正交異性鋼橋面板疲勞病害分析及改造措施研究

陳 輝， 于 力， 耍荊荊

(1.南京長江第二大橋有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210000 2.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088)

0 引言

隨著正交異性鋼橋面板的大規(guī)模使用[1-4]，由于該類橋面板自身的受力特性和交通流量的增多增重，全世界范圍內(nèi)的正交異性鋼橋面板均面臨著疲勞開裂的問題。從目前常規(guī)疲勞裂紋處治情況來看，存在處治后依舊開裂的現(xiàn)象，未能從根本上解決疲勞開裂問題。

本文通過研究提高正交異性鋼橋面板整體剛度的方法，同時(shí)結(jié)合實(shí)橋與足尺模型試驗(yàn)結(jié)果，綜合安全、適用、耐久等因素的基礎(chǔ)上，為正交異性鋼橋面板疲勞病害加固維修措施提供理論分析模型和結(jié)果支持。

1 正交異性鋼橋面板疲勞病害原因分析

根據(jù)筆者實(shí)橋調(diào)查以及查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料[6-7,10]，正交異性鋼橋面板疲勞開裂主要為鋼構(gòu)件母材裂紋及其連接焊縫裂紋，其中U肋縱向焊縫裂紋及橫隔板圓弧切口裂紋最為常見，見圖1、圖2。據(jù)筆者調(diào)查資料顯示，上述兩者裂紋占各類已發(fā)現(xiàn)裂紋總數(shù)約80%以上。

圖1 U肋縱向焊縫裂紋

圖2 橫隔板圓弧切口裂紋

正交異性橋面板在縱向及橫向上結(jié)構(gòu)性能存在差異，輪載作用下橋面板發(fā)生“鼓曲”狀變形，頂板、縱肋和橫肋發(fā)生面外變形，在焊接連接約束處產(chǎn)生較大的次應(yīng)力集中，容易引發(fā)疲勞開裂。此兩類主要疲勞裂紋病害形成原因主要是由于構(gòu)件面外變形引起應(yīng)力集中導(dǎo)致，具體原理分析如下所示。

1.1 U肋變形分析

當(dāng)車輛沿U肋行走時(shí)，在縱肋與面板連接處承受相互平衡的3個(gè)彎矩的共同作用，當(dāng)縱肋內(nèi)側(cè)與外側(cè)不平衡時(shí)，裂紋有可能從彎矩較大側(cè)焊縫萌生。由于正交異性橋面板屬于柔性結(jié)構(gòu)，車輪作用更容易集中在少數(shù)U肋處，使得以上結(jié)構(gòu)響應(yīng)幅度更為突出。

1.2 橫隔板變形分析

在縱向移動(dòng)的汽車輪載作用下，縱向U肋反復(fù)撓曲變形迫使橫梁產(chǎn)生面外反復(fù)變形，當(dāng)該面外變形受到約束時(shí)，將產(chǎn)生很大的次彎曲應(yīng)力，約束剛度越大，次彎曲應(yīng)力越大。另外，橫隔板在汽車荷載的豎直作用下，將產(chǎn)生垂直于橋軸方向的豎向撓曲變形，在弧形切口周邊將產(chǎn)生較大的面內(nèi)彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力。由于橋面板剛度較小，會(huì)使荷載作用處橫隔板應(yīng)力集中更加明顯。在以上兩種次應(yīng)力循環(huán)作用下，往往在該處引起多發(fā)性的疲勞裂紋，并隨著裂紋擴(kuò)展使母材開裂。

通過以上分析，由于正交異性鋼橋面板自身剛度較小，在輪載作用下受力較為集中、構(gòu)件面外變形較大。當(dāng)構(gòu)件面外變形受到約束時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的彎曲次應(yīng)力，導(dǎo)致應(yīng)力集中，并在反復(fù)荷載的作用下快速產(chǎn)生疲勞裂紋現(xiàn)象。

2 正交異性鋼橋面板與組合橋面板受力對(duì)比

正交異性鋼橋面板疲勞裂紋病害的根本原因?yàn)闃蛎娼Y(jié)構(gòu)剛度較小，頂板剛度顯著影響各構(gòu)件之間的剛度分配，輪載作用下引起較大的局部變形。為從源頭改善現(xiàn)有正交異性鋼橋面板的疲勞病害現(xiàn)狀，本文研究高性能混凝土組合橋面板結(jié)構(gòu)對(duì)橋面板受力、疲勞性能的影響。

2.1 計(jì)算模型

以跨長江的某座正交異性鋼橋面板橋梁為例，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)橋面板構(gòu)造的影響進(jìn)行分析。有限元模型中，除頂板構(gòu)造外，其余參數(shù)保持不變。組合橋面結(jié)構(gòu)為橋面鋼板鋪裝55 mm厚RPC(活性粉末混凝土)，RPC層參與結(jié)構(gòu)受力。有限元模型如圖 3～圖 5所示。

圖3 有限元模型

圖4 正交異性橋面板模型

圖5 組合橋面板模型

2.2 計(jì)算荷載及加載工況

整體有限元模型不考慮恒載作用，在車道位置布置8輪荷載，輪重70 kN，橫向在車道位置加載，縱向考慮2種荷載工況：

工況A：荷載中心線縱橋向作用在橫隔板上方；

工況B：荷載中心線縱橋向作用在橫隔板間跨中位置。

2.3 計(jì)算結(jié)果

a.橋面板應(yīng)力(見圖6)。

圖6 橋面板VonMises應(yīng)力

在重車輪載作用下，正交異性橋面板和改造后的組合橋面板頂板受力形態(tài)差異較大，前者局部效應(yīng)十分明顯，而后者主要是總體效應(yīng)。前者等效應(yīng)力最大79.3 MPa，后者等效應(yīng)力最大19.5 MPa，最大位置并不相同，綜合來看，組合橋面板方案鋼頂板的等效應(yīng)力降低約75%。

b.橫隔板應(yīng)力(見圖7、圖8)。

圖8 工況B下橫隔板S1主應(yīng)力

圖7 工況A下橫隔板S1主應(yīng)力

工況A條件下，鋼箱梁方案橫隔板最大主應(yīng)力59.5 MPa，組合橋面板方案最大主應(yīng)力48.6 MPa，降低18%。

通過以上分析結(jié)果可知，橋面板改造后，各構(gòu)件及連接細(xì)節(jié)的應(yīng)力集中現(xiàn)象得到明顯改善。由此，增大橋面板剛度可有效降低各構(gòu)件及連接細(xì)節(jié)的應(yīng)力幅，提高結(jié)構(gòu)的疲勞性能，從根本上降低裂紋開展的概率。

工況B條件下，鋼箱梁方案橫隔板最大主應(yīng)力62.7 MPa，組合橋面板方案最大主應(yīng)力39.1 MPa，降低38%。

c.U肋應(yīng)力(見圖9～圖12)。

圖12 工況B下U肋豎向應(yīng)力

圖9 工況A下U肋順橋向應(yīng)力

工況A下，鋼箱梁方案U肋順橋向應(yīng)力48.7 MPa，組合橋面板方案U肋順橋向應(yīng)力36.4 MPa，后者較前者降低約25%；工況B下，鋼箱梁方案U肋順橋向應(yīng)力70.8 MPa，組合橋面板方案U肋順橋向應(yīng)力54.6 MPa，后者較前者降低約23%。

考察在U肋與頂板、橫隔板交角位置U肋豎向應(yīng)力，工況A鋼箱梁方案最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力分別為-53.2和62.7 MPa，組合橋面板方案最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力分別為-23.2和17.8 MPa，分別降低約56%和71%；工況B鋼箱梁方案最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力分別為-65.2和67.2 MPa，組合橋面板方案最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力分別為-22.6和13.3 MPa，分別降低約65%和80%。

圖10 工況B下U肋順橋向應(yīng)力

圖11 工況A下U肋豎向應(yīng)力

通過以上分析結(jié)果可知，正交異性鋼橋面板整體剛度的不足，可以通過改造成RPC組合橋面結(jié)構(gòu)后得到提高。改造為組合橋面板后，由于橋面結(jié)構(gòu)剛度提高，使得荷載作用較為均勻分?jǐn)傇诮Y(jié)構(gòu)上，橋面整體受力情況明顯改善，應(yīng)力集中降低，可以從根本上緩解或消除鋼結(jié)構(gòu)疲勞損傷。

3 現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)成果驗(yàn)證

由于現(xiàn)有正交異性鋼橋面板改造尚處于起步探索階段，高性能混凝土組合橋面板模型試驗(yàn)及實(shí)橋試驗(yàn)顯得尤為重要，可有效驗(yàn)證理論分析結(jié)論。國內(nèi)外已進(jìn)行一些正交異性板改造為高性能混凝土組合橋面板的實(shí)驗(yàn)研究見圖13～圖15，主要為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图皩?shí)橋試驗(yàn)段。目前已有研究成果如表1所示。

表1 國內(nèi)外高性能混凝土組合橋面板的實(shí)驗(yàn)研究Table1 Experimentalstudyonhighperformanceconcretecompositebridgedeckathomeandabroad年份國家結(jié)構(gòu)型式應(yīng)用結(jié)論2003荷蘭Caland橋[5]正交異性鋼-RHPC組合橋面板原橋面板結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力降低約80%;橋面板和U肋之間的縱向焊縫應(yīng)力降低約為60%2011廣東虎門大橋[6]正交異性鋼-RPC組合橋面板截面有效高度增大20%;不同截面配筋率下RPC組合橋面結(jié)構(gòu)抗彎拉強(qiáng)度提高30%～50%2011廣東馬房橋[8-9]正交異性鋼-STC組合橋面板縱肋構(gòu)件縱橋向應(yīng)力降低幅度達(dá)80%,面板橫向應(yīng)力降低幅度達(dá)92%,局部撓度下降幅度達(dá)81%;經(jīng)過兩年多的運(yùn)營,新鋪裝組合橋面結(jié)構(gòu)體系未見任何開裂和破損,橋面系結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力改善效果穩(wěn)定。

圖13 荷蘭Caland橋及高性能混凝土組合結(jié)構(gòu)體系

圖14 虎門大橋模型實(shí)驗(yàn)橋面結(jié)構(gòu)與原設(shè)計(jì)橋面結(jié)構(gòu)對(duì)比

圖15 廣東馬房橋橋面結(jié)構(gòu)改造

4 結(jié)論

通過高性能混凝土對(duì)正交異性鋼橋面板進(jìn)行組合橋面結(jié)構(gòu)改造后，有效提升了橋面結(jié)構(gòu)的整體剛度。輪載作用下，可顯著降低橋面板及橫肋縱肋的應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高鋼箱梁結(jié)構(gòu)的疲勞耐久性，降低橋梁運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)正交異性鋼橋面板進(jìn)行組合結(jié)構(gòu)改造，是對(duì)正在遭受疲勞病害困擾的鋼箱梁橋進(jìn)行維修加固的根本方向。盡管現(xiàn)在這方面的加固實(shí)踐相對(duì)缺乏，但隨著對(duì)高性能混凝土材料以及組合鋼橋面板性能研究的不斷深入，相信在不遠(yuǎn)的將來，該維修加固技術(shù)會(huì)在設(shè)計(jì)與施工工藝方面愈趨成熟，為百年工程橋梁的運(yùn)營保駕護(hù)航。