UHPC 加固在役大跨径悬索桥钢桥面：实桥试验与理论分析

曹君辉 ，杨碧川 ，邵旭东 ，王洋 ，李知强

［1.湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082；2.风工程与桥梁工程湖南省重点实验室（湖南大学），湖南 长沙 410082；3.宜昌长江大桥建设营运集团有限公司，湖北 宜昌 443004］

钢桥具有轻质高强、施工快捷、气动性好等优点［1］，是大跨径桥梁的理想桥型.钢桥桥面常采用正交异性钢桥面板（Orthotropic Steel Deck，OSD），其由钢面板、纵肋和横隔板组成［2-4］，由于各板件相互焊接，连接位置的应力集中情况复杂，因此钢桥面在重载车作用下存在较高的疲劳开裂风险［5-10］.虽然我国借鉴了国外类似问题的应对经验，但仍无法彻底解决大跨径钢桥桥面疲劳开裂问题：武汉军山大桥通车6 年开裂［11］、广东虎门大桥通车5 年开裂［12］、江阴长江大桥通车4 年开裂［13］等.以军山大桥为例［10］，2016年发现钢桥面疲劳裂缝数量达7 000余条，2017年又探测到隐形裂缝4 000余条，长度合计约600 m，最长裂缝达21 m.因此，针对重度疲劳开裂钢桥桥面研究切实有效的加固方法势在必行.

钢桥面疲劳开裂主要集中在板件焊接及过焊孔处［14］，且钢面板中的疲劳裂缝可能从U 肋内部萌生，常规方法难以探测，同时，桥面空间狭小，裂缝状态检测及加固施工均十分困难.钢桥面各类疲劳裂缝的主要处置方法大致相同，主要包括：裂缝焊合［15］，即对疲劳开裂部位重新施焊，如，当钢面板的疲劳裂缝深度达6 mm 以上时可进行焊合处理［16］，但该技术的修复效果与施焊方式密切相关；钻止裂孔［15］，在裂缝尖端部位钻孔以缓解应力集中，但在工程应用中，疲劳裂缝的尖端位置往往较为隐蔽，难以精准捕捉；裂缝表面冲击闭合［17］，对裂缝两侧母材进行塑性冲击以引入塑性压应变，进而延缓疲劳裂缝的扩展；栓接钢板或角钢［18-19］，以提高局部刚度，抑制疲劳裂缝扩展；粘贴碳纤维等复合材料［20］，对开裂部位施加一定的外部约束，以期延缓裂缝扩展.

上述加固措施的核心思路是：缓解裂缝尖端的应力集中或提高裂缝附近钢板的刚度，进而延长钢桥面的疲劳寿命.但无论采用何种维修方法，均需明确疲劳裂缝的位置，而实桥疲劳裂缝数量多、开裂位置隐蔽，增加了疲劳裂缝精准定位和维修的难度，导致一些大桥的钢桥面维修后仍反复开裂.近年来，学者们对于新建大跨径钢桥探索了大U 肋［21］、墩边U肋［22］、机器人双面焊［23］等改进技术，钢面板的厚度也由早期的12 mm 提高到目前常用的14 mm 甚至更厚，但这些措施对于在役钢桥疲劳开裂仍无能为力.

为破解钢桥面疲劳开裂且难以修复的困局，湖南大学邵旭东教授提出了钢面板疲劳裂缝可免修复的UHPC 加固新方法［24］：以带焊接短栓钉的钢板条强化UHPC底面，进而大幅提高UHPC底面的抗裂强度，经钢板条强化的UHPC 通过短栓钉与原正交异性钢桥面板形成轻型组合桥面，以显著提高桥面局部抗弯刚度，有效抑制钢桥面的疲劳裂缝扩展，进而大幅延长钢桥面疲劳寿命.为深入研究UHPC 加固新方法对于实桥钢桥面受力的改善效果，并掌握钢桥面各类典型疲劳细节的应力分布规律和状态，本文以一座采用UHPC 加固新技术的大跨径钢箱梁悬索桥为背景，通过开展实桥测试和理论计算研究，分析了正交异性钢桥面板各疲劳细节在车载作用下的应力响应特征，明确了UHPC 加固新方法对各类典型疲劳细节的应力降幅，以期为我国早期修建的大跨径钢桥桥面加固改造提供切实可行的解决方案.

1 工程背景简介

1.1 工程概况

本文的实桥试验和理论分析均以宜昌长江公路大桥为依托.该桥是沪渝高速公路（G50）在湖北省宜昌市跨越长江的一座特大型桥梁，于2001 年9 月建成通车.大桥为双塔单跨钢箱梁悬索桥（图1），双向四车道，大桥主跨为960 m，主缆垂跨比为1/10.

图1 宜昌长江公路大桥构造示意（单位：cm）Fig.1 Schematic drawings of the Yichang Yangtze River Expressway Bridge（unit：cm）

大桥加劲梁采用扁平流线型钢箱梁（图1），桥面全宽30.0 m，中心梁高3 m.桥面为正交异性钢桥面板，顶板厚12 mm；行车道区域桥面板采用U 形加劲肋，U 肋厚6 mm、中心间距590 mm；钢箱梁横隔板间距4.02 m，无吊索横隔板厚10 mm，有吊索横隔板厚12 mm，每两道横隔板间设一道横肋，横肋高450 mm，板厚16 mm.

1.2 钢桥面系病害

宜昌长江公路大桥钢桥面2001 年竣工通车时的原沥青铺装为7 cm 厚双层改性沥青SMA.由于重载交通量大，2009年起，大桥的钢桥面系陆续出现了病害问题.

一方面，钢桥面沥青铺装出现了坑槽、壅包、车辙、开裂等破损现象.2010 年，大桥管理单位对该桥钢桥面沥青铺装进行了翻修，翻修方案为ERS 树脂沥青组合体系（EBCL+RA05+SMA10），但经过多年运营，翻修后的钢桥面沥青铺装再次出现破损病害，严重影响到行车舒适性.

另一方面，大桥的正交异性钢桥面板于2014 年12 月经检测发现疲劳开裂病害（图2），裂缝总长达1 161 cm；随后又在2015 年10 月检查后统计到钢箱梁内部裂缝病害143 处共2 150 cm；2016 年6 月对已发现的裂缝进行维修，但在不久后的新一轮检测中（2017 年10 月），钢箱梁内又新发现裂缝453 条，共1 905 cm；在最近的2021 年8 月桥面维修加固过程中，据第三方检测，仅大桥上游幅钢面板内就探测到疲劳裂缝580条，累计裂缝长度约7 100 cm.因此，从历年检测数据可知，宜昌长江公路大桥疲劳裂缝数量呈逐年增长趋势，若不采取合理的应对措施，未来几年可能会成为大桥钢桥面疲劳开裂爆发期.

根据实桥疲劳裂缝检测结果，钢桥面主要存在的疲劳开裂情况如下：横隔板（横肋）顶部过焊孔周边开裂（约占49.9%），U 肋与钢面板纵向焊缝开裂（约占32.9%），U 肋与横隔板（横肋）竖向角焊缝开裂（约占12.2%），横隔板与钢面板横向焊缝开裂（约占1.0%），其余裂缝约占4.0%.

1.3 UHPC加固新结构

由于钢桥面疲劳开裂严重，钢面板将难以有效协助UHPC底面抵抗横桥向拉应力，导致UHPC底面的横向拉应力较高.前期计算结果表明［24］，当钢桥面重度疲劳开裂时，UHPC 底面的横桥向拉应力高达12.9 MPa，是钢面板完好状态下的2.4 倍，远超UHPC底面约7～9 MPa［25］的抗裂强度，不能满足受力要求.因此，考虑到宜昌长江公路大桥的钢桥面处于疲劳开裂状态，且顶部过焊孔周边位置的裂缝数量较多，给检测和修复均带来一定困难，作者所在团队提出了疲劳裂缝可免修复的UHPC 加固新方案，即在原钢面板上沿横桥向布设带短栓钉的钢板条，以提高UHPC底面沿横桥向的抗裂性.具体加固方案如下.

如图3 所示，加固方案包括55 mm 的UHPC 结构层和10 mm的TPO磨耗层，其中TPO为薄层聚合物罩面（Thin Polymer Overlay）.UHPC 层通过ϕ13×35 mm的短栓钉与原钢桥面板连接，并在UHPC底面沿横桥向设置80 mm×8 mm的钢板条（布置间距为200 mm），即通过钢板条协助UHPC 底面抗裂，提高其在正弯矩下的抗裂强度.同时，UHPC 顶面布设有纵、横向钢筋网，保障了UHPC 加固层在负弯矩下的抗裂性能.前期研究表明，经钢板条强化后，UHPC 底面的抗裂强度由8 MPa 提高到43.2 MPa［24］，完全满足钢桥面加固结构的抗裂要求.

图3 UHPC加固新结构（单位：mm）Fig.3 The UHPC strengthening new structure（unit：mm）

1.4 实桥应用

宜昌长江公路大桥维修加固工程于2021 年8月5 日开始，12 月4 日结束并全面恢复交通.维修加固过程中先施工上游幅桥面，再施工下游幅桥面.其中，每幅桥面施工时仅在浇筑UHPC 至蒸汽养护结束期间封闭全桥交通（约7 d），其他工序始终保持半幅桥面交通的正常通行.每幅桥面的工序如下所示（图4）：①铣刨钢桥面既有沥青铺装层→②钢桥面板喷砂除锈→③钢面板防腐涂装→④钢桥面板焊接栓钉→⑤粘贴钢板条→⑥防腐涂装补涂→⑦铺设钢筋网（含护栏处局部加强钢筋）→⑧浇筑UHPC 层→⑨UHPC 覆膜保湿养护→⑩UHPC 高温蒸汽养护→⑪UHPC 层表面抛丸→⑫洒布TPO 黏结料剂→⑬撒布碎石→⑭开放交通.

图4 宜昌长江公路大桥维修加固主要施工工序Fig.4 Primary procedures for the strengthening construction on the Yichang Yangtze River Expressway Bridge

其中，UHPC高温蒸汽养护时利用蒸汽养护设备及其自动控制系统，保证养护过程中温度在80℃以上并持续72 h，且养护棚内相对湿度不低于95%.另外，TPO 施工时黏结料和碎石先后分两次摊铺，即首先在UHPC 层上刷涂第一层树脂，撒布第一层碎石，然后重复这两道工序，进行第二层树脂和碎石的铺筑.

2 实桥试验

2.1 试验目的及概况

为测试UHPC 加固结构对实桥钢桥面各疲劳细节受力的改善效果，在实桥钢桥面铺装翻修和加固施工过程中，分别对大桥在原沥青铺装、无铺装（原沥青铺装铲除）、钢-UHPC 轻型组合桥面结构三种桥面状态下进行试验.结合现场情况，在上游侧大桥重载车道对应区域的钢桥面典型疲劳细节处布置应变片，以掌握钢桥面各疲劳细节在不同车辆荷载位置情况下的应力分布及变化规律，包括应力响应面的三维分布，以及沿纵、横桥向的响应线特征等；同时，对比原沥青铺装、无铺装、钢-UHPC 轻型组合桥面结构三种桥面状态的应力（应变）结果，进而明确UHPC 加固新结构对在役大跨径悬索桥钢桥面局部受力的改善效果.

2.2 试验区域

结合正交异性钢桥面板的受力特点和现场条件，试验区域的选择遵循以下原则：1）避开梁段受力相对复杂的区段；2）试验区域结构构造应具有代表性.综合上述原则，确定了本桥的试验区域：在纵桥向上，试验区域位于大桥跨中附近，包含2 道横隔板及4 道横肋；在横桥向上，试验区域位于上游侧重载车道区域，包含5道U肋（图1）.

2.3 加载车辆及工况

调研表明，影响钢桥面疲劳细节应力的主要外因是车辆的轴重［26］，因此，依据我国《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）［27］中疲劳荷载计算模型Ⅲ，并结合现场实际情况选用三轴卡车作为加载车辆，试验车的尺寸及荷载大小如图5 所示.实桥测试分3 次进行：第1 次试验在原沥青铺装层上开展；第2次在铺装层铲除（即裸钢桥面）后进行；第3次在铺筑UHPC 层之后进行.3 次荷载试验轴重如表1 所示，需要说明的是，由于第3 次加载车轴重与前两次略不同，为便于数据分析和对比，对第3 次荷载进行了换算：将第3 次试验中车辆总重换算成与第1 次、第2 次车辆总重一致，对应的应变或应力结果也按比例进行换算.

表1 加载车各轴轴重Tab.1 Axle load of testing vehicle

图5 加载车及载荷分布图示（单位：mm）Fig.5 Loading vehicle and diagram of load distribution（unit：mm）

对每种桥面状态，考虑了90 个荷载工况.具体如下：试验区域在横桥向分为10 排，记为H，其中H1、H2、H8、H9、H10 五个横排每排7 个工况，H3～H7横排每排11 个工况；试验区域在纵桥向分为11 列，记为Z，其中Z1、Z2、Z10、Z11 四个纵列每列5 个工况，Z3～Z9纵列每列10个工况.各工况中以最后一排车轴的右轮为控制位置，其在不同工况中的位置如图6所示.

图6 加载工况示意（单位：mm）Fig.6 Loading cases（unit：mm）

为确保实桥试验中车辆荷载的准确定位，每次加载之前在桥面标示出加载工况位置，为加载时定位提供参考.测试过程中，保证后轴右侧车轮中心位置压在图6 每个工况的标示位置.试验车在进入加载区域时，沿横向固定位置选择一条纵向加载线（Zi），将车辆行驶至指定车轮位于标示工况之上，车辆停稳后采集数据并记录车辆所处坐标，完成当前工况后沿纵向进行下一个工况的测试及数据采集，待结束一整条加载线上的测试后，将试验车驶入下一加载线并重复上述过程，直至当前桥面状态下全部工况都加载完成.

2.4 测点布置

一般而言，正交异性桥面板存在六大典型疲劳细节［28］.宜昌长江公路大桥为我国早期修建的钢桥，其顶部纵肋和面板在横隔板位置设置了过焊孔，以便于施焊，并减少移动荷载作用下纵肋挠曲引起的横隔板面外变形［29］.因此，切合宜昌长江公路大桥的构造特点，将各类疲劳细节归纳为八类，如图7 所示，具体包括：①U 肋-面板焊缝处的面板裂缝；②U肋-面板焊缝处的U 肋裂缝；③U 肋-横隔板下方交叉部位的U 肋腹板裂缝；④U 肋-横隔板下方交叉部位的横隔板裂缝；⑤横隔板弧形切口处裂缝；⑥U 肋下缘对接焊缝的裂缝；⑦顶板过焊孔处的U 肋裂缝；⑧面板-横隔板焊缝处的面板裂缝.限于篇幅，本文重点分析和讨论宜昌长江公路大桥钢桥面中主要存在的四类疲劳细节，即图7 中标示的细节①、细节③、细节⑦、细节⑧.

图7 典型疲劳细节Fig.7 Typical fatigue-prone details

正交异性钢桥面板具有突出的局部受力特点，不同U 肋处各疲劳细节受力具有相似性，因此，本文以图6 中2#和3#U 肋为主要对象介绍其测试结果.2#和3#U 肋附近各疲劳细节应变片测点的布置位置如图8 所示，图中在U 肋两侧标示出了南北方向，用以区分同一类细节测点在不同位置的编号，如X7-N、X7-S 分别示意北侧、南侧的细节7 测点.本文所分析的测点包括了前述4 类疲劳细节，涉及5 个测点，其中，疲劳细节①测点以X1 标示、细节③测点以X3 标示，其余疲劳细节依此类推.本文所有布置的疲劳细节测点均在图8 中示意，各应变片的布设方向以箭头示意.

图8 应变测点布置（单位：mm）Fig.8 Arrangement of strain gauges（unit：mm）

需要说明的是，本文中各关注细节测点布置位置的确定，均基于名义应力法［28］，即一般情况下选取板件表面上距焊趾0.5t（t为板件厚度）位置的测点进行应变片布设.但由于实桥箱梁中操作空间狭小，个别应变片位置根据实际情况略有调整，各类疲劳细节测点的具体布设位置如图8 所示.此外，实桥试验中所用应变片型号均为BE120-3AA，即应变片尺寸为3 mm×2 mm.试验前，对各疲劳细节测点和车轮工况进行布置；试验中，安排人员负责测试数据的实时采集.具体如图9所示.

图9 现场试验照片Fig.9 Photos of the in-site test

3 有限元计算分析

3.1 分析目的

本文所开展的实桥试验涉及正交异性钢桥面的多个疲劳细节，且加载工况数量较多.因此，为了与试验结果相互校核，对实桥建立了局部有限元模型，以反映实桥钢桥面在试验车辆作用下的受力状态，并将理论计算结果和试验实测结果进行对比.限于篇幅，本文有限元计算分析仅涉及纯钢梁（即铲除原钢桥面沥青铺装后）状态.

3.2 局部有限元模型

为了对各疲劳细节获得较完整的应变响应面，并尽可能减小边界条件对计算结果的影响，建立了局部有限元模型.根据大桥钢箱梁构造，模型在纵桥向包含两个吊杆的间距，长16.6 m，即包括4 道横隔板、6 道横肋，而横桥向考虑对称性仅取全桥半宽进行计算，即模型宽12.2 m，包含顶板、腹板、底板、横隔板（横肋）及相应的加劲肋.

采用通用有限元软件ANSYS 进行计算，钢箱梁各构件采用板壳单元SHELL63 模拟，钢材的弹性模量取为206 GPa，泊松比取为0.3.为了获得各关注细节的局部应变结果，模型网格在典型的构造细节和加载区域进行了加密处理，模型中关注的疲劳细节区域基本网格尺寸为5 mm，而根据相关研究［30］，网格尺寸为5 mm 时计算结果基本收敛，其余加载区域的网格尺寸则不大于25 mm.

局部有限元模型的边界条件如下：在横桥向中心线截面处施加横向对称约束；在吊杆位置约束对应节点的竖向自由度；而在钢箱梁两端位置，仅释放节点绕横向（X轴）的转动自由度，其余自由度则全约束.局部有限元模型如图10所示.

图10 局部有限元模型Fig.10 Local finite element model

3.3 有限元模型的加载方式

为了准确模拟实桥各关注细节的应力状态，在有限元模型中采用与实桥现场加载车一致的荷载进行加载（如图6所示），即每个工况均包含6个由车轮引起的面荷载，按实桥试验位置加载，且各车轴重量、着地面积等均与实桥加载车一一对应.通过在加载区域内移动车轮位置，依次模拟实桥试验过程中的90个加载工况.

4 计算结果与试验结果对比分析

4.1 分析目标

根据ANSYS 有限元模型中各工况下的计算结果，得到了典型疲劳细节的应变响应面.本节分析的重点是对比实桥试验和有限元模型中疲劳细节在不同轮载工况下的应变分布规律，并关注两种情形中各关注疲劳细节响应面中的应变峰值，以将理论分析结果和实桥试验结果相互校核.现以图8中3#U肋测点为例，对结果进行阐述.

4.2 应变响应面结果对比

图11 展示了纯钢梁（裸钢桥面）状态下，3#U 肋测点应变有限元计算结果和实桥试验结果的对比.图中横、纵坐标表示加载车关注车轮的中心位置，竖坐标表示当前关注疲劳细节的应变值.

根据图11：1）对比有限元理论计算值和实桥试验实测值可以看出，对于4 类疲劳细节，总体上试验所测得的应变响应面与计算响应面规律基本一致，因此，有限元模型计算和实桥试验都能充分反映各疲劳细节在不同车载工况下的应变响应规律；2）对于各疲劳细节，两种情形下的应变峰值（即拉应变或压应变峰值）误差约为10%，进一步表明两种方法得到的疲劳细节应变峰值结果吻合良好.

5 实桥试验结果与分析

前文将有限元计算与试验结果进行对比，两者相互吻合，结果可靠.因此，本节重点对试验结果进行深入分析，一方面探明各疲劳细节在实桥不同工况下沿纵、横桥向的响应规律，另一方面计算各疲劳细节在薄层UHPC 加固前后的应力幅变化情况，进而分析UHPC 加固新结构对大桥各类疲劳细节的应力改善效果.

将应变结果乘钢材的弹性模量，得到各关注细节在三种桥面状态下的应力响应面.同时，在最大应力幅工况对应的位置，将应力响面分别沿纵、横方向剖视，得到各疲劳细节在两个方向上的应变响应线，并分析其在车载作用下的响应范围.

5.1 顶部过焊孔处疲劳细节(细节7)

图12（a）分别展示了原沥青铺装以及铺设UHPC 前、后三种桥面状态下，疲劳细节7（X7-S）测点的应力响应面.从图12（a）可以发现：1）当荷载作用于关注点处正上方附近区域时，X7-S测点压应力达到峰值，而当荷载作用位置逐渐远离关注点区域时，应力水平明显下降；2）三种桥面状态下应力响应面形状未发生太大改变，说明X7-S 测点处应力分布规律大体相同.但从应力峰值变化来看，原沥青铺装几乎未引起X7-S 测点应力变化；而铺设UHPC 前、后，该测点应力峰值显著降低.

图12 疲劳细节7（X7-S）应力响应Fig.12 Stress response of fatigue-prone detail 7（X7-S）

图12（b）分别给出了铺设UHPC 前、后疲劳细节7最大应力幅工况对应的横向、纵向响应线，其中，横向响应线中给出了关注点的位置并在其下方示意了荷载的纵向位置，且纵向响应线中绘出了横隔板或横肋位置（1#～6#，具体见图6），并在其下方示意了控制车轮的横向位置及关注点所处位置.后文中其余疲劳细节横向、纵向响应线的表现方式类似，不赘述.

从图12（b）横向应力响应曲线可以看出：1）测点X7-S 的压应力影响区域较短，当车轮荷载远离关注细节所在的U 肋时，其峰值压应力迅速衰减；而测点X7-S 的拉应力影响区域较长，当车轮荷载距关注细节一侧数个U 肋位置时，仍然存在一定的拉应力；2）铺设UHPC 前、后，测点X7-S 的横向应力响应线变化趋势大体相同，但应力峰值在铺设UHPC 后显著下降.

从图12（b）纵向应力响应曲线可以得出：1）测点X7-S 的压应力较为显著，且纵向影响区域较长，当车轮荷载距测点纵向前后3 道横隔板或横肋（4 m）范围时，其应力水平才趋近于0；2）铺设UHPC 前、后，测点X7-S 的横向应力响应线变化趋势基本一致，但应力峰值显著降低.

5.2 U肋与钢面板连接部位疲劳细节(细节1)

图13（a）中细节1 响应面规律同前文细节7，不赘述.从图13（b）横向应力响应线可以看出：对于钢桥面无铺装状态，当车轮荷载距测点位置2个U肋范围以外时，测点处应力迅速衰减；而对于钢-UHPC轻型组合桥面状态，当车轮荷载距测点位置约3个U肋范围时，测点应力才明显衰减.分析其原因为，得益于UHPC 与钢桥面板的组合受力，桥面横向刚度显著提升，进而使得更多U 肋参与横向车轮荷载的受力.同时，从图13（b）纵向应力响应线可以看出：细节1 的纵向影响区域同样较短，当荷载位于该细节两道横隔板（或横肋）处时，该细节的应力几乎不受影响.

图13 疲劳细节1（X1）应力响应Fig.13 Stress response of fatigue-prone detail 1（X1）

5.3 U肋与横隔板竖向焊缝疲劳细节(细节3)

从图14（a）可以发现：1）当荷载在整个响应面区域移动时，该测点出现了拉压应力的交替变化；2）三种桥面状态下细节3 处应力响应规律大体相同，且从应力峰值变化来看，铺设UHPC 层有效降低了细节3测点的应力.

图14 疲劳细节3（X3）应力响应Fig.14 Stress response of fatigue-prone detail 3（X3）

从图14（b）横向应力响应曲线可以看出：1）细节3 的横向响应影响范围较广，当荷载横向距测点2 个U 肋以外时，其应力仍未完全衰减；2）当车轮荷载沿横向在测点两侧移动时，该测点出现了明显的拉压应力变化，表明受局部轮载的偏载作用，U 肋会产生扭转效应［31］.从图14（b）纵向应力响应曲线可以看出：细节3 应力的纵向影响范围较长，当车轮荷载沿纵桥向位于测点前后4 m（3 道横隔板或横肋长度）位置时，该测点仍有较高的应力.

5.4 横隔板与钢面板焊接部位疲劳细节(细节8)

图15（a）中细节8 响应面规律同细节7，不赘述.从图15（b）横向应力响应曲线可以看出：测点X8 主要处于压应力状态，且影响区域较长；此外，当车轮荷载远离测点所在U 肋一侧时，其压应力有突增，分析其原因为此时同轴的另一个车轮逐渐靠近测点，导致该测点应力显著增加.从图15（b）纵向应力响应曲线可以看出：该测点应力的纵向影响区域同样较长，当车轮荷载沿纵桥向距该测点前后4 m（3 道横隔板或横肋距离）时，其应力才基本不受影响.

图15 疲劳细节8（X8）应力响应Fig.15 Stress response of fatigue-prone detail 8（X8）

5.5 各类疲劳细节的应力降幅

考虑到实桥试验工况多、数据量庞大，本节偏保守地认为σmax、σmin分别为全部90 个工况中该疲劳细节的应力最大值和最小值，并按Δσ=σmax-σmin计算各疲劳细节的应力幅.具体地，先将铺设UHPC前、后所有疲劳细节测点响应面中的最大拉应力σmax与压应力σmin分别提取出来，然后按公式Δσ=σmax-σmin将两者的应力差作为各细节测点的应力幅，进而得到各测点的应力幅及其降幅计算结果，如表2所示.

表2 铺设UHPC层后各疲劳细节应力幅对比Tab.2 Comparison of stress ranges in fatigue-prone details prior and after using the UHPC layer

根据钢桥面系各类疲劳细节测试结果，铺设UHPC 层后，UHPC 层与钢面板协同受力，显著提高了桥面板的局部抗弯刚度.因此，所有细节测点在铺设UHPC 层后应力幅均有不同程度的降低.其中，面板-U 肋焊接处疲劳细节应力降幅最为明显，高达84.9%；其次为横隔板-面板相交处，其应力降幅达63.1%；另外，顶部过焊孔处疲劳细节应力降幅约44.2%，U 肋与横隔板交叉部位疲劳细节应力降幅约41.0%.

6 结论

本文以一座大跨径钢箱梁悬索桥为例，介绍了钢桥面疲劳裂缝可免修复的UHPC 加固新结构，并结合实桥应用情况，分别对正交异性钢桥面板结构在原沥青铺装以及铺设UHPC 层前、后三种桥面状态进行了荷载试验，系统分析了各类疲劳细节应力响应特征，明确了铺设UHPC 层对钢桥面疲劳应力的改善效果，主要结论如下：

1）原沥青铺装层对钢桥面各类疲劳细节基本无应力改善效果，而铺设UHPC层后，面板-U肋及面板-横隔板相交处疲劳细节应力降幅高达63%～85%，顶部过焊孔处疲劳细节应力降幅约44%，横隔板-U 肋交叉部位疲劳细节应力降幅约41%.试验结果表明，铺设UHPC 层对正交异性钢桥面板各疲劳细节的应力改善效果显著.

2）在最不利荷载工况下，面板上测点细节1、细节8 横桥向基本以压应力为主.其中，对于疲劳细节1 测点，当荷载在横桥向距测点约2 个U 肋时，该测点应力骤降；而对于细节8 测点，当荷载在横桥向距测点约3 个U 肋时，该测点应力仍未见显著下降；当车轮荷载沿横桥向移动时，U 肋上疲劳细节3会出现应力反号变化现象；顶部过焊孔处疲劳细节7 出现压应力的响应范围较小，而拉应力的响应范围较大现象.

3）当车轮荷载横向位置固定而沿纵向位置移动时，各疲劳细节的响应规律不同.对于疲劳细节1，其应力当车轮荷载距测点两个横隔板（横肋）之外时大幅衰减；对于疲劳细节3，其应力响应范围较大，当车轮荷载距测点3 个横隔板（横肋）之内时应力水平较高；而对于疲劳细节7和8，当车轮荷载距测点 4 m以外时，其应力基本不受影响.