷載縱向關于子模型縱向中心對稱，所以應力時程曲線也呈對稱分布，當橫向荷載工況為T6，即荷載橫向中心位于裂紋正上方時，裂紋上方鋪裝層底部的主拉應力峰值接近0.34 MPa，大于其他橫向荷載工況，因此T6橫向荷載工況即為該關注細節的最不利荷載工況.下面主要以T6工況來分析裂紋類型與長度對鋪裝層的影響.

圖5 各橫向荷載工況鋪裝層最大主應力

2.2 非貫穿裂紋影響

為對比非貫穿裂紋長度和深度對裂紋正上方鋪裝層應力的影響，基于最不利橫向荷載工況T6，對各未貫穿裂紋模型進行加載.由相關文獻[16]可知，由于正交異性鋼橋面縱肋與橫隔板等的存在，增強了局部剛度，導致鋼橋面變形不協調，使得上方鋪裝層有可能在相應位置附近沿縱向或橫向開裂.因此，為了明確頂板-U肋焊縫焊根向頂板擴展裂紋的存在對鋪裝層易損傷細節的影響，分別提取裂紋正上方鋪裝層底部的橫向正應力S11和縱向正應力S33時程曲線，如圖6所示.

圖6 非貫穿裂紋正應力時程曲線

由圖6可知，對于未貫穿頂板裂紋模型，鋪裝層橫向應力以壓應力為主，應力時程曲線大致呈現先增大后減小再增大最后減小的“W”型對稱分布，當荷載縱橋向作用在距離裂紋中心400 mm處時，橫向壓應力取得最大值，由于橫向受壓，裂紋上方鋪裝層縱向開裂風險較小.對于鋪裝層縱向正應力，同樣以壓應力為主，但應力時程曲線大致呈現先增大后減小的“V”型變化趨勢，當荷載縱橋向作用在裂紋中心時，跨中關注細節豎向變形最大，鋪裝層縱向壓縮作用最為顯著，縱向壓應力達到峰值.

鋪裝層與頂板緊密結合，受頂板變形影響顯著，當裂紋向頂板擴展時，將進一步削弱頂板剛度，加大頂板變形，從而可能導致鋪裝層破壞.為明確未貫穿頂板裂紋對頂板剛度變化的影響，分別提取裂紋中心正上方頂板與鋪裝相接處的橫向變形時程曲線，如圖7所示.可以看出，由于荷載縱向關于子模型中心對稱，所以橫向變形隨荷載縱向移動近似呈對稱分布，當荷載縱向位于裂紋中心時，該細節橫向變形最大.但同時可以發現，橫向變形隨裂紋長度和深度增加并無明顯變化規律，各未貫穿裂紋模型最大橫向變形相差在3.5%以內，所以鋪裝層受未貫穿裂紋長度和深度變化影響較小.

圖7 非貫穿裂紋橫向變形

2.3 貫穿裂紋影響

當裂紋繼續擴展至貫穿頂板后，裂紋上方鋪裝層與頂板的粘結作用將失效，同時裂紋兩側頂板將可能在車輪荷載作用下進一步張開，導致上方鋪裝層受拉開裂，所以還需進一步分析貫穿頂板裂紋對鋪裝層的影響.

分別提取最不利荷載工況下不同長度貫穿頂板裂紋正上方鋪裝層底部的橫向正應力S11和縱向正應力S33時程曲線，如圖8所示.可以看出，對于貫穿頂板裂紋，鋪裝層橫向應力以拉應力為主，應力時程曲線大致呈現先增大后減小的變化趨勢，且在荷載作用于裂紋正上方時，由于裂紋處頂板變形量最大，裂紋張開作用顯著，所以此時裂紋正上方鋪裝層的橫向拉應力達到峰值，鋪裝層縱向開裂風險顯著增大.對于縱向應力，當荷載作用在裂紋正上方時，由于關注位置頂板豎向變形最大，縱向壓縮作用顯著，縱向應力達到谷值，當荷載縱向中心位于裂紋中心左右兩側400 mm處時，縱向應力達到峰值.隨著貫穿頂板裂紋長度的逐漸增加，頂板剛度被進一步削弱，鋪裝層受拉作用愈加顯著，開裂風險隨之增加.

圖8 貫穿裂紋正應力時程曲線

同時，為了進一步評判裂紋貫穿頂板后頂板的剛度削弱情況，分別提取不同長度裂紋中心正上方頂板與鋪裝層相接觸位置的橫向變形時程曲線，如圖9所示.可知，裂紋貫穿頂板后，頂板的橫向變形將進一步增大，且隨著裂紋長度增加，變形量呈遞增趨勢，說明裂紋長度增加將進一步加大頂板橫向變形，從而可能導致上方鋪裝層縱向開裂風險增大.

圖9 貫穿裂紋橫向變形

3 裂紋長度對鋪裝層影響

通過前面分析可以初步得知，頂板裂紋的存在可能會使局部剛度削弱，加大頂板變形，進而引起上方鋪裝層變形增大，破壞風險增加.考慮到鋼箱梁橋頂板裂紋長度分布范圍廣，長則可達500 mm以上，且裂紋深度各異，為了更清晰地認識頂板裂紋長度變化對上方鋪裝層受力狀況的影響，幫助判斷鋪裝層受拉開裂風險，分別提取各裂紋長度工況下裂紋正上方鋪裝層底部的橫向與縱向拉應力峰值，如圖10所示.

圖10 不同裂紋長度正應力最大值

由圖10可知，當裂紋貫穿頂板前，鋪裝層最大橫向拉應力與最大縱向拉應力均小于0.01 MPa，且隨裂紋長度和深度的增加，最大拉應力變化幅度較小，可以認為未貫穿頂板裂紋長度與深度的增加對于鋪裝層的影響較小.而當裂紋剛好貫穿時，即裂紋長度從120 mm增加到140 mm時，鋪裝層最大橫向拉應力從0.007 MPa陡增到0.167 MPa，增長了約21倍，說明裂紋貫穿頂板后鋪裝層應力水平將會顯著提升.隨著貫穿裂紋長度的逐漸增加，橫向與縱向拉應力也隨之增加，其中橫向拉應力數值及增幅較為明顯，縱向拉應力小于橫向拉應力，當裂紋長度增加到700 mm時，最大縱向拉應力約為0.132 MPa，約為橫向拉應力的25%，說明貫穿裂紋上方鋪裝層橫向開裂風險顯著小于縱向開裂風險.

為進一步驗證裂紋貫穿頂板后對頂板剛度的削弱顯著大于貫穿前，分別提取各裂紋長度工況下裂紋中心正上方頂板的最大橫向變形，如圖11所示.可以看出，在裂紋貫穿頂板前，橫向變形較小，且隨裂紋長度和深度增加并無明顯變化規律，說明裂紋貫穿頂板前對頂板的剛度削弱較小，所以上方鋪裝層應力水平較低，應力變化較小，破壞風險并不會顯著增加.而當裂紋貫穿頂板后，橫向變形量約增大了23.3%，且隨著裂紋長度進一步增加，變形量呈遞增趨勢，說明裂紋貫穿頂板后對頂板的剛度削弱顯著增大，進而加劇了鋪裝層的破壞風險.

圖11 不同裂紋長度橫向變形最大值

綜上所述，裂紋未貫穿頂板時長度增加對上方鋪裝層的影響較小，當裂紋貫穿后，鋪裝層拉應力顯著增大，且隨著裂紋長度增加逐漸增大，考慮到焊根裂紋為Ⅰ型裂紋[17]，裂紋橫向張開變形將導致鋪裝層橫向拉應力進一步增大，開裂風險增加，因此對于發現的貫穿頂板裂紋應及時維修.

4 裂紋對不同位置鋪裝層影響

從前面分析得知，貫穿頂板裂紋對上方鋪裝層影響顯著，會增大其橫向拉應力，為明確裂紋對上方鋪裝層的影響范圍，判斷裂紋存在是否會導致附近鋪裝層應力水平顯著提升，以長度300 mm貫穿裂紋模型為例，分析焊根處裂紋貫穿頂板后對裂紋正上方、同一U肋無裂紋側以及U肋開口中心處鋪裝層底部的受力性能影響.為保證U肋兩側受力相同，荷載橫向中心位于4號U肋開口中心(T5荷載工況)，分別提取三處細節的橫向和縱向正應力時程曲線，如圖12所示.

圖12 U肋不同位置鋪裝層正應力

由圖12可知，貫穿裂紋上方鋪裝層橫向正應力以拉應力為主，最大橫向拉應力約為0.23 MPa，縱向正應力隨荷載縱向移動呈拉壓循環應力，但數值很小，最大拉應力僅為0.03 MPa.無裂紋側與U肋開口中心上方鋪裝層正應力變化趨勢與非貫穿裂紋模型相似，應力值相較于未貫穿裂紋有所增大，但仍以壓應力為主.

為更直觀地對比貫穿裂紋、無裂紋側以及U肋開口中心正上方鋪裝層底部的應力大小，分別提取三處細節的橫向與縱向最大拉應力值，如圖13所示.可以看出，對于同一U肋，有裂紋側裂紋上方鋪裝層拉應力顯著大于其他部位，隨著距離裂紋位置越遠，拉應力先迅速減小，然后緩慢減小，說明焊根裂紋貫穿頂板后對正上方鋪裝層的影響遠大于相近其它位置.

圖13 U肋不同位置處應力對比

5 結 論

本文通過有限元分析研究了頂板-U肋焊縫焊根裂紋貫穿前后及長度、深度變化對鋪裝層的影響程度，分析了裂紋對同一U肋不同位置處鋪裝層的影響.主要結論如下:

1)裂紋貫穿頂板前，對裂紋上方鋪裝層受力影響較小，當裂紋貫穿后，鋪裝層橫向拉應力顯著增大，增加了鋪裝層的縱向開裂風險.

2)裂紋貫穿頂板后，隨裂紋長度增加，裂紋正上方鋪裝層橫向拉應力隨之增大，鋪裝層縱向開裂風險進一步增加.

3)貫穿頂板裂紋對裂紋正上方鋪裝層影響較大，對同一U肋無裂紋側和U肋開口中心正上方鋪裝層影響較小.