吴 冲，刘海燕，张志宏，孙一鸣

（1.同济大学 桥梁工程系，上海200092；2.宁波天意钢桥面铺装技术有限公司，浙江 宁波315042；3.上海市政工程设计研究院总院（集团）有限公司，上海200092）

正交异性钢桥面板是由纵、横互相垂直的加劲肋连同桥面盖板所组成的共同承受车轮荷载的结构，以其自重轻、承载能力强和整体性好等优点在国内外大跨度桥梁中得到广泛应用，如日本的明石海峡大桥、法国的诺曼底大桥和中国的苏通长江大桥等都采用了正交异性钢桥面板的形式［1］.但正交异性钢桥面板由于构造复杂、焊缝多、焊接残余应力大等原因，在车轮荷载反复作用下容易出现疲劳破坏［2］.自1971年英国Seven Bridge首次发现正交异性钢桥面板焊接疲劳裂缝后，美国的Bronx－Whitestone Bridge、巴西的Rio－Niteroi Bridge、荷兰的Van Brienenoord Bridge、日本的Kinuura Bridge以及中国的部分大桥等都相继发现了疲劳裂纹［3］，典型的破坏形式如图1所示.经调查统计发现，正交异性钢桥面板在高温、重载条件容易产生疲劳裂纹.

图1 正交异性钢桥面板疲劳破坏形式Fig.1 typical fatigue failure mode of orthotropic steel bridge deck

国内外许多学者都对正交异性钢桥面板的疲劳性能进行试验和理论研究.英国运输和道路研究试验所TRRL 的Cuninghame等根据Severn 桥中出现的疲劳裂缝进行了钢桥面板的疲劳细节的试验研究［4］；在20世纪90年代初，欧洲煤钢联合体EGKS专门对正交异性钢桥面板的疲劳寿命进行了理论和实验研究，这次研究对桥面板与纵肋连接、纵肋和横肋的连接和纵肋接头三种疲劳细节进行了强度实验，并采用有限元和实验的结果对比分析得出这三种疲劳细节的强度［5］.美国P A Tsakopoulos和里海大学的J W Fisher教授以纽约州的Williamsburg桥和Bronx－Whitestone桥的桥面板的改造工程为背景对钢桥面板的疲劳性能进行了详细研究［6］；中国的童乐为、王春生等也对正交异性钢桥面板进了分析研究［7－9］.但目前不同温度条件下带桥面铺装的正交异性钢桥面板受力研究不多见.

中国大多数地区为亚热带季风和温带季风气候，夏季高温多雨，据调查显示，夏季高温季节钢桥面铺装表面温度高达67℃，钢桥面板本身也能达到55℃.正交异性钢桥面铺装多为沥青混合料，其材性会随着温度的升高发生软化［10－11］，从而导致钢桥面板的应力增加.本文以辽河滨海公路大桥为背景，通过足尺模型试验研究了不同温度条件下带铺装层的钢桥面板的受力情况.

1 桥面铺装动态模量与温度的关系

对于承受车辆动态荷载、具有粘弹塑性的沥青混凝土桥面铺装，动态模量能更好地反映其受力特性.目前，国外先进的沥青路面结构设计方法基本都采用动态模量作为路面结构设计的基本参数［12－13］.

江苏省交科院参照AASHTO TP－62 试验方法，利用Superpave简单性能试验机测定了不同温度、不同加载频率下RA05 混合料的动态模量（图2）.RA05混合料的弹性随着温度的升高迅速降低，同时，动态模量会随着加载频率的降低而减小.

图2 RA05混合料动态弹性模量Fig.2 Dynamic modulus of RA05mixture

2 试验模型与试验方法

2.1 试验模型

带桥面铺装的正交异性钢桥面板足尺试验模型如图3和图4所示，桥面板构造以及铺装厚度与实桥完全相同.桥面顶板厚度为16mm，U 肋上开口宽300mm，下宽170 mm，高300 mm，U 肋间距600 mm，厚度为8mm，横隔板厚度10mm，横隔板间距为3.75m，侧腹板厚16mm.整个试验模型长为8.0 m，宽度为1.7 m，高0.75 m.桥面铺装厚度为60 mm，为了对比不同铺装使用性能，试验模型的其中一跨采用树脂沥青组合体系钢桥面铺装（ERS），另一跨采用浇注式沥青混凝土铺装结构（GA＋SMA），本文只研究不同温度条件下钢桥面板的受力性能，不对铺装使用性能做详细研究.

图3 疲劳试验模型Fig.3 Structure model of the fatigue test

2.2 加载及数据采集设备

实验采用南非MLS（加速加载机）测试系统责任有限公司生产的MLS66加载设备（加速加载机），如图5所示，MLS66是一个足尺铺面加速加载车，它可以模拟真实轮载作用到桥面铺面结构上.该加载车由刚性主框架、6 组轮架及内部配置的双轮胎（305／70R22.5）组成，轮架在垂直环形导轨中运行.当轨道运行到底部时，轮架上的轮胎与铺装表面接触施压，最大双轮胎荷载为7.5t.轮架的最大速度可达到6m·s－1，加载速度为6 000次·h－1.

图4 模型试件图（单位：mm）Fig.4 Detail of the specimen（unit：mm）

图5 MLS66加速加载设备Fig.5 Accelerated loading equipment（MLS66）

采用静态采集和动态采集两种方式测试应变.两跨跨中处桥面板应变用东华动态应变测试系统DH5920测试，其余部位的应变用东华静态测试系统DH3815测试，应变测试装置如图6所示.

2.3 试验测点布置

图6 应变采集设备Fig.6 Strain collection devices

图7 试验测点布置图（单位：mm）Fig.7 Layout of test measuring point（unit：mm）

本文只研究树脂沥青组合体系钢桥面铺装（ERS）下正交异性钢桥面板的受力情况，因此，在这里只给出了铺装为ERS 桥面板跨中位置应变片布置图，如图7所示，顺桥向和横桥向各3个应变片，共6个应变片，其中111－1、112－1和113－1用于测试顺桥向应变，111－2、112－2和113－2用于测试横向应变.111和113为靠近U 肋与桥面板焊接位置，112为两个U 肋中间位置.

2.4 试验加载方案

本次疲劳试验一共加载了250万次，其中0～50万次双轮试验荷载为50kN，50万次以后试验荷载为75kN，试验加载方案见表1，本次试验详细研究了温度和水对桥面铺装以及钢桥面板受力的影响，但本文只讨论温度对钢桥面桥面板受力的影响，温度的施加方式采用外接电热板将铺装加热到需要温度，然后用试验机自带的保温系统维持恒定温度.由于170万次以前温度补偿片损坏，因此170万次以前所测得的加温时的应变是不准确的，170 万次以后，重新布置了温度补偿片.

表1 试验加载方案Tab.1 Loading program of the fatigue test

3 试验结果及分析

3.1 不同温度下钢桥面板的应力对比

沥青混合料是温度敏感性材料，材料的弹性模量会随着温度的增加而减小，从而会影响钢桥面板的受力状态.本节对比研究了不同温度条件下钢桥面板的受力情况，实验170～230万次的钢桥面板动态采集是在室温下进行的，230～240万次加温到40℃，240～250万次加温到55 ℃.图8—13为各测点不同温度条件下10s内的应力历程对比，从图中可以看出，在室温条件下，钢桥面板的应力最小，当加温到40 ℃时，桥面板的应力急剧增加，当加温到55℃时，铺装进一步软化，钢桥面板的应力继续增加.据此可以推断，在夏季高温季节，正交异性钢桥面板的受力比冬季寒冷季节高出许多，钢桥面板的疲劳损伤主要是在夏季高温季节积累的.

3.2 不同温度条件钢桥面板损伤分析

3.2.1 疲劳细节及S－N曲线

U 肋与桥面顶板焊接位置顶板沿着焊缝疲劳开裂是正交异性钢桥面板的一种典型疲劳破坏形式（图14），其主要是由局部轮压作用下焊缝位置桥面顶板横向正应力产生的，本文以该疲劳细节（测点113－2）作为研究对象分析不同温度条件下桥面板的疲劳损伤情况.

图12 U 肋与桥面板焊接位置纵向应力（113－1）Fig.12 Longitudinal stress at the welding position of U－rib and top deck（113－1）

图13 U 肋与桥面板焊接位置横向应力（113－2）Fig.13 Horizontal stress at the welding position of U－rib and top deck（113－2）

图14 U 肋与桥面顶板焊接位置桥面顶板疲劳细节Fig.14 Fatigue detail of top deck at the welding position of U－rib and top deck

U 肋与桥面顶板焊接位置顶板沿着焊缝疲劳破坏细节的疲劳强度曲线（S－N曲线）采用文献［4］中推荐的S－N曲线，表达式如下：

3.2.2 损伤度分析

钢桥面板的疲劳损伤度根据测点113－2动采应力计算分析，车轮加载轮压为75kN，加载频率为6 000转·h－1，由于车轮加载速度和轴重都是确定的，因此可以认为加载过程是一个平稳过程，数据分析时每加载10万次取其中的1 min所采集的应变数据作为样本进行分析计算，图15—17为各加载阶段1min的应力历程，试验中170～230万次为常温条件下进行加载，230～240 万次为40 ℃条件下加载，240～250万次为55 ℃条件下加载.

通过雨流计数法对应力历程进行计数处理，可以得到相应的应力幅频值谱，然后采用Miner累积损伤准则计算不同温度条件下桥面板的损伤度，计算分析结果见表2.从分析结果可以看出，常温条件下加载60万次钢桥面板的损伤度为0.002 677，高温条件下20 万次桥面板产生的损伤度为0.018 811，换而言之，相同的车辆荷载情况下，高温环境下钢桥面板产生的疲劳损伤是常温条件下的21倍.

表2 不同温度条件下钢桥面板的损伤度Tab.2 Fatigue damage of the steel bridge deck under different temperature conditions

4 结 论

本文通过正交异性钢桥面板足尺模型疲劳试验研究了不同铺装层温度条件下钢桥面板的受力情况，主要得到以下结论：

（1）沥青混合料钢桥面铺装刚度会随着温度的升高而迅速降低，会导致在铺装层温度高的条件下钢桥面板的受力要比温度低时高；

（2）在相同的荷载条件下，铺装层温度在高温（55℃）条件下钢桥面板疲劳损伤度约为常温（10℃）的21倍，正交异性钢桥面板的疲劳损伤主要是在夏季高温季节产生的.

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