公鐵同層大挑臂鋼箱梁正交異性橋面板疲勞特性研究

洪 彧，劉 雨，陳良軍，楊仕力，蒲黔輝

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031; 2.成都大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,成都 610106)

引言

正交異性鋼橋面板(Orthotropic Steel Bridge Deck,OSD)因其輕質(zhì)高強、適用性廣、施工周期短等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于大跨度公路或鐵路橋梁中[1-4]。隨著交通運輸需求的迅速增長及橋梁建設(shè)實力的大幅提升,國內(nèi)外橋梁不斷向著大型化、輕型化方向發(fā)展,挑臂鋼箱梁斜拉橋便是其中典型代表,如烏蘇大橋[5]、港珠澳青州航道橋[6]和崇啟大橋[7]等。

近年來,橋梁工程師也提出將公路和鐵路同層設(shè)置的創(chuàng)新構(gòu)思,既能滿足日益增長的交通量,也能節(jié)約橋位資源及建設(shè)成本,如臨港長江大橋(在建,主跨522 m,閉口鋼箱梁寬63.9 m)、金海大橋(在建,主跨340 m,挑臂鋼箱梁寬49.6 m)、富翅門公鐵兩用大橋(在建,主跨338 m,挑臂鋼箱梁寬56.5 m)等。與閉口鋼箱梁相比,挑臂鋼箱梁重量更小,經(jīng)濟性更好,施工更便捷。鑒于此類橋梁常采用OSD結(jié)構(gòu),因此其疲勞問題仍舊突出,而“大挑臂”構(gòu)造是否會對OSD的疲勞特性產(chǎn)生影響值得深入探究。

針對大跨度公路、鐵路非挑臂鋼箱梁OSD疲勞特性,學(xué)者們已做了大量研究工作,Fisher和Yuceogle[1]曾對142座鋼橋的疲勞裂紋進(jìn)行調(diào)查,發(fā)現(xiàn)由于設(shè)計構(gòu)造不合理引起的開裂占45.7%,制造過程中缺陷引起的開裂占49.7%。Yamada等[8]研究發(fā)現(xiàn)沖壓閉合裂紋的處理方式可以提高公路OSD的疲勞壽命。張清華、崔闖等[9-10]通過足尺模型試驗對港珠澳大橋鋼箱梁OSD的疲勞特性進(jìn)行研究,提出了較為準(zhǔn)確模擬疲勞裂紋擴展的方法。Cheng等[11]研究了南京大勝關(guān)長江大橋縱向T肋、U肋與頂板連接焊縫的疲勞性能,發(fā)現(xiàn)了裂紋貫穿板厚之前的疲勞壽命占裂紋擴展壽命的絕大部分。中南大學(xué)、西南交通大學(xué)、中鐵大橋局等[12-14]高校和企業(yè)也系統(tǒng)研究了高速鐵路鋼箱梁OSD的疲勞性能,明確了橋面板厚度、U肋厚度、橫隔板切口形狀等不同參數(shù)對橋面板受力特性的影響,并給出了這些參數(shù)的建議取值范圍。輪載對鋼箱梁OSD疲勞細(xì)節(jié)應(yīng)力分布影響方面,國內(nèi)外也進(jìn)行了大量試驗與研究,結(jié)果表明,對于普通閉口鋼箱梁OSD,頂板-U肋相關(guān)細(xì)節(jié)的輪載范圍橫向約3個U肋,縱向約2道橫隔板之間;橫隔板-U肋相關(guān)細(xì)節(jié)的輪載影響范圍橫向約2個U肋,縱向約3道橫隔板之間。因此,考慮輪跡橫向分布的影響計算等效應(yīng)力幅時,可忽略多車效應(yīng)[15-17]。

目前針對OSD結(jié)構(gòu)疲勞性能的研究覆蓋疲勞細(xì)節(jié)、開裂機理、壽命評估等諸多方面,但研究對象均是非挑臂鋼箱梁OSD。此外,研究表明[18]:超寬閉口鋼箱梁OSD疲勞性能沿橫橋向差異較大,同類疲勞細(xì)節(jié)位于不同橫向位置時應(yīng)力狀態(tài)差異明顯。對于挑臂鋼箱梁這類寬度大、橫梁剛度小的新型正交異性結(jié)構(gòu),箱梁疲勞性能是否存在橫橋向差異尚未可知,且受橫隔板形式、懸挑長度等因素影響,輪載橫向影響范圍可能遠(yuǎn)不止緊鄰的2個U肋。面對鋼橋面板開裂痼疾,為進(jìn)一步深化認(rèn)識大挑臂鋼箱梁OSD結(jié)構(gòu)的疲勞問題,保證其疲勞壽命,并對今后同類型的橋梁設(shè)計提供技術(shù)參考,基于上述思路,依托重大工程項目金海大橋,研究了大挑臂結(jié)構(gòu)對鋼箱梁OSD橫橋向疲勞特性的影響。

1 工程背景

金海大橋為世界首座公鐵同層多塔斜拉橋,也是目前世界上最寬公鐵兩用斜拉橋,主橋跨徑為(58.5+116+3×340+116+58.5) m,立面如圖1所示。橋塔兩側(cè)各設(shè)13對斜拉索,按雙索面扇形布置,橋面縱向索距12 m。斜拉索采用PES7-211～PES7-421型Ⅱ級松弛平行鋼絲拉索,配套使用冷鑄鐓頭錨,在塔柱內(nèi)張拉。主橋的結(jié)構(gòu)體系為剛構(gòu)+連續(xù)梁,即兩中塔采用塔梁墩固結(jié),兩邊塔采用塔梁固結(jié)、塔墩分離,梁底設(shè)縱向間距為10.4 m的雙排支座。

圖1 金海大橋立面(單位:m)

該橋采用挑臂鋼箱梁結(jié)構(gòu),標(biāo)準(zhǔn)段寬49.6 m(16.0 m公路+3.0 m分隔帶+11.6 m鐵路+3.0 m分隔帶+16.0 m公路),高4.96 m。中間鐵路為復(fù)線,兩側(cè)鋼挑臂承受雙向6車道的公路荷載,主梁橫斷面及車道布置如圖2所示。懸挑部分橫向長16 m,斜撐跨度10 m,其中橫梁縱向間隔3 m,大挑臂間隔6 m。外挑范圍共布置4個車道(圖2),分別為車道1、2、3及應(yīng)急車道。橋面采用U形加勁肋結(jié)合的正交異性板結(jié)構(gòu),鋪裝層厚度為15 cm,包括10 cm鋼筋混凝土層及5 cm瀝青混凝土層。主梁由內(nèi)到外U肋編號為1～25肋,頂板厚16 mm,中縱梁厚24 mm,有斜撐處橫隔板在車道1、2范圍內(nèi)厚20 mm、車道3范圍內(nèi)厚32 mm、車道4范圍內(nèi)厚16 mm,無斜撐處橫隔板厚16 mm,U肋厚8 mm。

圖2 主梁橫斷面(單位:cm)

與常規(guī)OSD橋梁相比,該超寬大挑臂鋼箱梁OSD有如下特點:①空間結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜,焊接構(gòu)造細(xì)節(jié)繁多;②懸挑長度大,橫梁剛度更小,在疲勞荷載作用下橫梁整體變形明顯;③公鐵同層布置,橋面同時承受汽車與列車荷載,荷載情況更加復(fù)雜;④大挑臂鋼箱梁OSD空腹式橫隔結(jié)構(gòu)在既有工程案例和設(shè)計規(guī)范中鮮有涉及,其受力狀況與傳統(tǒng)箱形結(jié)構(gòu)大不相同。

2 有限元模型

采用ANSYS軟件建立節(jié)段模型,縱向長36 m(含13道橫隔板),考慮到結(jié)構(gòu)的對稱性,橫向僅取半幅進(jìn)行建模,寬24.8 m。鋼板采用4節(jié)點殼單元SHELL181進(jìn)行模擬,為精確捕捉疲勞響應(yīng),在所關(guān)注構(gòu)造細(xì)節(jié)采用2 mm等距網(wǎng)格,其余地方采用粗略網(wǎng)格。鋼箱梁均采用Q345qD材料,彈性模量為206 GPa,剪切模量為81 GPa。為盡可能模擬實際受力,邊界條件如下[18]:①橫向?qū)ΨQ截面采用對稱約束,即約束X向平動自由度和繞Y、Z軸的轉(zhuǎn)動自由度;②兩端邊界,約束頂?shù)装迮cU肋Z向平動自由度和繞X、Y軸的轉(zhuǎn)動自由度,約束鋼箱腹板Y向平動自由度;③鋼錨箱處約束錨墊板的3個平動自由度。主梁節(jié)段模型及網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 主梁節(jié)段模型及網(wǎng)格劃分

因考察大挑臂結(jié)構(gòu)對鋼箱梁沿橫橋向疲勞特性的影響,則重點關(guān)注挑臂區(qū),并以公路荷載作為疲勞荷載計算結(jié)構(gòu)受力特性。據(jù)JTGD64—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》[19]第5.5.7條可知,正交異性鋼橋面板各疲勞細(xì)節(jié)對車載不敏感,而僅對輪載敏感,故采用疲勞荷載計算模型Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)車的4個車輪荷載(120 kN×4)進(jìn)行加載?？紤]橋面鋪裝層對荷載分散作用,假設(shè)荷載在鋪裝層內(nèi)按45°擴散[20],則橋面頂板承受輪載面積為0.5 m×0.9 m。利用ANSYS有限元軟件進(jìn)行縱橫向移動車輪荷載步的計算,取橫橋向距截面中心線10.05～21.30 m范圍(公路荷載作用區(qū)域)、縱橋向6.70 m范圍進(jìn)行計算,包括2個橫隔板H1(挑臂處)及1個H2橫隔板(非挑臂處)。考慮計算效率,橫向考慮車輪荷載分別沿3個車道中心線進(jìn)行加載,縱向以間隔100 mm進(jìn)行移動,因此每個車道縱向有90個荷載步,輪載移動加載方式如圖4所示。

圖4 輪載移動加載方式

參考現(xiàn)有OSD研究結(jié)果中關(guān)注的典型疲勞細(xì)節(jié),對大挑臂鋼箱梁OSD設(shè)置6類應(yīng)力考查點,如圖5所示。原橋OSD箱梁包含2種橫隔板,分別為挑臂橫隔板H1及非挑臂橫隔板H2,疲勞細(xì)節(jié)采取如下編號規(guī)則,字母D、R分別代表頂板(Deck)、縱肋(Rib),H1、H2分別代表兩類橫隔板,采用數(shù)字代表疲勞細(xì)節(jié)。如DR-1表示頂板-U肋細(xì)節(jié)1,RH1-4表示U肋-橫隔板H1細(xì)節(jié)4。

圖5 大挑臂箱梁的疲勞細(xì)節(jié)

3 荷載步應(yīng)力特征分析結(jié)果

3.1 應(yīng)力影響面分析

為探究輪載對大挑臂鋼箱梁關(guān)鍵疲勞細(xì)節(jié)應(yīng)力狀態(tài)分布的影響,對箱梁進(jìn)行單車道加載(圖4),并繪制應(yīng)力影響面,頂板、橫隔板與U肋部分細(xì)節(jié)應(yīng)力影響面如圖6所示,圖中橫縱坐標(biāo)分別表示荷載步和加勁肋編號。

圖6 疲勞細(xì)節(jié)應(yīng)力影響面

由圖6可知,各焊接構(gòu)造細(xì)節(jié)均表現(xiàn)出較明顯的局部受力特性,但同類型疲勞細(xì)節(jié)位于不同橫橋向位置時峰值應(yīng)力差距較大,表明大挑臂OSD鋼箱梁受力存在明顯的橫橋向差異性,主要是由于較寬的鋼箱梁引起橫隔板較大的撓度和剪切變形。這種差異也表現(xiàn)出復(fù)雜的應(yīng)力分布,不利于疲勞性能。

有效應(yīng)力影響面長度或?qū)挾榷x為大于峰值應(yīng)力10%的應(yīng)力分布范圍,在此范圍內(nèi)載荷對細(xì)部疲勞應(yīng)力有顯著影響。單車道加載情況下頂板-U類細(xì)節(jié)(DR-1與DR-2)影響面有效影響范圍橫向約為2個加勁肋,縱向約為30個荷載步(2道橫隔板間距)。這與普通閉口鋼箱梁OSD中頂板-U肋細(xì)節(jié)應(yīng)力縱橫影響范圍無太大差距[15]。挑臂處細(xì)節(jié)RH1-3與RH1-5應(yīng)力有效影響范圍橫向約為5個加勁肋,而非挑臂處同類細(xì)節(jié)RH2-3與RH2-5應(yīng)力有效影響范圍橫向可達(dá)7個加勁肋。導(dǎo)致無挑臂處橫向影響范圍更大的原因是該截面較挑臂截面剛度更低。因此,正交異性橋面板整體撓度更大,從而車輪負(fù)載被傳遞到更遠(yuǎn)的地方。無論有無挑臂,這幾處細(xì)節(jié)縱向有效影響范圍均約為60個荷載步(3道橫隔板)?？梢?這些橫隔板-U肋細(xì)節(jié)影響面相對較大,遠(yuǎn)超普通閉口鋼箱梁OSD同類細(xì)節(jié)影響范圍的橫向2個U肋與縱向2道橫隔板[15]。

3.2 荷載步應(yīng)力特征分析

為分析金海大橋鋼箱梁在挑臂結(jié)構(gòu)影響下的疲勞受力特性,對比各疲勞細(xì)節(jié)在不同車道作用下的應(yīng)力分布情況,并確定最不利荷載位置與最不利細(xì)節(jié)。

3.2.1 挑臂最不利疲勞細(xì)節(jié)分析

由圖2可知,車道1、2、3范圍內(nèi)U肋編號分別為3～8、9～14、15～20,3個車道單獨加載時最不利應(yīng)力幅及所處關(guān)鍵點位置如表1所示。

表1 每個車道單獨加載時各類疲勞細(xì)節(jié)的最不利應(yīng)力幅 MPa

由表1可知,縱向?qū)Ρ葍深悪M隔板,細(xì)節(jié)3處,橫隔板H1的Δσ均大于橫隔板H2;細(xì)節(jié)4和5處,橫隔板H1的Δσ均小于橫隔板H2,表明挑臂引起的橫向分力對細(xì)節(jié)4和細(xì)節(jié)5有利,對于細(xì)節(jié)3不利。尤其是細(xì)節(jié)5,橫向分力影響十分明顯,車道3單獨加載時疲勞細(xì)節(jié)RH2-5比RH1-5高出85.4%。橫向?qū)Ρ雀鬈嚨捞?無論有無挑臂,頂板細(xì)節(jié)1、2的最不利應(yīng)力幅基本相同。不過車道1或3單獨加載時,3#U肋處橫隔板細(xì)節(jié)RH1-4的Δσ高出18#U肋處同類細(xì)節(jié)57%,表明大挑臂箱梁不同橫向區(qū)域存在同類疲勞細(xì)節(jié)應(yīng)力狀態(tài)明顯差異。車道1單獨加載時,最不利應(yīng)力幅均大于其他車道單獨加載,表明車道1為橫向最不利加載位置;且細(xì)節(jié)3～5最不利應(yīng)力幅均發(fā)生在3#U肋,原因在于3#U肋位于車道1內(nèi)側(cè)車輪之下,且距離主梁中箱較近,橋面剛度變化明顯,導(dǎo)致橫隔板及U肋相對變形較大,橫隔板變形如圖7所示。其中,橫隔板開孔側(cè)邊細(xì)節(jié)4較開孔底邊細(xì)節(jié)5更為不利,且最不利應(yīng)力幅遠(yuǎn)大于細(xì)節(jié)5,可見,3#U肋的細(xì)節(jié)4為全挑臂最不利疲勞細(xì)節(jié)。

圖7 車道1單獨加載時橫隔板變形示意

3.2.2 箱梁橫橋向疲勞特性分析

為探究大挑臂箱梁橫橋向疲勞特性差異原因及力學(xué)原理,以車道1、2、3同時加載為例,最不利疲勞細(xì)節(jié)RH-4與同類細(xì)節(jié)RH-7應(yīng)力分布如圖8所示。

圖8 橫隔板開孔細(xì)節(jié)考察點邊緣切線方向應(yīng)力σ1分布

由圖8(a)、圖8(b)可知,無論有無斜撐,沿U肋對稱的兩側(cè)橫隔板細(xì)節(jié)應(yīng)力均處于相反的受壓和受拉狀態(tài),這對疲勞很不利。車道1范圍內(nèi)橫隔板細(xì)節(jié)的σ1絕對值遠(yuǎn)高于其他車道,且無論有無挑臂,σ1沿各車道間變化幅度均較大?？梢钥闯?大挑臂箱梁正交異性橋面板各疲勞細(xì)節(jié)對輪載橫向分布位置十分敏感。由圖8(c)～圖8(f)可知,橫梁局部剪切變形不會引起σ1在各車道范圍內(nèi)的明顯差異,僅使得σ1在輪載位置附近有一定波動。而橫梁整體彎剪變形導(dǎo)致σ1劇烈波動,使得箱梁不同橫向區(qū)域的同類疲勞細(xì)節(jié)應(yīng)力差異明顯。

其中,車道3范圍內(nèi)橫隔板H2的σ1波動明顯強于H1,這是因為H1處車道3位于挑臂和橫梁連接處上方,且偏于主梁外側(cè)(圖2),則車道3加載時,僅在內(nèi)側(cè)橫梁中產(chǎn)生橫向軸力,引起的橫隔板整體變形較小,而H2并無斜撐,車道3加載時,荷載產(chǎn)生的彎矩和剪力引起橫梁整體變形較大。由此可見,大挑臂箱梁疲勞行為的橫向差異主要由橫梁整體彎剪變形引起。

3.2.3 鄰車道疲勞荷載影響分析

單車道加載時已確定了各類疲勞細(xì)節(jié)最不利應(yīng)力幅,且均出現(xiàn)在車道1范圍內(nèi)。為考察相鄰車道影響,分別對車道2、3進(jìn)行單獨加載,探究其對車道1范圍內(nèi)相關(guān)細(xì)節(jié)的影響,加載方式與圖4相同,結(jié)果如表2所示。

表2 鄰車道加載效應(yīng)及其占比

由表2可知,車道2加載對車道1范圍內(nèi)疲勞細(xì)節(jié)的影響(3.3%～38.4%)遠(yuǎn)大于車道3(1.1%～12.8%)。橫向多車荷載對不同疲勞細(xì)節(jié)應(yīng)力狀態(tài)的影響程度不同,從而大挑臂鋼箱梁OSD沿橫橋向表現(xiàn)出不同的疲勞特性。對于車道1范圍內(nèi)相關(guān)細(xì)節(jié)而言,相鄰車道加載對開孔側(cè)邊細(xì)節(jié)4及開孔底邊細(xì)節(jié)5的影響尤為明顯(均超過38%),對其他細(xì)節(jié)影響相對較小。現(xiàn)行規(guī)范JTGD64—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》[19]中多車道效應(yīng)系數(shù)γ4計算公式如下

γ4=

(1)

式中k——慢車道與主車道數(shù)量和;

Nj——每年在j車道行駛的重車輛數(shù);

ηj——對應(yīng)于車道j中心線處,形成應(yīng)力幅的內(nèi)力影響線,取正值。

因此,本橋多車效應(yīng)系數(shù)建議偏安全取值為1.05。

4 結(jié)論

通過數(shù)值模擬方式對國內(nèi)首座公鐵同層大挑臂鋼箱梁斜拉橋正交異性橋面應(yīng)力橫向分布特征進(jìn)行考察,主要得到以下結(jié)論。

(1)相較于普通閉口鋼箱梁OSD各細(xì)節(jié)有效應(yīng)力影響面的2個U肋和2道橫隔板范圍,大挑臂鋼箱梁頂板—U肋細(xì)節(jié)影響范圍與之差距不大;而挑臂處和非挑臂處橫隔板—U肋細(xì)節(jié)有效應(yīng)力影響面寬度分別約為5個和7個U肋,長度均約3道橫隔板,其值遠(yuǎn)超普通閉口鋼箱梁OSD同類細(xì)節(jié)。

(2)縱橋向?qū)Ρ?橫隔板開孔底邊細(xì)節(jié)5在兩類橫隔板處表現(xiàn)出不同受力狀態(tài),且RH2-5最不利應(yīng)力幅比RH1-5高出85.4%。橫橋向?qū)Ρ雀骷?xì)節(jié),車道1均為最不利加載位置,頂板—U肋細(xì)部應(yīng)力狀態(tài)不存在橫橋向跨區(qū)域差異性。但不論縱、橫向,橫隔板-U肋各細(xì)節(jié)應(yīng)力狀態(tài)均差異明顯,同類細(xì)節(jié)最不利應(yīng)力幅可高出其他車道57%。因此,大挑臂鋼箱梁OSD橫隔板—U肋相關(guān)細(xì)節(jié)值得重點關(guān)注。

(3)無論有無斜撐,U肋兩側(cè)橫隔板細(xì)節(jié)均處于相反的受壓和受拉狀態(tài),這對疲勞很不利。大挑臂箱梁正交異性橋面板各疲勞細(xì)節(jié)對輪載橫向分布位置十分敏感,不同橫向區(qū)域的同類疲勞細(xì)節(jié)應(yīng)力差異明顯。非挑臂處橫隔板各細(xì)節(jié)疲勞應(yīng)力幅較挑臂處波動更劇烈,無挑臂支撐時,荷載引起的橫梁整體變形更大,這也是引起大挑臂箱梁疲勞行為橫橋向差異的主要原因。

(4)對于車道1范圍內(nèi)疲勞細(xì)節(jié),車道2加載的影響(3.3%～38.4%)遠(yuǎn)大于車道3(1.1%～12.8%)。其中,3#U肋的橫隔板側(cè)邊開孔細(xì)節(jié)4為全挑臂最不利疲勞細(xì)節(jié),且鄰車道荷載對其應(yīng)力幅影響尤為明顯(超過38%)。因此,多車效應(yīng)系數(shù)不宜按JTGD64—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》取值1.0,根據(jù)重車車流量統(tǒng)計及有限元法計算,本橋多車效應(yīng)系數(shù)建議偏安全取值為1.05。