橋面鋪裝溫度對(duì)正交異性鋼橋面板疲勞的影響

吳 沖，劉海燕，張志宏，孫一鳴

（1.同濟(jì)大學(xué) 橋梁工程系，上海200092；2.寧波天意鋼橋面鋪裝技術(shù)有限公司，浙江 寧波315042；3.上海市政工程設(shè)計(jì)研究院總院（集團(tuán)）有限公司，上海200092）

正交異性鋼橋面板是由縱、橫互相垂直的加勁肋連同橋面蓋板所組成的共同承受車輪荷載的結(jié)構(gòu)，以其自重輕、承載能力強(qiáng)和整體性好等優(yōu)點(diǎn)在國(guó)內(nèi)外大跨度橋梁中得到廣泛應(yīng)用，如日本的明石海峽大橋、法國(guó)的諾曼底大橋和中國(guó)的蘇通長(zhǎng)江大橋等都采用了正交異性鋼橋面板的形式［1］.但正交異性鋼橋面板由于構(gòu)造復(fù)雜、焊縫多、焊接殘余應(yīng)力大等原因，在車輪荷載反復(fù)作用下容易出現(xiàn)疲勞破壞［2］.自1971年英國(guó)Seven Bridge首次發(fā)現(xiàn)正交異性鋼橋面板焊接疲勞裂縫后，美國(guó)的Bronx－Whitestone Bridge、巴西的Rio－Niteroi Bridge、荷蘭的Van Brienenoord Bridge、日本的Kinuura Bridge以及中國(guó)的部分大橋等都相繼發(fā)現(xiàn)了疲勞裂紋［3］，典型的破壞形式如圖1所示.經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，正交異性鋼橋面板在高溫、重載條件容易產(chǎn)生疲勞裂紋.

圖1 正交異性鋼橋面板疲勞破壞形式Fig.1 typical fatigue failure mode of orthotropic steel bridge deck

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都對(duì)正交異性鋼橋面板的疲勞性能進(jìn)行試驗(yàn)和理論研究.英國(guó)運(yùn)輸和道路研究試驗(yàn)所TRRL 的Cuninghame等根據(jù)Severn 橋中出現(xiàn)的疲勞裂縫進(jìn)行了鋼橋面板的疲勞細(xì)節(jié)的試驗(yàn)研究［4］；在20世紀(jì)90年代初，歐洲煤鋼聯(lián)合體EGKS專門對(duì)正交異性鋼橋面板的疲勞壽命進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，這次研究對(duì)橋面板與縱肋連接、縱肋和橫肋的連接和縱肋接頭三種疲勞細(xì)節(jié)進(jìn)行了強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，并采用有限元和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比分析得出這三種疲勞細(xì)節(jié)的強(qiáng)度［5］.美國(guó)P A Tsakopoulos和里海大學(xué)的J W Fisher教授以紐約州的Williamsburg橋和Bronx－Whitestone橋的橋面板的改造工程為背景對(duì)鋼橋面板的疲勞性能進(jìn)行了詳細(xì)研究［6］；中國(guó)的童樂(lè)為、王春生等也對(duì)正交異性鋼橋面板進(jìn)了分析研究［7－9］.但目前不同溫度條件下帶橋面鋪裝的正交異性鋼橋面板受力研究不多見(jiàn).

中國(guó)大多數(shù)地區(qū)為亞熱帶季風(fēng)和溫帶季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，據(jù)調(diào)查顯示，夏季高溫季節(jié)鋼橋面鋪裝表面溫度高達(dá)67℃，鋼橋面板本身也能達(dá)到55℃.正交異性鋼橋面鋪裝多為瀝青混合料，其材性會(huì)隨著溫度的升高發(fā)生軟化［10－11］，從而導(dǎo)致鋼橋面板的應(yīng)力增加.本文以遼河濱海公路大橋?yàn)楸尘埃ㄟ^(guò)足尺模型試驗(yàn)研究了不同溫度條件下帶鋪裝層的鋼橋面板的受力情況.

1 橋面鋪裝動(dòng)態(tài)模量與溫度的關(guān)系

對(duì)于承受車輛動(dòng)態(tài)荷載、具有粘彈塑性的瀝青混凝土橋面鋪裝，動(dòng)態(tài)模量能更好地反映其受力特性.目前，國(guó)外先進(jìn)的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法基本都采用動(dòng)態(tài)模量作為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本參數(shù)［12－13］.

江蘇省交科院參照AASHTO TP－62 試驗(yàn)方法，利用Superpave簡(jiǎn)單性能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定了不同溫度、不同加載頻率下RA05 混合料的動(dòng)態(tài)模量（圖2）.RA05混合料的彈性隨著溫度的升高迅速降低，同時(shí)，動(dòng)態(tài)模量會(huì)隨著加載頻率的降低而減小.

圖2 RA05混合料動(dòng)態(tài)彈性模量Fig.2 Dynamic modulus of RA05mixture

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

帶橋面鋪裝的正交異性鋼橋面板足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D3和圖4所示，橋面板構(gòu)造以及鋪裝厚度與實(shí)橋完全相同.橋面頂板厚度為16mm，U 肋上開(kāi)口寬300mm，下寬170 mm，高300 mm，U 肋間距600 mm，厚度為8mm，橫隔板厚度10mm，橫隔板間距為3.75m，側(cè)腹板厚16mm.整個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ烷L(zhǎng)為8.0 m，寬度為1.7 m，高0.75 m.橋面鋪裝厚度為60 mm，為了對(duì)比不同鋪裝使用性能，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷钠渲幸豢绮捎脴?shù)脂瀝青組合體系鋼橋面鋪裝（ERS），另一跨采用澆注式瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)（GA＋SMA），本文只研究不同溫度條件下鋼橋面板的受力性能，不對(duì)鋪裝使用性能做詳細(xì)研究.

圖3 疲勞試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.3 Structure model of the fatigue test

2.2 加載及數(shù)據(jù)采集設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用南非MLS（加速加載機(jī)）測(cè)試系統(tǒng)責(zé)任有限公司生產(chǎn)的MLS66加載設(shè)備（加速加載機(jī)），如圖5所示，MLS66是一個(gè)足尺鋪面加速加載車，它可以模擬真實(shí)輪載作用到橋面鋪面結(jié)構(gòu)上.該加載車由剛性主框架、6 組輪架及內(nèi)部配置的雙輪胎（305／70R22.5）組成，輪架在垂直環(huán)形導(dǎo)軌中運(yùn)行.當(dāng)軌道運(yùn)行到底部時(shí)，輪架上的輪胎與鋪裝表面接觸施壓，最大雙輪胎荷載為7.5t.輪架的最大速度可達(dá)到6m·s－1，加載速度為6 000次·h－1.

圖4 模型試件圖（單位：mm）Fig.4 Detail of the specimen（unit：mm）

圖5 MLS66加速加載設(shè)備Fig.5 Accelerated loading equipment（MLS66）

采用靜態(tài)采集和動(dòng)態(tài)采集兩種方式測(cè)試應(yīng)變.兩跨跨中處橋面板應(yīng)變用東華動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)DH5920測(cè)試，其余部位的應(yīng)變用東華靜態(tài)測(cè)試系統(tǒng)DH3815測(cè)試，應(yīng)變測(cè)試裝置如圖6所示.

2.3 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

圖6 應(yīng)變采集設(shè)備Fig.6 Strain collection devices

圖7 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置圖（單位：mm）Fig.7 Layout of test measuring point（unit：mm）

本文只研究樹(shù)脂瀝青組合體系鋼橋面鋪裝（ERS）下正交異性鋼橋面板的受力情況，因此，在這里只給出了鋪裝為ERS 橋面板跨中位置應(yīng)變片布置圖，如圖7所示，順橋向和橫橋向各3個(gè)應(yīng)變片，共6個(gè)應(yīng)變片，其中111－1、112－1和113－1用于測(cè)試順橋向應(yīng)變，111－2、112－2和113－2用于測(cè)試橫向應(yīng)變.111和113為靠近U 肋與橋面板焊接位置，112為兩個(gè)U 肋中間位置.

2.4 試驗(yàn)加載方案

本次疲勞試驗(yàn)一共加載了250萬(wàn)次，其中0～50萬(wàn)次雙輪試驗(yàn)荷載為50kN，50萬(wàn)次以后試驗(yàn)荷載為75kN，試驗(yàn)加載方案見(jiàn)表1，本次試驗(yàn)詳細(xì)研究了溫度和水對(duì)橋面鋪裝以及鋼橋面板受力的影響，但本文只討論溫度對(duì)鋼橋面橋面板受力的影響，溫度的施加方式采用外接電熱板將鋪裝加熱到需要溫度，然后用試驗(yàn)機(jī)自帶的保溫系統(tǒng)維持恒定溫度.由于170萬(wàn)次以前溫度補(bǔ)償片損壞，因此170萬(wàn)次以前所測(cè)得的加溫時(shí)的應(yīng)變是不準(zhǔn)確的，170 萬(wàn)次以后，重新布置了溫度補(bǔ)償片.

表1 試驗(yàn)加載方案Tab.1 Loading program of the fatigue test

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 不同溫度下鋼橋面板的應(yīng)力對(duì)比

瀝青混合料是溫度敏感性材料，材料的彈性模量會(huì)隨著溫度的增加而減小，從而會(huì)影響鋼橋面板的受力狀態(tài).本節(jié)對(duì)比研究了不同溫度條件下鋼橋面板的受力情況，實(shí)驗(yàn)170～230萬(wàn)次的鋼橋面板動(dòng)態(tài)采集是在室溫下進(jìn)行的，230～240萬(wàn)次加溫到40℃，240～250萬(wàn)次加溫到55 ℃.圖8—13為各測(cè)點(diǎn)不同溫度條件下10s內(nèi)的應(yīng)力歷程對(duì)比，從圖中可以看出，在室溫條件下，鋼橋面板的應(yīng)力最小，當(dāng)加溫到40 ℃時(shí)，橋面板的應(yīng)力急劇增加，當(dāng)加溫到55℃時(shí)，鋪裝進(jìn)一步軟化，鋼橋面板的應(yīng)力繼續(xù)增加.據(jù)此可以推斷，在夏季高溫季節(jié)，正交異性鋼橋面板的受力比冬季寒冷季節(jié)高出許多，鋼橋面板的疲勞損傷主要是在夏季高溫季節(jié)積累的.

3.2 不同溫度條件鋼橋面板損傷分析

3.2.1 疲勞細(xì)節(jié)及S－N曲線

U 肋與橋面頂板焊接位置頂板沿著焊縫疲勞開(kāi)裂是正交異性鋼橋面板的一種典型疲勞破壞形式（圖14），其主要是由局部輪壓作用下焊縫位置橋面頂板橫向正應(yīng)力產(chǎn)生的，本文以該疲勞細(xì)節(jié)（測(cè)點(diǎn)113－2）作為研究對(duì)象分析不同溫度條件下橋面板的疲勞損傷情況.

圖12 U 肋與橋面板焊接位置縱向應(yīng)力（113－1）Fig.12 Longitudinal stress at the welding position of U－rib and top deck（113－1）

圖13 U 肋與橋面板焊接位置橫向應(yīng)力（113－2）Fig.13 Horizontal stress at the welding position of U－rib and top deck（113－2）

圖14 U 肋與橋面頂板焊接位置橋面頂板疲勞細(xì)節(jié)Fig.14 Fatigue detail of top deck at the welding position of U－rib and top deck

U 肋與橋面頂板焊接位置頂板沿著焊縫疲勞破壞細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度曲線（S－N曲線）采用文獻(xiàn)［4］中推薦的S－N曲線，表達(dá)式如下：

3.2.2 損傷度分析

鋼橋面板的疲勞損傷度根據(jù)測(cè)點(diǎn)113－2動(dòng)采應(yīng)力計(jì)算分析，車輪加載輪壓為75kN，加載頻率為6 000轉(zhuǎn)·h－1，由于車輪加載速度和軸重都是確定的，因此可以認(rèn)為加載過(guò)程是一個(gè)平穩(wěn)過(guò)程，數(shù)據(jù)分析時(shí)每加載10萬(wàn)次取其中的1 min所采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)作為樣本進(jìn)行分析計(jì)算，圖15—17為各加載階段1min的應(yīng)力歷程，試驗(yàn)中170～230萬(wàn)次為常溫條件下進(jìn)行加載，230～240 萬(wàn)次為40 ℃條件下加載，240～250萬(wàn)次為55 ℃條件下加載.

通過(guò)雨流計(jì)數(shù)法對(duì)應(yīng)力歷程進(jìn)行計(jì)數(shù)處理，可以得到相應(yīng)的應(yīng)力幅頻值譜，然后采用Miner累積損傷準(zhǔn)則計(jì)算不同溫度條件下橋面板的損傷度，計(jì)算分析結(jié)果見(jiàn)表2.從分析結(jié)果可以看出，常溫條件下加載60萬(wàn)次鋼橋面板的損傷度為0.002 677，高溫條件下20 萬(wàn)次橋面板產(chǎn)生的損傷度為0.018 811，換而言之，相同的車輛荷載情況下，高溫環(huán)境下鋼橋面板產(chǎn)生的疲勞損傷是常溫條件下的21倍.

表2 不同溫度條件下鋼橋面板的損傷度Tab.2 Fatigue damage of the steel bridge deck under different temperature conditions

4 結(jié) 論

本文通過(guò)正交異性鋼橋面板足尺模型疲勞試驗(yàn)研究了不同鋪裝層溫度條件下鋼橋面板的受力情況，主要得到以下結(jié)論：

（1）瀝青混合料鋼橋面鋪裝剛度會(huì)隨著溫度的升高而迅速降低，會(huì)導(dǎo)致在鋪裝層溫度高的條件下鋼橋面板的受力要比溫度低時(shí)高；

（2）在相同的荷載條件下，鋪裝層溫度在高溫（55℃）條件下鋼橋面板疲勞損傷度約為常溫（10℃）的21倍，正交異性鋼橋面板的疲勞損傷主要是在夏季高溫季節(jié)產(chǎn)生的.

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