UHPC铺装正交异性钢桥面板纵肋−面板焊缝构造细节的疲劳研究

祝志文，文鹏翔，李健朋，李积泉，麦鹏

(1. 湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082；2. 佛山市路桥养护有限公司，广东 佛山 528000)

正交异性钢桥面板因其优良的受力特性和经济性能，在现代桥梁工程中得到了广泛应用。但此类结构的疲劳问题较为突出[1−2]，国内外的正交异性钢桥面板疲劳病害表明：正交异性钢桥面板疲劳病害一旦发生，将直接影响结构的运营质量甚至显著降低其耐久性；病害不仅修复费用高而且难以取得理想的修复效果[3−5]。因此，正交异性钢桥面板的疲劳研究具有理论和现实的意义。由于我国公路交通量增速快、车流量尤其是货车通行量大，且超载严重，使得疲劳开裂这一问题更为突出，尤其是公路桥梁。正交异性钢桥面板构造细节疲劳开裂主要集中在面板−纵肋焊缝、弧形切口母材、纵肋和横肋连接焊缝下端、纵肋对接焊缝和面板−横肋焊缝处等[6]。正交异性钢桥面板的开裂，严重地影响了桥梁的使用和耐久性。目前使用最广泛的U型闭口纵肋，出现最多且危害较大的一类问题是钢桥面板与纵肋连接处的疲劳裂纹。根据裂纹萌生位置及扩展路径的不同，疲劳裂纹可分为4种：萌生于面板侧焊根的疲劳裂纹 1、萌生于面板侧焊趾的疲劳裂纹 2、萌生于纵肋侧焊趾的疲劳裂纹 3，以及萌生于焊根穿透焊喉的疲劳裂纹 4[7]，如图 1所示。超高性能混凝土简称UHPC(Ultra-High Performance Concrete)是一种高模量、高强度、高延性的超高性能纤维增强水泥复合材料。邵旭东等[8−9]提出了一种正交异性钢板-UHPC组合桥面(简称为钢-UHPC组合桥面)结构，该结构是在正交异性钢面板上焊接剪力钉、并沿横向和纵向分别设置钢筋网，再浇注薄层超高性能活性粉末混凝土层。为提供较好的行车条件，再在上面铺设一层约20 mm厚的沥青混凝土。我国公路交通量增长迅速，且货车超载非常严重，采用钢-UHPC组合桥面的目的，是希望降低轮载作用下构造细节的应力幅，提高正交异性钢桥面板的疲劳性能。目前，钢-UHPC组合桥面铺装已在2014−12−28建成通车的广东佛山市佛陈路快速化改造中的佛陈扩建桥的正交异性钢桥面板上使用，但基于现场随机车流下纵肋−面板构造细节系统的疲劳评价未见报道。

1 桥梁工程与试验布置

佛陈大桥位于佛山市禅城区和顺德区交界处。2014年在佛陈大桥两侧进行了扩建，扩建工程主桥采用58.5 m＋112.8 m＋58.5 m=229.8 m的3跨钢箱连续梁桥和钢-UHPC组合桥面铺装，采用双幅变截面直腹板钢箱连续梁，单幅梁宽15.75 m，包括了3幅宽3.75 m的行车道如图3(b)。正交异性钢桥面板采用16 mm厚面板，8 mm厚闭口纵肋以及12 mm厚横肋，相邻横肋间距2 500 mm；U形纵肋高280 mm，上端宽285 mm，肋底部宽170 mm，相邻纵肋间距为570 mm，其他布置见图2。

图1 纵肋−面板构造细节开裂形态Fig. 1 Fatigue crack patterns at rib-to-deck welding detail

图2 UHPC组合铺装正交异性钢桥面结构Fig. 2 Orthotropic steel deck with UHPC composite overlay

本文随机车流下的应力监测在西幅桥主梁中跨接近4分点位置开展，横隔板由主桥结构最南端(S)开始向北(N)逐个编号，如图 3(a)所示。测点布设选择在轮迹线下方的纵肋附近，但实际车辆运营过程中，由于驾驶员的驾驶习惯，车辆行驶位置在横向服从一定的概率分布，因此本文在 36号横隔板(D36)及其附近布置了多个工况。针对正交异性桥面板常见的疲劳裂纹病害，实验中在多个纵肋附件的构造细节布设了应变片。因篇幅限制，本文仅给出纵肋−面板构造细节相关的研究结果。

本文分析的是工况中13、14、19和20号纵肋与面板焊缝位置的应变片数据，见图3(b)。R14附近的应变片布置在36号横隔板北面(N)，距离面板−横隔板焊缝6 mm，其他纵肋附近的应变片布置于36号横隔板与37号横隔板的跨中(L/2)位置，如图3(c)和 3(d)所示。图中所示为应变片编号，也即采集仪与应变片相连的通道号。定义东侧为E，西侧为W。本文疲劳评估参考名义应力法，所有应变片中心均布设在离焊趾或自由边边缘6 mm位置处。本文疲劳试验于2015−12~2016−01实施，试验采用DH-3820动态采集系统并设定100 Hz采样频率采集了半个月的数据。

图3 试验测点布置Fig. 3 Arrangement of measuring location

2 构造细节应力响应

纵肋−面板连接焊缝构造细节分面板侧和纵肋侧。图4为13号，19号和20号纵肋附近2个应变片24小时应力时程图，6个测点在纵桥向的位置均在36号和37号横隔板的跨中位置。很明显，在同一位置的焊缝两侧，面板测点的应力显著小于纵肋侧，且纵肋上的应力以压应力为主，这说明钢-UHPC组合铺装增大了面板刚度，应力影响线更广，使面板局部变形减小，有效地降低了该构造细节面板侧的应力水平。3个纵肋侧的测点1-12，1-13和1-16的最大压应力均在40 MPa左右。面板的应力偏小，拉压交替比较明显，且拉压应力均不超过20 MPa。

14号纵肋附近的测点是布置在横隔板附近，因面板侧1-11测点数据异常，本文仅给出纵肋测点的应力时程图。14号纵肋上的2个测点24 h应力时程如图5所示。可见，14号纵肋的测点也是以压应力为主，两侧的应力大小有所差异但都小于跨中部位纵肋测点的应力值，因此，纵肋−面板构造细节如果发生裂纹扩展，应当是从纵肋−面板的纵肋一侧开始。

图4 R19和R20附近纵肋−面板构造细节24 h应力时程Fig. 4 24-hour stress records at rib-to-deck welding detail near R19 and R20

图5 R14附近纵肋−面板构造细节24 h应力时程Fig. 5 24-hour stress records at rib-to-deck welding detail near R14

典型货车通行下，纵肋与面板焊缝两侧的短时应力时程如图6所示。从图6可见，在纵肋−面板构造细节中，纵肋与面板可能同时受压，也可能同时受拉，也可能面板受拉纵肋受压。总体来说，不管何种应力状况，联轴内每个轴组均能产生1个应力峰。在图6(a)中，纵肋与面板测点均处于受压状态，每个货车通行产生3个应力幅，如前1轴和后2轴三轴车产生的应力幅，且后轴重量大于前轴；第二时段应当是前2轴和后1轴的三轴车产生的应力幅，且后轴重量大于前轴。图6(b)中第一时段的应力幅是由四轴车产生的，此构造细节为受压状态，每个车轴都能产生一个应力幅。在图6(c)中，面板与纵肋均受拉，面板有多个应力幅，说明是多轴车通过，而纵肋上的应力幅已经不能分辨联轴中的单轴。在图6(d)中，面板受拉，纵肋受压，其第二时段，面板测点1-4表现出前2轴和后3轴共5个应力峰，纵肋对应是前1轴和后2轴共3个应力幅，推测通行的是前2轴和后3轴的五轴车，当测点位于联轴中2个单轴之间位置时，纵肋上产生应力峰值。因此，从上分析可见，对面板−纵肋焊缝构造细节，无论是面板侧还是纵肋侧货车每个车轴均能产生一个应力幅。

图6 纵肋−面板构造细节货车通行应力时程Fig. 6 Stress records at rib-to-welding detail under passage of trucks

3 疲劳寿命评估

目前疲劳寿命评估主要采用Miner准则和S-N曲线的分析方法，称之为应力−寿命分析方法[6,10]。S-N曲线是反映构件所承受的应力幅水平与该幅值下疲劳开裂所经历的循环次数N的关系曲线。基于雨流计数法获得疲劳试验应力时程的应力谱，并根据Miner准则将变幅应力谱等效为等效应力幅，等效应力幅Sreff等于：

式中：ni为其中第i个应力幅Si的日均加载次数；m为S-N曲线的斜率，本文根据AASHTO LRFD[11]取3。参考AASHTO LRFD[11]估算构造细节的疲劳寿命为：

式中：Y为疲劳寿命；Sreff为等效应力幅；∑ni为某日统计的总应力循环次数；常数A可根据AASHTO LRFD规范建议的疲劳等级取相应的值。纵肋−面板构造细节疲劳等级取 C，其常幅疲劳极限为 69 MPa[11]。将实测的总共7 d数据采用雨流计数法计数后的各应变片的最大应力幅、等效应力幅以及日均加载次数(截止应力幅取 15 MPa，也即小于 15 MPa的应力幅不考虑)见表1。

图7 日均应力谱和等效应力幅Fig. 7 Average-day stress spectrum and effective stress ranges

表1 纵肋−面板构造细节监测结果(1周数据)Table 1 Monitoring results at rib-to-deck welding detail (one week data)

由表 1可见，纵肋−面板构造细节的所有测点最大应力幅都小于相应疲劳等级的常幅疲劳极限，因此基于AASHTO LRFD[11]，可以认为纵肋−面板焊缝构造细节具有无限寿命。从表1还可见，面板侧的有效疲劳加载次数显著小于纵肋侧，也即钢-UHPC组合铺装不仅减小了纵肋−面板焊缝面板侧的应力响应，还显著减少了通行货车对其疲劳加载次数。构造细节在各个位置的应力谱和等效应力幅如图7所示。

4 结论

1) 纵肋−面板构造细节面板侧应力幅显著小于纵肋侧，说明钢-UHPC桥面铺装显著增大了桥面刚度，增大了轮载分布范围，减小了面板的应力响应；同时，钢-UHPC组合铺装还明显减少了通行货车对面板的疲劳加载次数，因而将显著改善了面板侧的疲劳性能。

2) 纵肋−面板构造细节无论是面板侧还是纵肋侧，货车每个轴均能产生一个应力幅，也即纵肋−面板构造细节能清晰的分辨每个单轴。

3) 在当前随机车流作用下，纵肋−面板构造细节的最大应力幅都小于相应的常幅疲劳极限，因此佛陈扩建西桥钢-UHPC组合铺装正交异性桥面板构造细节具有无限疲劳寿命。

参考文献：

[1] 曾志斌. 正交异性钢桥面板典型疲劳裂纹分类及其原因分析[J]. 钢结构, 2011, 26(2): 9−15.ZENG Zhibin. Classification and reasons of typical fatigue cracks in orthotropic steel deck[J]. Journal of Structural Engineering. 2011, 26(2): 9−15.

[2] Connor R J, Fisher J W. Consistent approach to calculating stresses for fatigue design of welded rib-to-web connections in steel orthotropic bridge decks[J]. Journal of Bridge Engineering, 2006, 11(5):517−525.

[3] 陶晓燕. 正交异性钢桥面板节段模型疲劳性能试验研究[J]. 中国铁道科学, 2013, 34(4): 22−26.TAO Xiaoyan. Experimental study on the fatigue performance of the section model of orthotropic steel bridge deck[J]. China Railway Science, 2013, 34(4):22−26.

[4] 王春生, 付炳宁, 张芹, 等. 正交异性钢桥面板足尺疲劳试验[J]. 中国公路学报, 2013, 26(2): 69−76.WANG Chunsheng, FU Bingning, ZHANG Qin, et al.Fatigue test on full-scale orthotropic steel bridge deck[J].China Journal of Highway Transport, 2013, 26(2): 69−76.

[5] 赵欣欣, 刘晓光, 潘永杰, 等. 正交异性钢桥面板纵肋腹板与面板连接构造的疲劳试验研究[J]. 中国铁道科学, 2013, 34(2): 41−45.ZHAO Xinxin, LIU Xiaoguang, PAN Yongjie, et al.Fatigue test study on the joint structure between the deck and longitudinal rib web of orthotropic steel bridge deck[J]. China Railway Science, 2013, 34(2): 41−45.

[6] XIANG Ze, ZHU Zhiwen, HUANG Yan, et al. FEM analysis on fatigue cracking mechanism of diaphragm cutout in orthotropic steel decks[C]// The 4th orthotropic bridge conference proceedings. September 21-24, 2015,Tianjin, China, 125−136.

[7] XIAO Zhigang, Kentaro Y, Samol Y, et al. Stress analyses and fatigue evaluation of rib-to deck joints in steel orthotropic decks[J]. International Journal of Fatigue,2008, 30(8): 1387−1397.

[8] 邵旭东, 曹君辉, 易笃韬, 等. 正交异性钢板−薄层RPC组合桥面基本性能研究[J]. 中国公路学报, 2012,25(2): 40−45.SHAO Xudong, CAO Junhui, YI Dutao, et al. Research on basic performance of composite bridge deck system with orthotropic steel deck and thin RPC layer[J]. China Journal of Highway Transport, 2012, 25(2): 40−45.

[9] SHAO Xudong, YI Dutao, HUANG Zhengyu, et al. Basic performance of the composite deck system composed of orthotropic steel deck and ultrathin RPC layer[J]. Journal of Bridge Engineering, 2013, 18(5): 417−428.

[10] 郭彤, 李爱群. 基于长期监测数据的桥面焊接细节疲劳寿命评估[J]. 土木工程学报, 2009, 42(6): 66−72.GUO Tong, LI Aiqun. Fatigue life assessment of welds in bridge decks using long term monitor data[J]. China Civil Engineering Journal, 2009, 42(6): 66−72.

[11] AASHTO, AASHTO LRFD. Bridge design specifications[S]. American Association of State Highway and Transportation Officials, Washington, D. C., 2010.