摘要：为研究车辆冲击效应对钢桥面板疲劳评估的影响，建立连续钢箱梁桥节段有限元模型，采用连霍（连云港至霍尔果斯）高速公路7 d的动态称重（Weigh-in-Motion，WIM）数据开展典型细节疲劳评估，分析冲击系数对疲劳损伤评估结果的影响规律，并对现行规范的冲击系数适用性进行研究。结果表明，车辆冲击效应对钢桥面板疲劳评估结果影响显著，不同细节的冲击效应存在明显差异，其中纵肋-面板连接细节冲击效应影响最大、纵肋拼接细节最小；桥面铺装状况对钢桥面板冲击效应影响较大，铺装状况“次”时钢桥面板疲劳评估结果为铺装状况“优”的3.30～3.91倍。钢桥面板评估时应充分考虑车辆冲击效应的影响，根据铺装状况、细节类型选取合理的钢桥面板冲击系数。

关键词：钢桥面板；冲击效应；冲击系数；疲劳评估；动态称重（WIM）

中图分类号：U443.31文献标识码：A文章编号：1006-8023（2023）02-0184-08

Influence Study of Vehicle Impact Effect on the Fatigue

Assessment for Steel Bridge Decks

LIU Dalu

（Henan Yujin Expressway Construction Co. Ltd.， Sanmenxia 472200， China）

Abstract：In order to study the vehicle impact effect on the fatigue assessment for steel bridge decks， the segmental finite element model is built of a continuous steel box girder bridge， and 7-day Weigh-in-Motion（WIM） data of Lianyungang-to-Horgos Expressway is selected to carry out fatigue assessment of typical details. The influence law of impact factors on the fatigue assessment result is analyzed， and the applicability of impact factors in different current specifications is studied. Research results show that the vehicle impact effect has a significant influence on the fatigue assessment results of steel bridge decks. Obvious differences exist in impact effects of different details， the impact effect of rib-to-deck detail is the largest， and the rib-to-rib detail is the smallest. The bridge deck pavement condition has great influence on the impact effect of steel bridge deck， fatigue assessment result of “worse” pavement condition is 3.30-3.91 times of “excellent” pavement condition. The vehicle impact effect should be fully considered when the fatigue assessment is performed， and reasonable impact factors should be adopted according to pavement conditions and detail types.

Keywords：Steel bridge deck; impact effect; impact factor; fatigue assessment; weigh-in-motion （WIM）

收稿日期：2022-06-22

基金项目：河南省交通厅科技计划项目（2017T08）

作者简介：刘大路，碩士，高级工程师。研究方向为桥梁工程。Email： 10675009@qq.com

引文格式：刘大路.车辆冲击效应对钢桥面板疲劳评估的影响研究[J].森林工程，2023，39（2）：184-192.

LIU D L. Influence study of vehicle impact effect on the fatigue assessment for steel bridge decks[J]. Forest Engineering， 2023， 39（2）：184-192.

0引言

钢桥面板自重轻、结构性能优越、造型美观，近三十年来被广泛应用于大、中跨径桥梁。然而，钢桥面板构造复杂、疲劳敏感细节多，在交通荷载作用下容易出现疲劳开裂问题，对结构使用性能造成严重影响[1-2]。英国塞文桥、我国虎门大桥等在开通运营十年内便在钢桥面板中检测出大量疲劳裂纹，导致后期的维护、管理工作极具挑战[3]。因此，为了给在役钢桥的维护管理提供技术支持，钢桥面板的疲劳损伤评估逐渐成为各国学者研究的热点。

目前，国内外学者多采用基于疲劳累积损伤理论和线弹性断裂力学的方法[4]，根据运营状态下疲劳细节一定周期内的疲劳应力谱进行钢桥面板疲劳损伤评估。Fisher等[5]基于疲劳应力监测数据和线弹性断裂力学，对Bronx-Whitestone Bridge 钢桥面板纵肋-面板连接细节疲劳裂纹扩展进行分析。郭彤等[6]利用润扬大桥健康监测系统确定了钢桥面板疲劳应力谱，基于双线性应力幅（S）-寿命（N）曲线对焊接细节疲劳损伤进行评估分析，并研究了车辆荷载和环境温度对疲劳损伤的影响。祝志文等[7]、吉伯海等[ 8]开展运营状态下钢桥面板疲劳应力监测，并基于现行相关规范对不同类型的弧形切口细节疲劳寿命进行评估与分析。Di等[9]、Chen等[10]通过动态应变监测方法获取了钢桥面板典型细节的疲劳应力谱，采用热点应力法对纵肋-顶板连接细节、纵肋-横隔板连接细节和弧形切口细节进行疲劳寿命评估。上述研究均采用运营状态实测疲劳应力开展疲劳评估，结果能够真实反映钢桥面板的疲劳性能，但长期监测耗费大量的人力和物力，成本较高。

随着动态称重（Weigh-in-Motion， WIM）技术的发展和数值模拟技术的进步，部分学者开始研究基于交通荷载的有限元动态加载，以此获取疲劳评估所需的疲劳应力谱。潘鹏等[11]对某公路大桥开通运营后11 a的车辆荷载进行统计，研究了交通荷载与钢桥面板典型细节疲劳应力谱的对应关系。朱劲松等[12]建立桥梁整体有限元模型，基于车桥耦合振动分析对钢桥面板疲劳裂纹扩展过程进行预测，并确定了裂纹扩展方向、路径及寿命。陈一馨等[13]以九江长江公路大桥为背景，采用疲劳模型试验得到纵肋-面板连接细节的S-N曲线，并依据实测车辆荷载谱对该构造细节进行疲劳寿命评估。鲁乃唯等[14]基于实测车流数据建立了随机车流模型，采用数值模拟方法和线性累积损伤理论对大跨悬索桥钢箱梁纵肋-面板连接细节的疲劳损伤进行评估。Yan等[15]采用实测车流数据模拟加载得到钢桥面板疲劳应力谱，提出了基于实测车流的钢桥面板疲劳评估方法。Qin等[16]基于连续一周的疲劳应力监测和典型车辆的加载分析，分别研究了采用钢-UHPC组合桥面和环氧沥青桥面的钢桥面板疲劳性能。张龙威等[17]采用35 t三轴车对钢桥面板疲劳细节进行动态加载试验，确定了不同细节的车辆冲击系数，并将测试结果与现行相关规范进行对比分析。

基于交通荷载数据开展钢桥面板疲劳评估时，冲击系数多是根据相关规范确定，而钢桥面板冲击系数的研究较少，且研究成果具有一定的离散性，很难直接应用于实际钢桥面板的疲劳评估。本研究以某三跨连续钢箱梁桥为工程背景，建立连续钢箱梁桥节段有限元模型，采用连霍高速公路7 d的动态称重（WIM）数据开展典型细节疲劳评估，分析冲击效应对评估结果的影响规律，并对国内外现行规范中冲击系数的适用性进行研究。

1钢桥面板典型细节应力响应分析

1.1工程背景及有限元模型建立

以河南省三门峡市某连续钢箱梁桥为工程背景，跨径布置为35 m+55 m+35 m，采用单箱三室钢箱梁结构，如图1所示。钢箱梁全宽17.25 m，两侧悬挑各2.5 m，底板宽12.25 m，中心线高度2.25 m。桥面设置2%单向横坡，铺装层采用80 mm厚的沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）。钢桥面板采用正交异性板结构，顶、底板厚度均为16 mm，腹板厚度14 mm。顶板采用300 mm×250 mm×185 mm的 U形加劲肋和部分板肋，U形加劲肋厚度8 mm，中心间距600 mm。底板采用T形加劲肋，高度为140 mm，翼缘宽为100 mm，厚度为10 mm。横隔板厚12 mm，纵向间距3.0 m，钢箱梁纵向节段采用焊接连接，其中钢桥面板U形加劲肋嵌补段长400 mm，中心距横隔板800 mm。

根据钢桥面板疲劳试验研究成果，选取钢桥面板纵肋-面板连接细节、纵肋-横隔板连接细节、弧形切口细节和纵肋拼接细节等4个疲劳敏感细节进行受力行为分析。已有研究表明钢桥面板典型细节受力主要与第二体系受力相关，即将钢桥面板作为桥面系结构支承于主梁和横隔板上[18-19]。在进行有限元分析时模型横向应包含6根以上纵向加劲肋，纵向取3倍以上横隔板间距。本研究采用Abaqus软件建立钢箱梁边跨35 m节段有限元模型，共包含14道横隔板（H1—H14），如图2所示。模型采用壳单元（S4R）模拟，钢材弹性模量为206 GPa、泊松比为0.3，边界条件为约束钢箱梁横隔板3个方向的平动自由度和转动自由度，约束钢桥面板四周的3个方向平动自由度。加载区域选取外侧车道（3#箱室），关注的细节位于边跨跨中第7～8道横隔板（H7—H8）。横桥向设置5个加载工况（T1—T5），步距为100 mm，其中T3为一侧轮载作用中心横向位于纵肋—面板连接焊缝正上方，T1、T2为横向加载工况T3向右偏移200、100 mm，T4、T5为横向加载工况T3向左偏移100、200 mm。纵向加载范围为距离端支点10.0 ～25.0 m，包含6道横隔板（H5—H10）。关注细节所在的H7—H8縱向加载步距为100 mm，其他区域加载步距为200 mm，纵向共设置91个加载工况，自横隔板H5起至H10纵向加载工况依次记为L1—L91。

有限元分析采用Abaqus通用软件Dload子程序进行自动加载，共进行455个工况的加载分析。采用单轴载重10 kN进行加载，每侧轮胎承载5 kN。根据我国钢桥设计规范[20]疲劳车辆荷载模型Ⅲ，单侧轮胎着地面积取200 mm×600 mm，本研究加载时将轮载按角度为45°进行扩散，实际作用至钢桥面板的轮胎面积为360 mm×760 mm。

1.2典型细节应力响应分析

为分析车辆荷载作用下钢桥面板受力特性，以横向加载工况T3为横向位置原点（e=0 mm），向左偏移为负、向右偏移为正，则T4、T5横向位置分别为-100、-200 mm，T1、T2横向位置分别为200、100 mm。以第5道横隔板（H5）为纵向加载原点、第10道横隔板（H10）为加载终点，纵向加载长度共15 m。不同细节受力分析结果如图3所示，其中纵肋-面板连接细节、弧形切口细节以受压为主、纵肋-横隔板连接细节以受拉为主，纵肋拼接细节在车辆荷载作用下呈拉-压应力变化。

纵肋—面板连接细节位于第7～8道横隔板（H7—H8）跨中位置，距第5道横隔板（H5）7.5 m，轮载作用于细节上方时达到峰值应力-4.6 MPa。轮载作用于细节所在跨段内应力变化显著，纵向位于细节前后400 mm范围内应力急剧变化，当轮载作用在附近跨段内时细节应力较低。纵肋-横隔板连接细节和弧形切口细节纵向位于第7道横隔板（H7），距第5道横隔板（H5）6.0 m，轮载作用在细节相邻跨段内时细节均产生较高应力，在细节前后跨段内应力历程曲线对称分布。轴载通过时纵肋-横隔板连接细节产生2个拉应力循环，而弧形切口细节产生1个压应力循环。轴载中心纵向位于相邻横隔板跨中时纵肋-横隔板连接细节应力达到最大，峰值拉应力为3.7 MPa，轴载中心纵向位于横隔板正上方时弧形切口应力达到最大，峰值压应力为-5.0 MPa。纵肋拼接细节设置在距横隔板0.8 m位置，当轴载经过细节上方时应力出现拉、压变化，轴载中心位于拼接段上方时，细节峰值拉应力3.7 MPa，轴载中心位于拼接段相邻跨段内、距横隔板0.8 m附近时细节峰值压应力为-1.5 MPa。

荷载横向作用位置变化时，各细节受力状态基本不变，但应力峰值产生了不同程度的降低。纵肋-面板连接细节、弧形切口细节、纵肋-横隔板连接细节均是在横向加载位置T3（e=0 mm）达到应力峰值，而纵肋拼接细节在横向加载位置T4（e=-100 mm）达到应力峰值。荷载位置右移时各细节应力峰值下降程度略低于荷载位置左移，纵肋-横隔板连接细节在荷载位置左偏200 mm时，应力峰值仅为T3工况下的62%，当横向位置偏移更大时，各细节应力降低幅度将会进一步增加。

2冲击效应对疲劳评估的影响分析

2.1WIM数据获取与简化分析

为研究冲击效应对钢桥面板疲劳评估的影响，采用WIM技术获取实际交通荷载数据，基于典型细节应力影响线进行有限元模拟加载，从而对不同冲击效应下钢桥面板疲劳损伤进行评估。选取连霍高速（连云港至霍尔果斯）河南三门峡段进行交通荷载监测，采集信息主要包括车辆型式、车速、轴质量、总质量、行驶车道和通过时间等。由于重型货车通常在外侧车道行驶，单个轴质量及总质量均较大，是导致钢桥面板疲劳损伤的主要车型，在进行交通荷载研究时主要选取外侧车道WIM数据进行分析。

连续7 d共获取单向104 263组交通车辆信息，其中外侧车道22 644辆，单车道平均日交通量3 234辆。根据英国BS5400规范[21]，总质量3 t以下的车辆造成的疲劳损伤可以忽略，因此在进行交通荷载分析时仅统计3 t以上的车辆轴载信息，7 d内共采集外侧车道有效疲劳致伤车辆数据组20 835辆。基于WIM的交通荷载信息如图4所示，外侧车道通行车辆以二轴货车、六轴货车为主，其中二轴货车共10 736辆，总质量低于3 t的1 785辆。三轴货车至六轴货车总质量均大于3 t，通行数量分别为3 069、2 382、1 776、4 681辆。实际交通荷载总质量呈多峰分布特点，峰值分别为3、17、42 t，总质量55 t以上的车辆占疲劳致伤车辆的4.8%，最大单车载质量95 t。

为便于有限元模型加载，将轴数相同的疲劳致伤车辆等效简化，确定不同车型的等效轴质量与等效轴距根据等效疲劳损伤原理，等效轴质量简化公式为[22-23]

Wej=∑（fiWmij）1m。（1）

Aej=∑fi·Aij 。（2）

式中：fi为相同轴数车辆中第 i 辆车的频率；Wij（Aij）为第 i 辆车的第j个轴质量（轴距）；Wej（Aej）为该类型车辆第 j 轴的等效轴质量（轴距）；m 为表示S-N曲线的斜率（取m=3）。等效简化的二轴货车至六轴货车总质量分别为12.5、22.5、35.0、39.5、50.0 t，等效軸距和等效轴质量等参数见表1。

2.2冲击效应对疲劳评估的影响分析

为确定钢桥面板疲劳敏感细节在运营荷载作用下的疲劳应力幅，将简化交通荷载型式分别加载至钢箱梁节段有限元模型，进行疲劳应力历程曲线分析。我国公路钢桥规范[20]规定在计算钢桥面板疲劳应力时，应考虑交通荷载的横向分布，以车道中心向两侧共分为5个区域，横向位置出现概率分别为0.07、0.18、0.50、0.18、0.07。本研究有限元分析时考虑了0～0.5共6种冲击系数，开展了对5种疲劳致伤车辆的横向5个行驶轨迹加载，加载工况共150个。加载分析完成后采用雨流计数法对应力时程曲线进行统计，确定了不同冲击系数下疲劳敏感细节的疲劳应力谱，以冲击系数0.1为例钢桥面板典型细节疲劳应力谱如图5所示。在进行有限元分析时采用不同车型的等效简化模型，疲劳应力谱与直接监测获取的结果有一定差异，由于车型等效原理与疲劳应力幅等效原理一致，因此，可以认为采用有限元分析获得的疲劳应力谱能够代表实际交通荷载作用下钢桥面板的疲劳损伤状态。

基于疲劳累积损伤理论[4]对不同冲击系数下钢桥面板的疲劳损伤进行评估，7 d交通荷载作用下钢桥面板疲劳评估结果如图6所示。纵肋-面板连接细节疲劳损伤明显大于其他细节，弧形切口细节次之，与实桥疲劳裂纹出现位置基本吻合。评估所得的纵肋拼接细节疲劳损伤最小，由于纵肋拼接细节现场施工时采用仰焊，焊接质量无法保证，因此该细节在运营过程中也极易出现疲劳开裂现象。纵肋-面板连接细节不考虑冲击系数时疲劳损伤为3.47×10-3，冲击系数0.3时疲劳损伤增大至8.19×10-3，冲击系数0.5时疲劳损伤增大至14.61×10-3，疲劳损伤约为不考虑冲击系数的4.2倍。纵肋-横隔板连接细节、弧形切口细节、纵肋拼接细节考虑冲击系数0.5时的疲劳损伤分别为不考虑冲击系数的4.1、3.9、3.6倍。随着冲击系数增大，各细节疲劳损伤显著增大，由于面板直接承受车辆轮载，冲击效应对纵肋-面板连接细节影响最大，对纵肋拼接细节影响最小。

交通荷载冲击效应与路面状况密切相关，我国《公路技术状况评定标准》（JTG H20—2007）[24]根据国际标准化组织ISO评定标准，采用国际平整度指数（International Roughness Index， IRI）将路面状况分为5个等级，分别为“优”“良”“中”“次”“差”。文献[25]通过车-桥耦合振动方程对不同跨径简支钢梁桥进行路面平整度与冲击系数的相关性分析，确定了不同路面平整度对应的钢桥冲击系数。本研究在进行路面状况对钢桥面板疲劳损伤影响时，考虑到钢桥面铺装状况“差”时应立即进行养护或修复，因此仅对前4种路面状况与疲劳损伤状态进行研究。采用文献[25]获取的跨径36.58 m的钢桥冲击系数，不同铺装状况的钢桥面板疲劳损伤评估结果如图7所示。

铺装状况“优”时，钢桥冲击系数为0.06，钢桥面板疲劳损伤为不考虑冲击系数的1.15～1.20倍；铺装状况“次”时，钢桥冲击系数为0.56，钢桥面板疲劳损伤为铺装状况“优”的3.30～3.91倍。铺装状况对钢桥面板疲劳损伤影响较大，在进行钢桥面板疲劳损伤评估时，应充分考虑路面状况选用合理的交通荷载冲击系数。钢桥面板运营过程中铺装层出现劣化时，应及时进行养护，以降低路面状况造成的疲劳损伤增大效应。

3钢桥面板冲击系数适用性分析

冲击系数是车辆荷载经过桥梁结构时产生的竖向动力效应的增大系数，现行国内外规范中尚无完备的钢桥面板冲击系数规定，一般在钢桥整体结构冲击系数基础上进行补充规定。我国钢桥规范[20]规定钢桥面板冲击系数取0.4； 英国规范[21]中规定桥梁结构冲击系数取0.25，在进行钢桥抗疲劳设计时冲击系数取为0；日本规范[26]以钢桥计算跨径为变量，冲击系数取值范围为0～0.4；美国规范[27]规定钢桥面板冲击系数为0.15。文献[17]采用跑车试验对某三跨变截面连续钢箱梁桥进行冲击响应研究，确定了钢桥面板疲劳敏感细节的冲击系数，其中纵肋-面板连接细节为0.219、弧形切口细节0.394、纵肋拼接细节0.245。

为明确钢桥面板冲击系数的合理取值，本研究对不同规范中冲击系数的适用性进行分析，以指导运营状态下钢桥面板的疲劳损伤评估，采用不同规范中冲击系数的钢桥面板疲劳损伤评估结果见表2。现行规范中除英国规范外，均采用钢桥结构整体冲击系数进行钢桥面板抗疲劳设计与疲劳评估。采用中国规范的评估结果均高于其他规范，疲劳损伤约为美国规范的2.0倍、日本规范的1.5倍左右。采用实测冲击系数进行疲劳损伤评估时，纵肋-面板连接细节、弧形切口细节、纵肋拼接细节疲劳损伤分别为6.52×10-3、4.38×10-3、2.14×10-3，纵肋-面板连接细节、纵肋拼接细节疲劳损伤与日本规范相对接近，弧形切口细节疲劳损伤与中国规范相对一致。在进行钢桥面板评估时应充分考虑车辆冲击效应的影响，根据铺装状况、细节类型选取合理的钢桥面板冲击系数。

4结论

本研究以某连续钢箱梁桥为背景，采用动态称重技术与有限元模拟分析等方法，开展车辆冲击效应对疲劳损伤评估结果的影响规律研究，并对现行国内外规范中钢桥面板冲击系数的适用性进行分析，得到以下主要结论。

1）钢桥面板疲劳细节应力影响线对纵、横向位置比较敏感，纵肋-横隔板连接细节、弧形切口细节、纵肋拼接细节应力影响线其纵向范围为2倍横隔板间距，纵肋-面板连接细节影响线范围为1倍横隔板间距；横向上当轮载位于疲劳细节正上方时应力影响线达到峰值，轮载向两侧移动时影响线峰值逐渐减小。

2）冲击效应对钢桥面板疲劳损伤评估结果影响显著，冲击系数0.3时疲劳损伤评估结果约为不考虑冲击系数的3倍，冲击系数0.5时疲劳损伤评估结果约为不考虑冲击系数的3.6～4.2倍；冲击效应对纵肋-面板连接细节影响最大，对纵肋拼接细节影响最小。

3）铺装状况“优”时，钢桥面板疲劳损伤为不考虑冲击系数的1.15～1.20倍；铺装状況“次”时，钢桥冲击系数为0.56，钢桥面板疲劳损伤为铺装状况“优”的3.30～3.91倍。在进行钢桥面板疲劳损伤评估时，应充分考虑铺装状况选用合理的交通荷载冲击系数。

4）采用中国规范冲击系数的疲劳损伤评估结果均高于其他规范，疲劳损伤约为美国规范的2.0倍、日本规范的1.5倍左右。在进行钢桥面板评估时应充分考虑车辆冲击效应的影响，根据铺装状况、细节类型选取合理的钢桥面板冲击系数。

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