钢桥面板顶板焊根裂纹对铺装层受力性能影响

曹雪坤 傅中秋 高玉强 吉伯海

(河海大学 土木与交通学院，南京 210098)

铺装层覆盖在钢桥面板上方，可扩散车辆轮载作用，提高局部刚度，减缓桥面板的疲劳损伤，同时能够隔绝雨水等外界腐蚀因素，对钢桥面板起到保护作用[1-2].随着服役年限增长，铺装层将会出现开裂、破损等病害，进而引起钢桥面板受到侵蚀，影响结构使用和安全性能[3-4].目前来看，大跨度钢桥正交异性钢桥面板构造细节较为复杂，且其各方向刚度差异显著，顶板与U肋焊接细节应力集中显著，焊根处应力水平较高，易产生疲劳裂纹，且不易检测发现，裂纹沿顶板厚度进一步扩展将导致桥面铺装层受力状况更为复杂[5-6].因此，明确钢箱梁桥面板上方铺装层的受力状况，研究铺装层破环的影响因素，从而为后续钢桥面铺装层的养护与设计工作提供参考，就显得尤为重要.

针对钢箱梁桥面铺装受力状况及影响因素的研究，国内外学者开展了相关工作.徐佳等[7]等分析了顶板厚度和U肋厚度对铺装层应力的影响，认为顶板、U肋厚度增加能降低铺装层最大横向拉应力.孙旭霞[8]分析了横隔板间距、纵隔板构造等对铺装层的影响，得出横隔板间距对铺装层应力影响较小，纵隔板厚度增加使铺装层主拉应力增大.Kim等[9]对不同材料的钢桥面铺装性能进行研究，明确了铺装层厚度、路面温度等对铺装层受力及关键位置的影响.伍成忱[10]分析了荷载对铺装层的影响，认为荷载增加对铺装横向最大剪应力不利.徐伟等[11]研究了L型与U型加劲肋对桥面铺装的受力影响，得出L型加劲肋铺装表层横向拉应变更大，U型加劲肋桥面板拉应变更大.王刚等[12]研究了桥面铺装与钢桥面板在完好和开裂情况下的铺装层受力情况，得出铺装层横向应力大于纵向应力，钢桥面板开裂会使铺装层受力状况恶化.刘燕飞等[13]对钢混组合桥面铺装进行了研究，明确了混凝土桥面铺装的受力特征.

既有研究多集中在铺装层材料属性、钢桥面构造及环境因素等对铺装层受力的影响，而针对实桥中当顶板产生裂纹后以及裂纹长度与深度变化对铺装层影响程度的研究很少.本文借助有限元分析了顶板-U肋连接焊缝易疲劳焊根位置向顶板扩展裂纹贯穿前后不同长度与深度对铺装层受力性能的影响，明确了裂纹产生后对同一U肋范围内无裂纹处铺装层的影响，可充分认识铺装层的破坏规律，对钢桥面铺装的研究工作具有借鉴意义.

1 模型与工况

1.1 模型建立

参照国内某斜拉桥钢箱梁各构件尺寸，利用ABAQUS有限元分析软件建立带铺装层的钢桥面板节段模型，模型横桥向包含7根U肋(编号为U1～U7)，纵桥向包括5道横隔板[14](编号为D1～D5)，两端各伸出横隔板100 mm，竖向横隔板高度取1 500 mm，节段模型整体尺寸为16 200 mm×4 200 mm.其它各构件尺寸为:U肋开口宽300 mm，高300 mm，厚8 mm，间距600 mm;横隔板厚度10 mm;间距4 000 mm;顶板厚度14 mm;铺装层厚度55 mm.顶板-U肋角焊缝采用三角形模拟，焊脚尺寸为10 mm.钢构件采用Q345qD材料属性，弹性模量为2.1×105MPa，泊松比为0.3.环氧沥青混凝土铺装层弹性模量为1 000 MPa，泊松比为0.3，抗拉强度在1.5～2.5 MPa之间.

为尽可能接近实桥钢箱梁各部件之间的约束关系，模型边界条件模拟为:约束铺装及顶板四周、U肋端部3个方向的平动自由度;约束横隔板3个边界的平动及转动自由度.

为使关注细节数值模拟结果更加准确，利用ABAQUS软件子模型技术将顶板-U肋焊缝及铺装层附近区域提取出来，子模型纵向位于2号与3号横隔板跨中位置，横向位于4号U肋处，子模型尺寸为600 mm×1 000 mm.节段模型采用40 mm全局网格尺寸划分，单元类型为C3D8R，子模型采用40 mm全局网格尺寸、加密区域4 mm细化网格尺寸进行划分，并采用C3D10单元设置过渡区.有限元模型及网格划分分别如图1～2所示.

图1 有限元模型

图2 网格划分

1.2 裂纹工况

采用ABAQUS扩展有限元进行裂纹模拟，为对比顶板-U肋焊根向顶板扩展裂纹贯穿前后对铺装层的影响，分别建立贯穿前不同长度和深度的带裂纹模型以及贯穿后不同长度的带裂纹模型，裂纹布置在子模型右侧焊根处，未贯穿顶板裂纹设置为半椭圆形，贯穿顶板裂纹简化为矩形，裂纹模拟如图3所示，裂纹工况见表1.

图3 裂纹模拟

表1 裂纹工况

1.3 荷载工况

采用疲劳荷载模型Ⅲ中单侧双车轮加载[15]，加载面积为600 mm(横桥向)×200 mm(纵桥向)，单侧轴重60 k N，荷载集度为0.5 MPa，利用DLOAD子程序实现车轮荷载移动加载.横桥向以关注的4号U肋中心为原点，左右各设置4个加载工况，间距为150 mm，共9个工况(编号为T1～T9).纵桥向从1号横隔板移动到4号横隔板，步长为200 mm，共60个荷载步.纵、横桥向加载工况如图4所示.

图4 荷载工况(单位:mm)

2 裂纹类型对铺装层影响

2.1 最不利荷载工况

随荷载横向位置变化和纵向移动，关注细节铺装层应力也随之变化，为明确裂纹纵向中心正上方铺装底部受拉开裂的最不利横向荷载工况，以裂纹长度为300 mm的子模型为例，分别提取不同横向荷载工况下铺装底部的最大主应力时程曲线，如图5所示.

由图5可知，由于荷载纵向关于子模型纵向中心对称，所以应力时程曲线也呈对称分布，当横向荷载工况为T6，即荷载横向中心位于裂纹正上方时，裂纹上方铺装层底部的主拉应力峰值接近0.34 MPa，大于其他横向荷载工况，因此T6横向荷载工况即为该关注细节的最不利荷载工况.下面主要以T6工况来分析裂纹类型与长度对铺装层的影响.

图5 各横向荷载工况铺装层最大主应力

2.2 非贯穿裂纹影响

为对比非贯穿裂纹长度和深度对裂纹正上方铺装层应力的影响，基于最不利横向荷载工况T6，对各未贯穿裂纹模型进行加载.由相关文献[16]可知，由于正交异性钢桥面纵肋与横隔板等的存在，增强了局部刚度，导致钢桥面变形不协调，使得上方铺装层有可能在相应位置附近沿纵向或横向开裂.因此，为了明确顶板-U肋焊缝焊根向顶板扩展裂纹的存在对铺装层易损伤细节的影响，分别提取裂纹正上方铺装层底部的横向正应力S11和纵向正应力S33时程曲线，如图6所示.

图6 非贯穿裂纹正应力时程曲线

由图6可知，对于未贯穿顶板裂纹模型，铺装层横向应力以压应力为主，应力时程曲线大致呈现先增大后减小再增大最后减小的“W”型对称分布，当荷载纵桥向作用在距离裂纹中心400 mm处时，横向压应力取得最大值，由于横向受压，裂纹上方铺装层纵向开裂风险较小.对于铺装层纵向正应力，同样以压应力为主，但应力时程曲线大致呈现先增大后减小的“V”型变化趋势，当荷载纵桥向作用在裂纹中心时，跨中关注细节竖向变形最大，铺装层纵向压缩作用最为显著，纵向压应力达到峰值.

铺装层与顶板紧密结合，受顶板变形影响显著，当裂纹向顶板扩展时，将进一步削弱顶板刚度，加大顶板变形，从而可能导致铺装层破坏.为明确未贯穿顶板裂纹对顶板刚度变化的影响，分别提取裂纹中心正上方顶板与铺装相接处的横向变形时程曲线，如图7所示.可以看出，由于荷载纵向关于子模型中心对称，所以横向变形随荷载纵向移动近似呈对称分布，当荷载纵向位于裂纹中心时，该细节横向变形最大.但同时可以发现，横向变形随裂纹长度和深度增加并无明显变化规律，各未贯穿裂纹模型最大横向变形相差在3.5%以内，所以铺装层受未贯穿裂纹长度和深度变化影响较小.

图7 非贯穿裂纹横向变形

2.3 贯穿裂纹影响

当裂纹继续扩展至贯穿顶板后，裂纹上方铺装层与顶板的粘结作用将失效，同时裂纹两侧顶板将可能在车轮荷载作用下进一步张开，导致上方铺装层受拉开裂，所以还需进一步分析贯穿顶板裂纹对铺装层的影响.

分别提取最不利荷载工况下不同长度贯穿顶板裂纹正上方铺装层底部的横向正应力S11和纵向正应力S33时程曲线，如图8所示.可以看出，对于贯穿顶板裂纹，铺装层横向应力以拉应力为主，应力时程曲线大致呈现先增大后减小的变化趋势，且在荷载作用于裂纹正上方时，由于裂纹处顶板变形量最大，裂纹张开作用显著，所以此时裂纹正上方铺装层的横向拉应力达到峰值，铺装层纵向开裂风险显著增大.对于纵向应力，当荷载作用在裂纹正上方时，由于关注位置顶板竖向变形最大，纵向压缩作用显著，纵向应力达到谷值，当荷载纵向中心位于裂纹中心左右两侧400 mm处时，纵向应力达到峰值.随着贯穿顶板裂纹长度的逐渐增加，顶板刚度被进一步削弱，铺装层受拉作用愈加显著，开裂风险随之增加.

图8 贯穿裂纹正应力时程曲线

同时，为了进一步评判裂纹贯穿顶板后顶板的刚度削弱情况，分别提取不同长度裂纹中心正上方顶板与铺装层相接触位置的横向变形时程曲线，如图9所示.可知，裂纹贯穿顶板后，顶板的横向变形将进一步增大，且随着裂纹长度增加，变形量呈递增趋势，说明裂纹长度增加将进一步加大顶板横向变形，从而可能导致上方铺装层纵向开裂风险增大.

图9 贯穿裂纹横向变形

3 裂纹长度对铺装层影响

通过前面分析可以初步得知，顶板裂纹的存在可能会使局部刚度削弱，加大顶板变形，进而引起上方铺装层变形增大，破坏风险增加.考虑到钢箱梁桥顶板裂纹长度分布范围广，长则可达500 mm以上，且裂纹深度各异，为了更清晰地认识顶板裂纹长度变化对上方铺装层受力状况的影响，帮助判断铺装层受拉开裂风险，分别提取各裂纹长度工况下裂纹正上方铺装层底部的横向与纵向拉应力峰值，如图10所示.

图10 不同裂纹长度正应力最大值

由图10可知，当裂纹贯穿顶板前，铺装层最大横向拉应力与最大纵向拉应力均小于0.01 MPa，且随裂纹长度和深度的增加，最大拉应力变化幅度较小，可以认为未贯穿顶板裂纹长度与深度的增加对于铺装层的影响较小.而当裂纹刚好贯穿时，即裂纹长度从120 mm增加到140 mm时，铺装层最大横向拉应力从0.007 MPa陡增到0.167 MPa，增长了约21倍，说明裂纹贯穿顶板后铺装层应力水平将会显著提升.随着贯穿裂纹长度的逐渐增加，横向与纵向拉应力也随之增加，其中横向拉应力数值及增幅较为明显，纵向拉应力小于横向拉应力，当裂纹长度增加到700 mm时，最大纵向拉应力约为0.132 MPa，约为横向拉应力的25%，说明贯穿裂纹上方铺装层横向开裂风险显著小于纵向开裂风险.

为进一步验证裂纹贯穿顶板后对顶板刚度的削弱显著大于贯穿前，分别提取各裂纹长度工况下裂纹中心正上方顶板的最大横向变形，如图11所示.可以看出，在裂纹贯穿顶板前，横向变形较小，且随裂纹长度和深度增加并无明显变化规律，说明裂纹贯穿顶板前对顶板的刚度削弱较小，所以上方铺装层应力水平较低，应力变化较小，破坏风险并不会显著增加.而当裂纹贯穿顶板后，横向变形量约增大了23.3%，且随着裂纹长度进一步增加，变形量呈递增趋势，说明裂纹贯穿顶板后对顶板的刚度削弱显著增大，进而加剧了铺装层的破坏风险.

图11 不同裂纹长度横向变形最大值

综上所述，裂纹未贯穿顶板时长度增加对上方铺装层的影响较小，当裂纹贯穿后，铺装层拉应力显著增大，且随着裂纹长度增加逐渐增大，考虑到焊根裂纹为Ⅰ型裂纹[17]，裂纹横向张开变形将导致铺装层横向拉应力进一步增大，开裂风险增加，因此对于发现的贯穿顶板裂纹应及时维修.

4 裂纹对不同位置铺装层影响

从前面分析得知，贯穿顶板裂纹对上方铺装层影响显著，会增大其横向拉应力，为明确裂纹对上方铺装层的影响范围，判断裂纹存在是否会导致附近铺装层应力水平显著提升，以长度300 mm贯穿裂纹模型为例，分析焊根处裂纹贯穿顶板后对裂纹正上方、同一U肋无裂纹侧以及U肋开口中心处铺装层底部的受力性能影响.为保证U肋两侧受力相同，荷载横向中心位于4号U肋开口中心(T5荷载工况)，分别提取三处细节的横向和纵向正应力时程曲线，如图12所示.

图12 U肋不同位置铺装层正应力

由图12可知，贯穿裂纹上方铺装层横向正应力以拉应力为主，最大横向拉应力约为0.23 MPa，纵向正应力随荷载纵向移动呈拉压循环应力，但数值很小，最大拉应力仅为0.03 MPa.无裂纹侧与U肋开口中心上方铺装层正应力变化趋势与非贯穿裂纹模型相似，应力值相较于未贯穿裂纹有所增大，但仍以压应力为主.

为更直观地对比贯穿裂纹、无裂纹侧以及U肋开口中心正上方铺装层底部的应力大小，分别提取三处细节的横向与纵向最大拉应力值，如图13所示.可以看出，对于同一U肋，有裂纹侧裂纹上方铺装层拉应力显著大于其他部位，随着距离裂纹位置越远，拉应力先迅速减小，然后缓慢减小，说明焊根裂纹贯穿顶板后对正上方铺装层的影响远大于相近其它位置.

图13 U肋不同位置处应力对比

5 结 论

本文通过有限元分析研究了顶板-U肋焊缝焊根裂纹贯穿前后及长度、深度变化对铺装层的影响程度，分析了裂纹对同一U肋不同位置处铺装层的影响.主要结论如下:

1)裂纹贯穿顶板前，对裂纹上方铺装层受力影响较小，当裂纹贯穿后，铺装层横向拉应力显著增大，增加了铺装层的纵向开裂风险.

2)裂纹贯穿顶板后，随裂纹长度增加，裂纹正上方铺装层横向拉应力随之增大，铺装层纵向开裂风险进一步增加.

3)贯穿顶板裂纹对裂纹正上方铺装层影响较大，对同一U肋无裂纹侧和U肋开口中心正上方铺装层影响较小.