城市立交桥异形钢箱梁疲劳性能研究

王江龙

（中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075）

异形桥梁包括异形斜拉桥、异形拱桥、异形梁桥等。异形梁桥的结构形式有宽度渐变、桥线弯曲、横向受力不均匀的结构特征。异形梁桥主要以异形钢箱梁桥的形式被应用，这种形式的桥梁主要应用在城市立交桥互通段、主线与支线连接段、桥梁与道路连接段等。

1 钢箱梁桥的疲劳理论

桥梁结构构件在循环荷载作用下，钢箱梁的某点或者某个位置材料会发生永久性破坏，内部出现裂缝，随着循环荷载的持续施加，裂缝会发展得越来越多、越来越明显，直至钢箱梁发生结构破坏，这个过程称为钢箱梁桥的疲劳破坏。在进行设计时，即使结构的可靠度满足要求，也无法避免桥梁发生疲劳开裂。影响钢箱梁桥的疲劳开裂因素有很多，外因主要是循环荷载和循环次数，内因是材料本身的特性以及应力集中[1]。

1.1 疲劳应力

钢箱梁桥的疲劳破坏主要是桥面作用的车辆荷载等循环荷载使结构发生循环应力，这种应力持久性作用于桥梁上使桥梁发生裂缝并影响结构强度，最终形成疲劳破坏。循环荷载被称为疲劳荷载，疲劳荷载产生的应力称为疲劳应力。结构在疲劳荷载作用下的疲劳应力参数如表1所示。

表1 疲劳应力参数

1.2 应力集中

应力集中是指异形钢箱梁桥中某一位置的应力增大的现象，一般出现在钢箱梁形状变化处，如孔口、切槽、截面变化点等无刚性约束的位置。应力集中能使钢箱梁产生疲劳裂缝，也能使材料发生脆性破坏，应力集中处的应力值最大，这种现象与钢箱梁的几何尺寸以及受力时的加载方式有关[2]。

1.3 疲劳准则

线性积伤律准则认为应力幅对结构造成的疲劳损伤可以叠加，叠加后的可以用损伤度表示。

式中：ni为应力幅的作用次数；Ni为应力幅的疲劳寿命。损伤度大于等于1时，认为发生疲劳破坏；损伤度小于1时，认为未发生疲劳破坏[3]。

1.4 分析方法

（1）无限寿命设计法，是指钢箱梁在荷载作用下，能够保持长时间的稳定状态不发生疲劳破坏。即理想状态下，钢箱梁的使用寿命趋向无穷大，钢箱梁的疲劳细节处的最大应力幅值永远小于疲劳极限强度。基于无限寿命设计的混凝土材料特性不能充分发挥作用，实际工程中存在局限性。

（2）安全寿命法是基于无限寿命设计法发展而来的，都是以疲劳应力为基本参数，不同之处是安全寿命法掺加了钢箱梁受力过程中由于材料损伤引起的疲劳强度降低，并且将材料损伤进行叠加。因此，安全寿命法需要依据损伤理论将全过程的损伤值进行叠加来计算总的疲劳损伤。针对这种方法，桥梁疲劳计算中损伤值的计算采用的是线性积伤律理论。疲劳验算公式主要是通过计算得到的累计损伤值与钢箱梁得极限损伤值进行对比，要求计算值小于极限值为安全。

2 异性钢箱梁桥的疲劳性能

2.1 车辆横向轮迹的影响

研究车辆横向轮迹作用，及钢箱梁的应力幅变化情况，可采用ANSYS有限元分析软件对某桥梁进行建模分析，设置条件为考虑扩散角的影响，不加设铺装层。文章选取单元网格尺寸为10cm，全桥共计164335个单元，模型建立如图1所示。

图1 有限元模型

选取A、B、C、D四个有效控制点进行疲劳细节的研究，其中疲劳细节A为U肋与顶板、横隔板的相交处；疲劳细节B为U肋与顶板的相交处；疲劳细节C为两个肋板的相交处；疲劳细节D为U肋和横隔板的相交处。经过模拟分析得到的应力幅值如表2所示。

表2 应力幅值

A、B、C、D共4个选取点在转弯轮迹横向分布的情况下，各自的等效应力幅分别为最大应力幅的0.89倍、0.81倍、0.80倍和0.84倍；A、B、C、D共4个选取点在直行轮迹横向分布的情况下，各自的等效应力幅分别为最大应力幅的0.84倍、0.71倍、0.72倍和0.67倍；A、B、C、D共4个选取点在规范轮迹横向分布的情况下，各自的等效应力幅分别为最大应力幅的0.94倍、0.95倍、0.94倍和0.94倍。由以上数值分析可知，A、B、C、D共4个选取点的应力幅的等效值均呈现以下变化：直行轮迹数值＜转弯轮迹数值＜规范轮迹数值。在实际工程中，当异形钢箱梁桥桥面交通涉及转弯情况时，采用规范规定的轮迹横向分布是偏于安全的，而采用实测直行轮迹横向分布式偏于不安全的[4]。

2.2 铺装层厚度的影响

研究铺装层厚度对异形钢箱梁疲劳细节处的应力幅影响，可采用ANSYS有限元分析软件对某桥梁进行建模分析，设置情况为不加设铺装层，但考虑45°扩散角；加设铺装层不考虑铺装层的扩散作用；加设铺装层，并考虑45°扩散角。通过这三种情况下的应力幅值变化情况研究铺装层对异形钢箱梁疲劳性能的影响。同2.1所示选取A、B、C、D共4个有效控制点进行疲劳细节的研究。采用规范规定的标准疲劳车加载，加载迹线选择每个疲劳细节对应的最不利位置。钢箱梁桥面板的沥青铺装厚度一般为40～80mm，选取铺装层的弹性模量为2600MPa，铺装层的厚度变化为40mm、50mm、60mm、70mm、80mm，当弹性模量一定时，铺装层厚度变化会引起应力幅的变化。经过分析得出数据如表3所示。

表3 不同铺装层厚度对应的最大应力幅值 单位：MPa

分析表明：对疲劳细节A，铺装层厚度分别为40mm、50mm、60mm、70mm和80mm时，最大应力幅分别为26.54MPa、25.48MPa、24.85MPa、23.41MPa和22.55MPa；相对于铺装层厚度为40mm时，最大应力分别减小了1.06MPa、1.69MPa、3.13MPa和3.99MPa。对于疲劳细节B，最大应力幅分别为24.78MPa、23.83MPa、23.27MPa、22.45MPa 和 21.85MPa； 与铺装层厚度为40mm时比较，最大应力幅分别减小了0.95MPa、1.51MPa、2.33MPa和 2.93MPa。对于疲劳细节C，最大应力幅分别为16.52MPa、16.27MPa、15.14MPa、14.58MPa和 13.78MPa； 与 铺 装 层 厚 度为40mm时比较，最大应力幅分别减小了0.25MPa、1.38MPa、1.94MPa和2.74MPa。对于疲劳细节D，最大应力幅 分 别 为 11.74MPa、11.25MPa、10.49MPa、10.16MPa和9.89MPa；与铺装层厚度为40mm时比较，最大应力幅分别减小了0.49MPa、1.25MPa、1.58MPa和1.85MPa。

由以上分析可得，在4种疲劳细节处，铺装层厚度的越大则最大应力幅越小，因此在一定范围内，适当增加箱梁桥铺装层的厚度可降低钢箱梁的疲劳损伤[5]。

3 结论

（1）通过对钢箱梁疲劳理论分析得知，异形钢箱梁破坏形式主要是由于作用在桥面的循环荷载引起的；异形钢箱梁在截面突变点存在应力集中现象；疲劳破坏的评价指标采用应力幅，损伤度大于等于1时，认为发生疲劳破坏；损伤度小于1时，认为未发生疲劳破坏。（2）在实际工程中，当异形钢箱梁桥桥面交通涉及转弯情况时，采用规范规定的轮迹横向分布是偏于安全的，而采用实测直行轮迹横向分布式偏于不安全。（3）通过铺装层厚度对异性钢箱梁桥的疲劳性能分析得出，在这4种疲劳细节处，铺装层厚度越大最大应力幅越小。因此，在一定范围内，适当增加箱梁桥铺装层的厚度可降低钢箱梁的疲劳损伤。