公路钢桥面抗疲劳性能的模型试验方法研究

邹春蓉, 曹 文

(中铁西南科学研究院有限公司, 四川成都 610031)

正交异性钢桥面板是通过焊接将钢桥的纵肋、横肋和盖板联合到一起承受外载的桥面结构形式。20世纪50年代开始广泛应用，至今已成为现代钢桥的重要标志[1-2]。正交异性钢桥面板结构用钢量相对较低，整体、局部强度和刚度增加，与传统钢桥面板相比，自重降低了20%～40%。因此，正交异性钢桥面板普遍应用于各类桥梁，包括许多悬索桥及斜拉桥的主梁钢桥面。然而，历史上正交异性钢桥面的发展并非一帆风顺[1]，与其优异性能相对应的是反复荷载作用下的疲劳问题。存在问题：①构造较复杂，应力集中明显；②大量采用焊接工艺，热残余应力大，潜在焊接缺陷显著；③易疲劳细节数量多；④直接承受车轮荷载的反复作用；⑤早期正交异性钢桥面焊接施工质量难以保证。在这些因素作用下，正交异性钢桥面极易出现疲劳裂纹[1,6,7,9]。

自20世纪90年代以来我国采用正交异性钢桥面比较成功地解决了相对复杂、大跨度桥梁的主梁结构轻型化问题，同时也存在部分桥梁建设速度较快、设计偏于节约、对后期重载和超载估计不足、工厂制造和工地连接质量尚待提高等问题。尽管我国在正交异性钢桥面桥梁的设计时很大程度上借鉴国外设计思想，但限于当时对于正交异性钢桥面的认识水平，相当一部分桥梁结构在服役不久后即呈现出不同程度的钢桥面疲劳开裂问题，有的桥梁甚至在投入使用不久后就出现了大量疲劳开裂，直接影响到结构安全和行车安全[10]。从总体上看，正交异性钢桥面的疲劳问题出现早开裂、多裂缝、裂缝再现的状态[11]。

随着正交异性钢桥面日益突出的疲劳问题，越来越多研究员认识到，疲劳控制着大多数构造细节的设计[12]。大量的科研机构对正交异性钢桥面易疲劳构造细节进行较为全面的实验研究，本文将针对各种实验研究方法进行回顾和总结。

1 正交异性钢桥面模型试验研究方法

构造细节复杂、大量使用焊接工艺以及承受直接的动力载荷是正交异性钢桥面的特点。因此，单纯数值模拟的方法很难准确地对其进行疲劳评价。就目前来看，模型试验研究仍然是疲劳研究中最合理、最有效的手段[13]。同时，疲劳试验又是一项极其耗费时间和研究经费的工作。

迄今为止，国内外钢桥面板各种构造细节抗疲劳性能的改善均是根据大量疲劳试验的研究结果给出，然而由于钢桥面板的受力状态非常复杂，疲劳试验的设计也在不断的进行变迁。根据试验规模的不同，疲劳试验可分为基于等效应力幅值的构造细部试验和基于载荷等效的足尺节段模型试验。 构造细部疲劳试验的研究对象是具体的构造细节，其主要目的包括：建立构造细节的疲劳抗力模型；研究新工艺、新结构造的疲劳性能，分析比较它们是否能有效提高疲劳性能。构造细部的疲劳试验特别关注钢桥纵肋和钢桥顶板连接焊缝、钢桥纵肋和钢桥横肋相交位置处的疲劳。由于正交异性钢桥面板结构受力复杂，基于应力幅等效的构造细节疲劳试验难以反应实际桥梁中构造细节的真实受力状态，需要采用荷载相似的足尺节段模型试验。

1.1 顶板-纵肋焊缝疲劳试验

目前对于钢桥顶板与钢桥纵肋焊缝疲劳开裂的形成原因已经达成共识：在焊接连接处，由于受到汽车轮载的作用，钢桥纵肋与钢桥顶板会产生面外的变形，导致桥面横向的次应力，在焊缝的焊趾或焊根位置导致疲劳开裂。该构造细节在设计和结果分析上较为清晰，但是由于受到焊接导致的残余应力和试验加载频率等因素，试件、边界条件和应力比等和实际仍有区别，对该构造细节的疲劳试验主要有小试件弯曲加载疲劳试验和足尺局部模型疲劳试验2种形式，如图1(a)、图1(b)所示。

图1 顶板-纵肋焊缝疲劳试验

1.2 纵肋与横肋交叉部位疲劳试验

纵肋与横肋相交位置是迄今为止由疲劳开裂导致裂纹最多的部位[10-11]。除了在一些特别的情况下(例如和钢桥端部横隔板相交或横肋的肋高较小，且钢桥横肋的腹板是Z向钢时)采取纵肋不贯通横肋的构造，其余绝大多数情况均采取纵肋连续贯通横肋构造[3]。由于该部位不同截面型式纵、横向构件交叉，焊缝密集，且由于轮载的纵桥向移动及横桥向轮迹线的不同导致该处各板件为面内及面外复合受力。各国早期进行的有关纵肋与横肋交叉部位的疲劳试验设计时往往将该部位各构件的复合受力解耦，将横肋面内、纵肋面内受力分别考虑，以获得其各自构造细节的的S-N曲线。相关的疲劳试验主要包含2种方式：①钢桥单U肋足尺局部模型疲劳试验；②足尺局部模型钢桥横肋及纵肋面内弯曲组合疲劳试验，见图2。

图2 钢桥纵肋和横肋相交位置疲劳试验

1.3 足尺节段模型疲劳试验

钢桥面板的受力状态十分复杂，钢桥纵肋和横肋相交部位等构造采取小试件或足尺局部模型试验难以准确分析出真实的受力状态。国外近期已有的钢桥面板相关的结构疲劳试验的研究，发展方向是采用足尺节段模型，见图 3。但与此同时，采用足尺节段模型会显著增加实验成本。因此，国外主要是先通过足尺局部模型静载及疲劳试验选定构造细节的设计参数，从而确定最终设计方案后，最后经过足尺节段模型的试验进行验证其抗疲劳性能[10,13]。

图3 钢桥面典型足尺节段模型疲劳试验研究

2 典型正交异性钢桥面足尺疲劳试验

在20世纪80年代，部分科研机构对正交异性钢桥面的单一焊缝、单一顶板纵肋单元进行了细致的试验研究工作，对单一焊缝、单一顶板纵肋单元相关疲劳性能有了深入认识。为了更加全面了解正交异性钢桥面的疲劳性能，从20世纪90年代以后，部分科研机构开展足尺疲劳模型试验研究工作。本节将选取其中较为典型的案例，对其试验工作和结果进行回顾和总结。

2.1 构造细节试验

Samol等[14]在正交异性钢桥面钢桥顶板和纵肋相交位置焊接疲劳评估中，从全尺寸正交异性刚桥面板上切割下距荷载作用位置较远的部分作为试验试件，采用自由肋板，用以进行足尺循环弯曲应力疲劳试验，试件焊缝使用3种焊接形式：①80%熔透焊缝；②全熔透焊缝；③80%熔透与全熔透焊缝结合。

试件被分为2组对象，分别是焊缝处焊趾、焊根的试验。采取转动式的疲劳试验机，应力比设置为0.2，频率设置为20 Hz。在试验过程中采用颜色渗透法(Dye mark)和贝纹标记法(Beach mark)用于观察裂缝的形成和发展，焊趾、焊根5 mm位置处布置应变测点。试验结果表明，疲劳裂缝主要来源于焊根而不是焊趾，焊根位置处的焊接质量控制较为困难。但作者提到，在全尺寸模型试验中疲劳裂缝是由焊趾主导。

叶华文等[15]在研究不同开孔形式的开口肋正交异性钢桥面板交叉细节疲劳行为过程中，基于应力幅等效原则采用了1∶1比例进行模型试验。为模拟斜拉索及车辆荷载的共同作用，试验中采用了3个作动器同相加载，其中2个竖向作动器布置于桥面板模拟车辆荷载，1个横向作动器布置于锚箱用以模拟斜拉桥中拉索的水平分力。应变片布置在研究位置的钢梁腹板两边关注点位置和钢梁翼缘板的下底面。在钢桥横隔板、加劲肋以及桥面板交接焊缝位置，与焊缝相距一定的地方都设置的有应变片，循环加载每50万次就作一次静力试验用来探测试件的受力状态。在试验梁跨中部位安装百分表用于测量挠度。试验结果表明：横向荷载主要作用于横隔板，对于不同方式的横隔板受力影响基本一致；苹果形开孔处桥面板、横隔板和加劲肋的主拉应力均小于相同情况下的钥匙型和圆型开孔；保证焊接工艺情况下，苹果形开孔处关键细节焊缝疲劳强度高于钥匙型相应处。

田洋等[16]在闭口顶板-U肋位置的焊缝疲劳性能的研究中，对比了熔透与贴边角焊缝的疲劳性能。试验采用单U肋试件，加载方式有2种，分别是轴心和偏心加载。加载长度和试件等宽，加载宽度为100 mm。U肋两侧采用铰支约束，加载频率为8 Hz，循环间隔10万次作静载测试，直到构件破坏。试验结果表明：由于疲劳导致的贴边角焊缝的裂缝多开始于U肋腹板的焊趾位置，大多数是沿着焊缝和母材交界面或者U的肋腹板延展直至破坏；熔透焊缝开裂的起始基本上开始发展于钢桥面板的焊趾位置，过后裂纹垂直发展，微裂纹萌生后发展的速度非常快。循环次数的加大，裂纹扩展的速度也会变快，直到完全开裂。

Cao Vu Dung等[17]在对钢桥面板中熔透率对顶板-U肋焊缝疲劳强度的影响中，采用了由工厂生产的2个全熔透试件和2个75%熔透试件。边界条件为简支，单作动头。作动器布置于试件跨中，用以模拟50 kN的单个车轮荷载(20 cm×20 cm)。初始荷载幅为-5～55 kN，当实测应力幅降低50%后荷载幅变为5～-45 kN。在顶板-U肋焊缝内侧沿焊缝纵向在布置有9个横向应变计，测点距离内侧焊趾或焊根5 mm，纵向均匀布置于离试件中面40 mm范围内。试验中，根据应变片应力幅变化对疲劳裂纹进行了动态监测。试验结果表明：增加熔深有利于增加肋-板焊缝抗疲劳能力；全熔透试件的裂缝从钢桥肋板内侧焊趾位置产生，75%熔透试件的裂缝从焊根部位产生。

2.2 足尺节段段试验

美国里海大学在1995年和1998年进行纽约威廉斯堡桥的桥面改造节段足尺模型疲劳试验研究工作[18]，如图4所示。在2001年，进行纽约布朗士白石桥的桥面改造节段足尺模型疲劳试验研究工作[19]，如图5所示。在2011年，纽约维拉扎诺海峡桥(Verrazano Narrows Bridge进行了足尺模型疲劳试验。该桥为主跨1 298 m悬索桥，1964年建成)的桥面改造节段足尺模型疲劳试验研究工作[20]；美国加州大学圣迭戈分校在2007年进行针对制造工艺和完全熔透的足尺模型疲劳试验研究工作，如图6所示。在威廉斯堡桥桥面改造节段足尺模型疲劳试验研究工作中对纵肋在通过横隔板处加内隔板的构造细节进行了研究。上述试验结果表明，适当增加横隔板在纵肋位置的连续性，有助于减小横隔板和纵肋位置处焊缝下端面内外面的应力幅。同时，通过试验比选出了较为合理的方案：横隔板和纵肋位置的上段采取双面角焊缝，下段采取双面坡口全熔透焊缝的方式，焊完后去除上述板条及其焊缝，使该焊缝下端打磨光滑成圆弧倒角。

图4 威廉斯堡桥节段足尺模型

图5 布朗士白石桥节段足尺模型

图6 美国加州大学圣迭戈分校桥面足尺模型

巴西里约热内卢联邦大学[20]在2008年针对里约尼特罗伊桥主桥的正交异性钢桥面加固进行足尺模型试验。该试验采取2种增强正交异性钢桥面性能的方法：一种是“三明治”结构方案：在钢顶板和100 mm钢筋混凝土层之间加强附着力的粘弹性层；另一种是采用组合结构方案：在钢顶板上焊接栓钉，铺设120 mm钢筋混凝土层。试验结果表明，“三明治”结构方案在提高正交异性钢桥面疲劳性能方面更优，但是其二次修复仍然有较大困难。

3 结论

正交异性钢桥面具有构造细节复杂、大量使用焊接工艺以及直接承受动力荷载的特点，存在问题：

(1)构造较复杂，应力集中明显。

(2)大量采用焊接工艺，热残余应力大，潜在焊接缺陷多。

(3)易疲劳细节数量大。

(4)直接承受车轮荷载的反复作用。

(5)早期钢桥面焊接质量难保证。这些因素共同作用下，正交异性钢桥面极易出现疲劳裂纹，需要准确评价其疲劳性能，而模型疲劳试验方法是最合理有效手段。

本文对正交异性钢桥面模型疲劳试验方法和典型的疲劳试验开展了较系统的回顾与总结。根据试验规模不同，疲劳试验可分为基于应力幅等效的构造细节试验、基于荷载等效的足尺节段模型试验。前者研究对象是局部构造细节，目的是建立构造细节的抗力模型；对新工艺、新构造的疲劳性能进行研究，分析对比其是否能够有效地提高疲劳性能。后者为研究实桥整体复杂受力状态，主要目的是验证设计方案的疲劳性能。此外，本文还列举相关典型正交异性钢桥面足尺疲劳试验案例，以供相关研究、设计和建设参考。