随机车辆荷载流下UHPC 加固正交异性钢桥面板疲劳性能评估

2022-05-08尤永学

城市道桥与防洪 2022年3期

尤永学

（洛阳腾飞市政工程有限公司，河南洛阳471000）

0 引言

正交异性钢桥面板作为现代桥梁工程重要的标志性成就，具有自重轻、承载力高、适用范围广等突出优点，已经成为大跨度桥梁的首选桥面板结构，其推广应用大大推动了桥梁工程向大跨、重载荷结构造型多样化等方向的发展[1]。然而，疲劳开裂和桥面铺装损坏是正交异性桥面板应用中面临的两大控制性难题，自1971 年英国报道了Severn 桥疲劳开裂以来，采用该类桥型的病害在欧洲各国、美国、日本及中国等世界范围内相继出现。正交异性钢桥面板的疲劳问题一直是各国学者高度重视的热点问题，据不完全统计，我国正在运营和规划中的该类型桥梁数量有200 余座，在当前的荷载条件下该类桥面板发生疲劳开裂是大概率事件。为此，疲劳裂纹修复和结构加固是提升正交异性钢桥面板耐久性的研究热点。

研究表明疲劳开裂主要出现在板件焊接及过焊孔处，其产生的主要原因是相应位置处疲劳应力幅较大，由于截面变化引起的应力集中现象明显[2-3]。针对钢桥面板各类疲劳裂纹，一般采用裂纹焊合、钻止裂孔、栓接钢板或角钢、黏贴钢板等，其基本原理是缓解裂纹尖端的应力集中，或提高裂纹附近钢板的强度和刚度[4]。然而，上述修复措施往往只是临时缓解疲劳开裂，尤其是对于应力复杂的桥面板与U 肋连接处的焊缝，而提升钢桥面板刚度以减小疲劳应力幅是解决该问题的关键[5]。工程实践已将正交异性钢桥面板板厚由早期常用的12 mm 提高到16 mm 甚至更厚，但对于在役桥梁，改变钢板厚度成本极高，通过桥面铺装提高桥面刚度是减小钢桥面板和U 肋在轮载下的应力的有效措施，尤其是随着超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete， UHPC）的推广应用，其已逐渐在正交异性钢桥面板的加固改造中发挥作用，例如，UHPC 加固钢桥面板先后被应用于武汉沿洛河军山大桥、天津海河大桥、广东佛山市佛陈扩建西幅桥等工程中[6-8]。学者们也先后开展了UHPC-钢桥面板力学性能的理论和实验研究，结果表明采用UHPC-钢正交异性钢桥面板能有效地降低关键细节疲劳应力幅[9-10]。

综上，当前国内外学者就超高性能混凝土用于桥面铺装改善正交异性钢桥面的疲劳性能进行了大量研究，但是现有研究多以规范疲劳车作为疲劳性能评估的荷载作用，事实上基于实际交通的现场实验是最能反映正交异性钢桥面板疲劳性能的加载方式[11]。本文将探索基于实际车流的UHPC 加固钢桥面板方案的评估，以更加真实地反应UHPC- 钢桥面板的疲劳性能。

1 工程概况及有限元模型

1.1 工程概况

该研究以跨沿洛河某公路斜拉桥为工程背景，其桥面结构采用Q345C 钢，桥面板钢板厚度为12～20 mm，铺装层总厚度为75 mm。桥面板结构模型的尺寸如图1 所示。日常检查记录和文献研究表明，钢箱梁桥面板主要病害为钢结构的裂缝病害，先后进行过多次维修，但是裂缝病害仍然继续发展且产生旧缝重新开裂的现象。根据裂缝检测记录，U 肋与面板的接缝裂缝是主要裂缝形式，因此首先采用有限元方法对该关键焊接细节处进行应力状态分析。

图1 钢箱梁结构（单位：mm）

为研究U 肋与面板接缝，取如图2 所示的局部进行分析。在车辆荷载的局部作用下，主梁第一体系对桥面板各构造细节影响不大，主要是以桥面板与横纵肋组成的桥面第二体系发挥作用，同时由于正交异性钢桥面板应力影响线较短，车辆荷载作用下钢桥面板局部节段模型与钢箱梁整体模型计算得到的应力状态相差较小。

图2 局部构造细节（单位：mm）

1.2 有限元模型

考虑到建模计算效率，计算模型顺桥向长度取1 m，横桥向宽度取一个U 肋的间距0.8 m，分析可知该尺寸大小的节段模型可以基本覆盖车轮经过时的应力影响区域。对选取的桥面板节段采用有限元分析软件ANSYS 进行建模，模型采用20 节点的实体单元SOLID185，单元数量为266 314，U 肋两端固接约束。因沥青在夏季高温等极端温度条件下不能保持原有刚度，故计算时忽略沥青铺装的影响。由于模型尺寸较大，为了后续能精细化分析，采用子模型技术，通过位移插值法将U 肋焊缝处进行更精确的网格划分，有限元模型如图3 所示。

图3 桥面U 肋模型

选取钢桥面板U 肋焊缝处的三个关注点对焊缝结构在车辆荷载作用下的疲劳性能展开分析，关注点位置如图4 所示，1 号关注点位于顶板焊趾处，2号关注点位于顶板焊根处，3 号关注点位于U 肋焊趾处。研究中关注局部模型纵向跨中截面三个关注点的性能。

图4 关注点几何位置

2 U 肋焊缝处影响面计算

对桥面板结构进行疲劳计算时采用标准疲劳荷载模型，我国《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）提出了三种疲劳荷载模型，并规定桥面系构件应当采用如图5 所示模型III 进行验算。

图5 钢规疲劳车辆荷载模型Ⅲ（单位：m）

结合我国疲劳设计标准与规范，疲劳计算所用轮载大小与面积采用《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）推荐的疲劳车辆荷载模型III（120 kN，0.6 m×0.2 m），考虑铺装层对轮载的分布作用，假设考虑铺装层对轮载的分布作用，轮载按45°夹角向下传递，铺装层厚度为75 mm，则实际作用于顶板的荷载面积为0.75 m×0.35 m。此外由于正交异性钢桥面板应力影响面较小，疲劳荷载模型纵向轴距及横轮较大，因此相邻的轮载对于局部应力影响可以忽略不计，在分析计算时仅采用单个车轮面积大小进行加载。

按照上述疲劳车辆荷载模型进行加载，考虑到后续按照实测荷载应力谱的等效应力设计疲劳荷载时，需参考目标细节的影响面。故这里采用1 t 的单位荷载对模型进行加载，横向加载位置之间间隔0.1 m，以及两处U 肋与顶板焊缝位置，共计11 个位置，编号为A1～A11；纵向加载位置之间间隔0.1 m，包括11 个位置，编号为B1～B11，具体的荷载轮位情况如图6 和图7 所示。考虑到全部纵、横向位置组合，共计121 个加载轮位。

图6 横桥向加载位置

图7 纵桥向加载位置

选取有限元模型纵向跨中截面1～3 关注点进行分析。提取有限元模型纵向跨中截面1～3 关注点的x向（横桥向）正应力进行影响面分析。

图8 所示为原结构纵向跨中断面关注点1 影响面。从图中可以看出关注点1 处焊缝影响面最大应力加载工况A4_B6，最小应力加载工况A5_B6。在单位荷载（1 t）加载下，1 号关注点最大横向正应力幅值为48.91 MPa。

图8 影响面-1 号关注点

图9 所示为原结构纵向跨中断面关注点2 影响面。从图中可以看出关注点2 处焊缝影响面最大应力加载工况A6_B6，最小应力加载工况A3_B6。在单位荷载（1 t）加载下，2 号关注点最大横向正应力幅值为12.74 MPa。

图9 影响面-2 号关注点

图10 所示为原结构纵向跨中断面关注点3 影响面。从图中可以看出关注点3 处焊缝影响面最大应力加载工况A4_B1（影响面同号），最小应力加载工况A5_B6。在单位荷载（1 t）加载下，3 号关注点最大横向正应力幅值为47.52 MPa。

图10 影响面-3 号关注点

3 车辆荷载记录及分析

背景工程利用车辆荷载监测设备长期记录了交通流信息，该桥日均交通量约达5 万辆/d，其中10 t和20 t 以上车辆占比分别为32.3%和23.7%。图11所示为车型组成饼状图。可见，车流中大部分为两轴小客车，占比67%，其次为6 轴大货车，占比11%。

图11 车型占比

4 桥面加固方案比较

对钢箱梁原有设计桥面结构进行UHPC 加固，选取45 mm、55 mm、65 mm 的UHPC 混凝土层厚度进行加固后性能计算，分别计算45 mm、55 mm、65 mm 的UHPC 加固结构影响面，三者的三个关注点横向应力最大值工况均为轮载A4_B6 工况。对无损状态下模型进行最大值轮载状态加载（轮载工况A4_B6），得到U 肋纵向跨中截面关注点1～3 的横向正应力状态。可见，采用STC 桥面加固方法后，各关注点疲劳应力最大值有较大幅度降低，其中，45 mm、55 mm、65 mmUHPC 加固后疲劳应力最大值差距不大，45 mm 厚加固层加固效果好。

图12 加固后结构疲劳荷载横向正应力影响面

表1 S TC 加固后关注点应力状态单位：MP a

结合桥梁WIM 系统实测车流数据，考虑实际作用的车流荷载，从而计算在实际状态下桥面板U 肋焊缝关注点处的疲劳性能。采用2016 年10 月1 日至15 日期间6 车道实测车流荷载对关注点进行加载，得到实际作用下的应力随时间变化的应力历程，并通过雨流法得到实际关注点处的应力谱，通过Miner 准则对变幅应力等效为对应的常幅应力，得到该时段实际车流荷载作用下各个关注点处的等效应力幅以及在实际车流下各关注点的疲劳寿命见表2。通过对比发现，实际车流作用下，原结构关注点2 处的疲劳寿命为2 000 万次，经过45 mm 的UHPC 加固方案改造后，关注点2 处的疲劳寿命为16 000 万次。可见，加固效果明显。

表2 实际车流荷载下45 mmUHP C 加固结构各关注点处疲劳寿命

为进一步分析加固效果，对45 mmUHPC 加固方案的各个关注点处的疲劳寿命进行估计。以汽车-超20 级、挂车-120 级，设计车流量15 000～20 000次/d；设计运营年限按100 a 进行加载分析。考虑各个车道交通总量相同，取重车比例30%，平均重轴数为2 轴，则单车道1 a 疲劳加载轴次为N=（5～7）×105次。结合上述计算结果，各关注点处疲劳寿命见表3。