桥面铺装对城市钢箱梁桥面板疲劳性能的影响

郑中岳，唐冕，吕韶全

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)



桥面铺装对城市钢箱梁桥面板疲劳性能的影响

郑中岳，唐冕，吕韶全

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

城市钢箱梁桥面板在车轮荷载的反复作用，特别有超载车的持续作用时，疲劳问题显著。为分析桥面铺装对其疲劳性能的影响，基于空间有限元的分析方法，选取不同类型的桥面铺装，分别研究在铺装层不同的刚度、厚度以及加劲肋的构造形式下对城市钢箱梁桥面板疲劳性能。分析结果表明：与普通沥青混凝土相比，新型RPC铺装可以显著改善钢桥面板的受力状态，提高其疲劳寿命；提高铺装层的刚度可以明显降低构造细节的应力幅；对于桥面板的各种常用形式闭口肋中，U形加劲肋的受力性能明显优于V形。

桥面板；铺装；疲劳寿命；应力幅

大跨度连续钢箱梁由于其跨越能力强、重量轻、整体性好、施工周期短的优点，近年来在城市桥梁中应用广泛。但随着交通量及重载车辆的增加，其正交异性钢桥面板的疲劳裂纹日益显现，如1997年建成通车的南方某大桥[1]，在运营5 a后不断出现疲劳裂纹，到2007年桥面板又发现多条纵向裂缝。检测结果表明，桥面板与U肋纵向焊接裂缝以及U肋和横隔板连接处的裂缝最为突出，见图1所示。

作为钢桥面板的保护层，桥面铺装的相对刚度较大，其材料特性对钢桥面板的疲劳性能影响较大。国内外的许多学者都对这一问题进行了研究，吴冲[2]采用ABAQUS有限元程序、以大跨度斜拉桥和悬索桥为例，探讨了弹性模量、铺装层厚度等因素对钢桥面板疲劳应力幅的影响；张东波[3]考虑横隔板间距、厚度和纵肋高度等参数，分析裂纹尖端的应力强度及其疲劳性能。由于我国现行的桥梁设计规范关于钢桥疲劳验算的条文相对落后，没有疲劳验算荷载谱，尤其对于异形钢箱梁桥面板的疲劳问题缺乏清晰的设计理念，因此探讨铺装层极其构造细节对城市连续钢桥面板疲劳性能的影响具有一定的现实意义。

本文在总结前人研究成果的基础上，以某城市立交桥中的异形钢箱梁为例，根据欧洲Eurocode1规范，对桥面板进行疲劳应力分析和寿命评估，并比较城市桥梁和公路桥梁的车辆荷载，分析沥青铺装层的弹性模量、厚度及构造细节对桥面板疲劳应力幅的影响。

图1　南方某大桥钢桥面板的裂纹分布Fig.1 Crack distribution of a south bridge Steel Deck Plates

1　工程背景

某城市三层立交桥的多个匝道采用变宽或变高连续钢箱梁桥，主跨从25～50 m，桥面宽度7.3～12.5 m，梁高1.6～2.5 m，本文选取的NE匝道(34.3+34.9 m)为两跨连续钢箱梁桥，采用单箱单室截面，结构中心梁高1.8 m，箱梁顶面宽8.14～7.32 m，箱底等截面宽度3.98～3.1 m，钢材材质Q345qE，桥面采用正交异性板结构，其主要截面如图2所示。

单位：mm图2　NE匝道钢箱标准截面Fig.2 Standard section of NE ramp steel box girder

2　计算模型

采用ANSYS有限元分析软件建立节段钢箱梁模型，为了模拟正交异性钢桥面板在车辆荷载作用下的受力情况，顺桥向取3个横隔板区间，钢桥面板、底板、横隔板、腹板及桥面铺装分别采用shell63和Solid45单元模拟。钢桥面板的焊接节点是比较容易开裂的部位，需进行疲劳强度计算的构造细节主要有：1)纵肋现场对接焊缝；2)横隔板腹板开孔边缘；3)纵肋与顶板焊缝；4)纵肋与顶板位于横隔板处焊缝。细节位置如图4所示。

图3　桥面铺装FEM模型Fig.3 FEM of deck pavement

图4　疲劳验算细节位置示意图Fig.4 Fatigue checking details

3　铺装体系对钢桥面板疲劳性能的影响

3.1细节应力的影响因素

沥青混凝土铺装层与面板之间的粘结层结合在一起，因各种原因会出现疲劳开裂和其他病害等问题。随着新型材料活性粉末混凝土(Reactive Power concrete)[4]的出现，杨剑[5]等对这种材料进行了一定研究。邵旭东等[6-8]研制的以活性粉末混凝土作为新型铺装体系可以显著改善桥面板的受力性能。本文选用常见沥青铺装和RPC铺装体系进行比较。铺装的材料特性见表1。

表1　桥面铺装材料参数表

为了模拟沥青铺装层与桥面板之间的滑移现象，将沥青铺装单元与桥面板单元分开建立，其连接方式按考虑铺装与桥面板之间1)无滑移和2)有滑移2种情况。由于RPC层与钢桥面板通过剪力钉形成了良好连接，RPC层参与结构受力，有限元模拟时铺装与钢桥面板相同位置处节点的全部平动自由度耦合。

在进行车辆荷载加载时，应以使验算细节产生最大应力作为最不利加载位置的判别准则。加载车轮轴重为100 kN，并考虑0.15的冲击系数，计算结果见表2。本文选取的细节1～细节4的具体位置如图4所示。

表2　不同铺装类型下的应力峰值

沥青铺装与桥面板产生滑移时，黏结层对铺装与桥面板之间仍有粘结作用，为了模拟这种作用，采用不同刚度的弹簧连接铺装层与桥面板。弹簧的水平刚度按照以下公式计算：

(1)

式中：K为弹簧的水平刚度；E为铺装的弹性模量；h为铺装的厚度；A为弹簧连接板单元面积；η为弹簧水平刚度换算系数。

公式中η反映了黏结层粘结作用的大小，规定η取值范围为10-n(n=0，1，2，…)，不同的n值下的计算结果见表3所示。

表3　不同n值下的细节应力峰值

由表2可知，相对于沥青铺装体系，RPC铺装明显减低了各验算细节的应力峰值，其中验算细节3和4的应力峰值的降低幅度远大于细节1和2，RPC铺装体系可以明显改善铺装层直接接触的验算细节3和4的受力状态。

由表3可知验算细节的应力值均随着n值的增大即水平连接刚度的减小而逐渐增大，当n值大于3即当水平连接刚度达到83.3 kN/m时，应力基本上趋于稳定。

3.2城市钢桥面板的寿命评估

为了研究方便，采用童乐为等[9]对上海某道路桥梁疲劳荷载研究而简化的六类模型车辆组成的荷载频谱值。交通量按照10 000辆/d计算。将六类模型车按照使细节应力产生最大值的位置进行加载，得到不同铺装体系下的应力历程，按照雨流计数法并结合各模型车一年的交通量求得不同的应力幅Δσi及相应的循环次数Ni，图5和图6给出不同铺装体系下各验算细节应力谱。(其中沥青铺装体系其水平连接刚度取83.3 kN/m)

本文选取欧洲Eurocode1中规定的相关验算细节强度变幅荷载疲劳强度曲线。根据图5和图6给出的各验算细节应力谱的结果可知，各验算细节的最大应力幅均低于其常幅疲劳极限ΔσL，可知各验算细节理论上都具有无限寿命。实际上，焊缝的焊接质量、焊接残余应力等因素严重影响钢桥的使用寿命，其主要体现在对构件疲劳特性及疲劳极限的影响，因而可通过对疲劳极限进行折减的方式去考虑这些因素对钢桥疲劳寿命的影响。将ΔσL与Δσcut取折减系数α=0.8计算出不同铺装体系下各验算细节的疲劳寿命。

(a)验算细节1的应力谱;(b)验算细节2的应力谱;(c)验算细节3的应力谱;(d)验算细节4的应力谱图5　沥青铺装体系各验算细节应力谱Fig.5 Stress spectrum of asphalt pavement system checking details

(a)验算细节1的应力谱;(b)验算细节2的应力谱;(c)验算细节3的应力谱;(d)验算细节4的应力谱图6　RPC铺装体系下各验算细节应力谱Fig.6 Stress spectrum of RPC pavement system checking details

细节编号折减后常幅疲劳极限/MPa折减后变幅疲劳极限/MPa铺装最大应力幅/MPa年疲劳损伤度疲劳寿命/a141.623.2沥青460.016660.2RPC32.20无限2--沥青65.30无限RPC47.20无限341.623.2沥青49.80.05617.9RPC12.40无限441.623.2沥青42.60.02145.7RPC9.90无限

由表4可知，沥青铺装体系验算细节的寿命在对疲劳极限进行折减后发生了很大的变化，特别是纵肋与顶板焊缝处细节变化更加明显。而对于RPC铺装体系，当存在焊缝问题时，各验算细节的寿命仍为无限。这说明各验算细节的疲劳寿命受铺装体系的影响很大，RPC铺张体系能够大幅提高钢桥面板的疲劳寿命。

4　沥青铺装刚度及构造细节对桥面板应力幅的影响

沥青混凝土铺装自重轻、黏性好、行车舒服、便于维修，但沥青的材料特性会随着温度升高而发生软化，其弹性模量的变化范围在500～1 500 MPa左右，厚度一般在40～80 mm之间。由于钢桥面板厚度比较小，铺张层的相对刚度较大，钢桥面板在进行疲劳设计时，应考虑其与桥面板之间的共同作用。本节分别选用《城市桥梁设计规范》的城-A级车辆荷载(70 t)和《公路桥涵设计通用规范》的车辆荷载(55 t)进行加载，并考虑铺装层的弹性模量、厚度以及桥面板常用加劲肋的构造形式对钢箱梁钢桥面板应力幅的影响。计算结果见图7～图10。

(a)城-A车辆荷载；(b)公路规范车辆荷载图7　应力幅随弹性模量变化曲线图Fig.7 Curve of stress amplitude with Elastic Modulus

(a)城-A车辆荷载；(b)公路规范车辆荷载图8　应力幅随铺装厚度变化曲线图Fig.8 Curve of stress amplitude with Thickness

(a)加劲肋U1；(b)加劲肋U2；(c)加劲肋V图9　不同加劲肋形式图Fig.9 Different forms of stiffener

(a)加劲肋U1；(b)加劲肋U2；(c)加劲肋V图10　应力幅随弹性模量变化曲线图Fig.10 Curve of stress amplitude with Elastic Modulus

由图7可以得出：1)各验算细节应力幅均在10～60 MPa，且随着弹性模量的增加而逐渐减小，其中细节3和4的应力幅变化比较明显而细节1和2的应力幅变化较平缓。由此可见，与钢桥面板直接相关的验算细节3和4对沥青铺装弹性模量的改变更加敏感。2)城-A车辆荷载作用下细节1，3和4的等效应力幅均大于公路规范车辆荷载作用下的应力幅，而细节2则相反。即对于城市桥梁，纵肋对接焊缝和纵肋与顶板连接焊缝承受的应力幅高于公路桥梁，横隔板腹板开孔边缘处则与之相反。

大多数城市钢桥钢桥面板铺装层厚度都在40～80 mm，因此选用4种铺装层厚度进行对比分析，铺装层弹性模量取5 000 MPa。图8(a)和图8(b)分别给出了城-A车辆和公路规范车辆荷载下的等效应力幅值随铺装层厚度变化曲线图。

由图8可以得出：1)不同铺装厚度下，各验算细节应力幅均在10～60 MPa。验算细节应力幅随着铺装厚度的增加而逐渐减小，其中细节3和4的应力幅变化比较明显，而细节1和2的应力幅变化较平缓。由此可见，纵肋与顶板连接焊缝的等效应力幅比纵肋对接焊缝和横隔板腹板开孔边缘处的等效应力幅受铺装厚度变化的影响大，但是没有受铺装弹性模量变化的影响大。2)不同铺装厚度下，城-A车辆荷载及公路车辆荷载对各细节等效应力幅的影响与不同弹性模量下的影响一致。

正交异性钢桥面板的寿命除受荷载类型、残余应力以及焊接质量影响外，细部的构造设计对局部应力影响也较大。因而，选择图9所示的3种不同加劲肋类型进行对比分析。

图10给出了3种加劲肋截面形式下的等效应力幅随弹性模量变化的曲线图。图11给出了铺装层弹性模量为1 500 MPa，厚度为60 mm时的3种加劲肋截面形式的等效应力幅。

图11　应力幅随截面形式变化曲线图Fig.11 Curve of stress amplitude with section forms

由图10和图11可以得出：1)3种不同加劲肋形式下各验算细节应力幅均随着弹性模量的增加而逐渐减小。2)U形加劲肋的细节应力幅基本一致，加劲肋截面开口形式对过焊孔附近的应力影响显著；而V形加劲肋的绝大部分细节应力幅均高于U形加劲肋。

5　结论

1)对于沥青铺装体系，焊接质量、焊接残余应力等因素对钢桥面板的寿命影响较大，提高粘结层对铺装与桥面板的粘结作用能都有效改善桥面板的受力性能。相对于沥青铺装，新型材料(RPC)铺装体系能够明显改善钢桥面板的受力状态，降低验算细节处的应力，大幅提高钢桥面板的疲劳寿命。

2)城市钢桥钢箱梁桥面板验算细节应力幅，随着桥面铺装弹性模量以及厚度的增加而减小，提高铺装层刚度可以有效地降低与铺装层直接接触的验算细节处的应力幅。

3)对于纵肋对接焊缝和纵肋与顶板连接焊缝，城-A车辆荷载作用下产生的等效应力幅大于公路规范；而横隔板腹板开孔边缘承受的应力幅则相反，这是由于其应力影响线较长，车辆荷载的纵向轴距及相应的轴重对其值影响很大。

4)对于城市钢箱梁桥钢桥面板的构造细节，U形加劲肋疲劳特性优于V形。不同的闭口肋形式及横隔板的过焊孔形式对构造细节的应力影响很大。

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Influence of pavement on fatigue performance ofurban Steel Box Girder Deck

(College of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Urban steel box girder bridge deck under repeated wheel loads, especially when overloaded car sustained action, fatigue problem is significant. In order to analyze the Influence of pavement on fatigue performance of urban steel box girder bridge deck, based on spatial finite element analysis method, different pavement stiffness, thickness and construction details was analyzed under different types of bridge deck pavement. The result shows that compared with asphalt pavement system, RPC pavement system can not only obviously improve the stress condition of steel bridge deck, but also significantly extend the fatigue life of steel bridge panel; Increasing the stiffness of pavement layer can obviously reduce the stress amplitude of fatigue details, especially for direct contact with the pavement. For the different forms of silent rib fatigue properties, U2 shaped stiffener is superior to the U1 shape, and the property of U shape rib is better than V shape.

deck；pavement；fatigue life；stress amplitude

2015-11-17

国家自然科学基金资助项目(51178471,50908232)

唐冕(1970—)，女，辽宁开原人，副教授，从事桥梁教学与科研工作；E-mail: tangmian513@163.com

U441+.4

A

1672-7029(2016)09-1749-07