隨機(jī)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(xué)

（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(xiàn)代橋梁工程重要的標(biāo)志性成就，具有自重輕、承載力高、適用范圍廣等突出優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為大跨度橋梁的首選橋面板結(jié)構(gòu)，其推廣應(yīng)用大大推動(dòng)了橋梁工程向大跨、重載荷結(jié)構(gòu)造型多樣化等方向的發(fā)展[1]。然而，疲勞開裂和橋面鋪裝損壞是正交異性橋面板應(yīng)用中面臨的兩大控制性難題，自1971 年英國報(bào)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(nèi)相繼出現(xiàn)。正交異性鋼橋面板的疲勞問題一直是各國學(xué)者高度重視的熱點(diǎn)問題，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國正在運(yùn)營和規(guī)劃中的該類型橋梁數(shù)量有200 余座，在當(dāng)前的荷載條件下該類橋面板發(fā)生疲勞開裂是大概率事件。為此，疲勞裂紋修復(fù)和結(jié)構(gòu)加固是提升正交異性鋼橋面板耐久性的研究熱點(diǎn)。

研究表明疲勞開裂主要出現(xiàn)在板件焊接及過焊孔處，其產(chǎn)生的主要原因是相應(yīng)位置處疲勞應(yīng)力幅較大，由于截面變化引起的應(yīng)力集中現(xiàn)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(yīng)力集中，或提高裂紋附近鋼板的強(qiáng)度和剛度[4]。然而，上述修復(fù)措施往往只是臨時(shí)緩解疲勞開裂，尤其是對于應(yīng)力復(fù)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(yīng)力幅是解決該問題的關(guān)鍵[5]。工程實(shí)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(yīng)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(yīng)用，其已逐漸在正交異性鋼橋面板的加固改造中發(fā)揮作用，例如，UHPC 加固鋼橋面板先后被應(yīng)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(kuò)建西幅橋等工程中[6-8]。學(xué)者們也先后開展了UHPC-鋼橋面板力學(xué)性能的理論和實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明采用UHPC-鋼正交異性鋼橋面板能有效地降低關(guān)鍵細(xì)節(jié)疲勞應(yīng)力幅[9-10]。

綜上，當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)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(jìn)行了大量研究，但是現(xiàn)有研究多以規(guī)范疲勞車作為疲勞性能評估的荷載作用，事實(shí)上基于實(shí)際交通的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)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(shí)際車流的UHPC 加固鋼橋面板方案的評估，以更加真實(shí)地反應(yīng)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?yàn)楣こ瘫尘?，其橋面結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)模型的尺寸如圖1 所示。日常檢查記錄和文獻(xiàn)研究表明，鋼箱梁橋面板主要病害為鋼結(jié)構(gòu)的裂縫病害，先后進(jìn)行過多次維修，但是裂縫病害仍然繼續(xù)發(fā)展且產(chǎn)生舊縫重新開裂的現(xiàn)象。根據(jù)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(guān)鍵焊接細(xì)節(jié)處進(jìn)行應(yīng)力狀態(tài)分析。

圖1 鋼箱梁結(jié)構(gòu)（單位：mm）

為研究U 肋與面板接縫，取如圖2 所示的局部進(jìn)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(gòu)造細(xì)節(jié)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(fā)揮作用，同時(shí)由于正交異性鋼橋面板應(yīng)力影響線較短，車輛荷載作用下鋼橋面板局部節(jié)段模型與鋼箱梁整體模型計(jì)算得到的應(yīng)力狀態(tài)相差較小。

圖2 局部構(gòu)造細(xì)節(jié)（單位：mm）

1.2 有限元模型

考慮到建模計(jì)算效率，計(jì)算模型順橋向長度取1 m，橫橋向?qū)挾热∫粋€(gè)U 肋的間距0.8 m，分析可知該尺寸大小的節(jié)段模型可以基本覆蓋車輪經(jīng)過時(shí)的應(yīng)力影響區(qū)域。對選取的橋面板節(jié)段采用有限元分析軟件ANSYS 進(jìn)行建模，模型采用20 節(jié)點(diǎn)的實(shí)體單元SOLID185，單元數(shù)量為266 314，U 肋兩端固接約束。因?yàn)r青在夏季高溫等極端溫度條件下不能保持原有剛度，故計(jì)算時(shí)忽略瀝青鋪裝的影響。由于模型尺寸較大，為了后續(xù)能精細(xì)化分析，采用子模型技術(shù)，通過位移插值法將U 肋焊縫處進(jìn)行更精確的網(wǎng)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(gè)關(guān)注點(diǎn)對焊縫結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下的疲勞性能展開分析，關(guān)注點(diǎn)位置如圖4 所示，1 號關(guān)注點(diǎn)位于頂板焊趾處，2號關(guān)注點(diǎn)位于頂板焊根處，3 號關(guān)注點(diǎn)位于U 肋焊趾處。研究中關(guān)注局部模型縱向跨中截面三個(gè)關(guān)注點(diǎn)的性能。

圖4 關(guān)注點(diǎn)幾何位置

2 U 肋焊縫處影響面計(jì)算

對橋面板結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞計(jì)算時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)疲勞荷載模型，我國《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）提出了三種疲勞荷載模型，并規(guī)定橋面系構(gòu)件應(yīng)當(dāng)采用如圖5 所示模型III 進(jìn)行驗(yàn)算。

圖5 鋼規(guī)疲勞車輛荷載模型Ⅲ（單位：m）

結(jié)合我國疲勞設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，疲勞計(jì)算所用輪載大小與面積采用《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)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(shè)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(shí)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(yīng)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(yīng)力影響可以忽略不計(jì)，在分析計(jì)算時(shí)僅采用單個(gè)車輪面積大小進(jìn)行加載。

按照上述疲勞車輛荷載模型進(jìn)行加載，考慮到后續(xù)按照實(shí)測荷載應(yīng)力譜的等效應(yīng)力設(shè)計(jì)疲勞荷載時(shí)，需參考目標(biāo)細(xì)節(jié)的影響面。故這里采用1 t 的單位荷載對模型進(jìn)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(jì)11 個(gè)位置，編號為A1～A11；縱向加載位置之間間隔0.1 m，包括11 個(gè)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(jì)121 個(gè)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(guān)注點(diǎn)進(jìn)行分析。提取有限元模型縱向跨中截面1～3 關(guān)注點(diǎn)的x向（橫橋向）正應(yīng)力進(jìn)行影響面分析。

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

圖8 影響面-1 號關(guān)注點(diǎn)

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

圖9 影響面-2 號關(guān)注點(diǎn)

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

圖10 影響面-3 號關(guān)注點(diǎn)

3 車輛荷載記錄及分析

背景工程利用車輛荷載監(jiān)測設(shè)備長期記錄了交通流信息，該橋日均交通量約達(dá)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(shè)計(jì)橋面結(jié)構(gòu)進(jìn)行UHPC 加固，選取45 mm、55 mm、65 mm 的UHPC 混凝土層厚度進(jìn)行加固后性能計(jì)算，分別計(jì)算45 mm、55 mm、65 mm 的UHPC 加固結(jié)構(gòu)影響面，三者的三個(gè)關(guān)注點(diǎn)橫向應(yīng)力最大值工況均為輪載A4_B6 工況。對無損狀態(tài)下模型進(jìn)行最大值輪載狀態(tài)加載（輪載工況A4_B6），得到U 肋縱向跨中截面關(guān)注點(diǎn)1～3 的橫向正應(yīng)力狀態(tài)?？梢姡捎肧TC 橋面加固方法后，各關(guān)注點(diǎn)疲勞應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)疲勞荷載橫向正應(yīng)力影響面

表1 S TC 加固后關(guān)注點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài) 單位：MP a

結(jié)合橋梁WIM 系統(tǒng)實(shí)測車流數(shù)據(jù)，考慮實(shí)際作用的車流荷載，從而計(jì)算在實(shí)際狀態(tài)下橋面板U 肋焊縫關(guān)注點(diǎn)處的疲勞性能。采用2016 年10 月1 日至15 日期間6 車道實(shí)測車流荷載對關(guān)注點(diǎn)進(jìn)行加載，得到實(shí)際作用下的應(yīng)力隨時(shí)間變化的應(yīng)力歷程，并通過雨流法得到實(shí)際關(guān)注點(diǎn)處的應(yīng)力譜，通過Miner 準(zhǔn)則對變幅應(yīng)力等效為對應(yīng)的常幅應(yīng)力，得到該時(shí)段實(shí)際車流荷載作用下各個(gè)關(guān)注點(diǎn)處的等效應(yīng)力幅以及在實(shí)際車流下各關(guān)注點(diǎn)的疲勞壽命見表2。通過對比發(fā)現(xiàn)，實(shí)際車流作用下，原結(jié)構(gòu)關(guān)注點(diǎn)2 處的疲勞壽命為2 000 萬次，經(jīng)過45 mm 的UHPC 加固方案改造后，關(guān)注點(diǎn)2 處的疲勞壽命為16 000 萬次?？梢?，加固效果明顯。

表2 實(shí)際車流荷載下45 mmUHP C 加固結(jié)構(gòu)各關(guān)注點(diǎn)處疲勞壽命

為進(jìn)一步分析加固效果，對45 mmUHPC 加固方案的各個(gè)關(guān)注點(diǎn)處的疲勞壽命進(jìn)行估計(jì)。以汽車-超20 級、掛車-120 級，設(shè)計(jì)車流量15 000～20 000次/d；設(shè)計(jì)運(yùn)營年限按100 a 進(jìn)行加載分析?？紤]各個(gè)車道交通總量相同，取重車比例30%，平均重軸數(shù)為2 軸，則單車道1 a 疲勞加載軸次為N=（5～7）×105次。結(jié)合上述計(jì)算結(jié)果，各關(guān)注點(diǎn)處疲勞壽命見表3。

表3 規(guī)范疲勞荷載下45 mm UHP C 結(jié)構(gòu)各關(guān)注點(diǎn)處疲勞壽命

5 結(jié) 語

該研究以某跨沿洛河公路斜拉橋?yàn)檠芯繉ο?，該橋多年來面臨的鋼箱梁疲勞病害問題，通過WIM系統(tǒng)收集了橋址處實(shí)測車流荷載數(shù)據(jù)，并對其交通量特性、車型組成特性以及車軸荷載特性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，為實(shí)測車流荷載譜及實(shí)際車流下結(jié)構(gòu)疲勞性能評估提供了依據(jù)。

通過實(shí)際調(diào)研及有限元建模分析確定了橋面板U 肋的關(guān)鍵部位，通過對關(guān)鍵部位的局部有限元模型計(jì)算分析得到U 肋焊縫處結(jié)構(gòu)性能。結(jié)果表明：原有橋面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不能滿足運(yùn)營年限需求，在實(shí)際車流荷載作用下疲勞壽命亦不能滿足需求。

以實(shí)際交通流為基礎(chǔ)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(guān)注點(diǎn)疲勞應(yīng)力幅有較大幅度降低，疲勞壽命也均有大幅提升，在當(dāng)前車流狀態(tài)下均滿足運(yùn)營年限需求。其中，45 mm 厚加固層加固效果較好。