城市立交橋異形鋼箱梁疲勞性能研究

王江龍

（中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710075）

異形橋梁包括異形斜拉橋、異形拱橋、異形梁橋等。異形梁橋的結(jié)構(gòu)形式有寬度漸變、橋線彎曲、橫向受力不均勻的結(jié)構(gòu)特征。異形梁橋主要以異形鋼箱梁橋的形式被應(yīng)用，這種形式的橋梁主要應(yīng)用在城市立交橋互通段、主線與支線連接段、橋梁與道路連接段等。

1 鋼箱梁橋的疲勞理論

橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件在循環(huán)荷載作用下，鋼箱梁的某點或者某個位置材料會發(fā)生永久性破壞，內(nèi)部出現(xiàn)裂縫，隨著循環(huán)荷載的持續(xù)施加，裂縫會發(fā)展得越來越多、越來越明顯，直至鋼箱梁發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，這個過程稱為鋼箱梁橋的疲勞破壞。在進行設(shè)計時，即使結(jié)構(gòu)的可靠度滿足要求，也無法避免橋梁發(fā)生疲勞開裂。影響鋼箱梁橋的疲勞開裂因素有很多，外因主要是循環(huán)荷載和循環(huán)次數(shù)，內(nèi)因是材料本身的特性以及應(yīng)力集中[1]。

1.1 疲勞應(yīng)力

鋼箱梁橋的疲勞破壞主要是橋面作用的車輛荷載等循環(huán)荷載使結(jié)構(gòu)發(fā)生循環(huán)應(yīng)力，這種應(yīng)力持久性作用于橋梁上使橋梁發(fā)生裂縫并影響結(jié)構(gòu)強度，最終形成疲勞破壞。循環(huán)荷載被稱為疲勞荷載，疲勞荷載產(chǎn)生的應(yīng)力稱為疲勞應(yīng)力。結(jié)構(gòu)在疲勞荷載作用下的疲勞應(yīng)力參數(shù)如表1所示。

表1 疲勞應(yīng)力參數(shù)

1.2 應(yīng)力集中

應(yīng)力集中是指異形鋼箱梁橋中某一位置的應(yīng)力增大的現(xiàn)象，一般出現(xiàn)在鋼箱梁形狀變化處，如孔口、切槽、截面變化點等無剛性約束的位置。應(yīng)力集中能使鋼箱梁產(chǎn)生疲勞裂縫，也能使材料發(fā)生脆性破壞，應(yīng)力集中處的應(yīng)力值最大，這種現(xiàn)象與鋼箱梁的幾何尺寸以及受力時的加載方式有關(guān)[2]。

1.3 疲勞準(zhǔn)則

線性積傷律準(zhǔn)則認(rèn)為應(yīng)力幅對結(jié)構(gòu)造成的疲勞損傷可以疊加，疊加后的可以用損傷度表示。

式中：ni為應(yīng)力幅的作用次數(shù)；Ni為應(yīng)力幅的疲勞壽命。損傷度大于等于1時，認(rèn)為發(fā)生疲勞破壞；損傷度小于1時，認(rèn)為未發(fā)生疲勞破壞[3]。

1.4 分析方法

（1）無限壽命設(shè)計法，是指鋼箱梁在荷載作用下，能夠保持長時間的穩(wěn)定狀態(tài)不發(fā)生疲勞破壞。即理想狀態(tài)下，鋼箱梁的使用壽命趨向無窮大，鋼箱梁的疲勞細(xì)節(jié)處的最大應(yīng)力幅值永遠(yuǎn)小于疲勞極限強度?；跓o限壽命設(shè)計的混凝土材料特性不能充分發(fā)揮作用，實際工程中存在局限性。

（2）安全壽命法是基于無限壽命設(shè)計法發(fā)展而來的，都是以疲勞應(yīng)力為基本參數(shù)，不同之處是安全壽命法摻加了鋼箱梁受力過程中由于材料損傷引起的疲勞強度降低，并且將材料損傷進行疊加。因此，安全壽命法需要依據(jù)損傷理論將全過程的損傷值進行疊加來計算總的疲勞損傷。針對這種方法，橋梁疲勞計算中損傷值的計算采用的是線性積傷律理論。疲勞驗算公式主要是通過計算得到的累計損傷值與鋼箱梁得極限損傷值進行對比，要求計算值小于極限值為安全。

2 異性鋼箱梁橋的疲勞性能

2.1 車輛橫向輪跡的影響

研究車輛橫向輪跡作用，及鋼箱梁的應(yīng)力幅變化情況，可采用ANSYS有限元分析軟件對某橋梁進行建模分析，設(shè)置條件為考慮擴散角的影響，不加設(shè)鋪裝層。文章選取單元網(wǎng)格尺寸為10cm，全橋共計164335個單元，模型建立如圖1所示。

圖1 有限元模型

選取A、B、C、D四個有效控制點進行疲勞細(xì)節(jié)的研究，其中疲勞細(xì)節(jié)A為U肋與頂板、橫隔板的相交處；疲勞細(xì)節(jié)B為U肋與頂板的相交處；疲勞細(xì)節(jié)C為兩個肋板的相交處；疲勞細(xì)節(jié)D為U肋和橫隔板的相交處。經(jīng)過模擬分析得到的應(yīng)力幅值如表2所示。

表2 應(yīng)力幅值

A、B、C、D共4個選取點在轉(zhuǎn)彎輪跡橫向分布的情況下，各自的等效應(yīng)力幅分別為最大應(yīng)力幅的0.89倍、0.81倍、0.80倍和0.84倍；A、B、C、D共4個選取點在直行輪跡橫向分布的情況下，各自的等效應(yīng)力幅分別為最大應(yīng)力幅的0.84倍、0.71倍、0.72倍和0.67倍；A、B、C、D共4個選取點在規(guī)范輪跡橫向分布的情況下，各自的等效應(yīng)力幅分別為最大應(yīng)力幅的0.94倍、0.95倍、0.94倍和0.94倍。由以上數(shù)值分析可知，A、B、C、D共4個選取點的應(yīng)力幅的等效值均呈現(xiàn)以下變化：直行輪跡數(shù)值＜轉(zhuǎn)彎輪跡數(shù)值＜規(guī)范輪跡數(shù)值。在實際工程中，當(dāng)異形鋼箱梁橋橋面交通涉及轉(zhuǎn)彎情況時，采用規(guī)范規(guī)定的輪跡橫向分布是偏于安全的，而采用實測直行輪跡橫向分布式偏于不安全的[4]。

2.2 鋪裝層厚度的影響

研究鋪裝層厚度對異形鋼箱梁疲勞細(xì)節(jié)處的應(yīng)力幅影響，可采用ANSYS有限元分析軟件對某橋梁進行建模分析，設(shè)置情況為不加設(shè)鋪裝層，但考慮45°擴散角；加設(shè)鋪裝層不考慮鋪裝層的擴散作用；加設(shè)鋪裝層，并考慮45°擴散角。通過這三種情況下的應(yīng)力幅值變化情況研究鋪裝層對異形鋼箱梁疲勞性能的影響。同2.1所示選取A、B、C、D共4個有效控制點進行疲勞細(xì)節(jié)的研究。采用規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)疲勞車加載，加載跡線選擇每個疲勞細(xì)節(jié)對應(yīng)的最不利位置。鋼箱梁橋面板的瀝青鋪裝厚度一般為40～80mm，選取鋪裝層的彈性模量為2600MPa，鋪裝層的厚度變化為40mm、50mm、60mm、70mm、80mm，當(dāng)彈性模量一定時，鋪裝層厚度變化會引起應(yīng)力幅的變化。經(jīng)過分析得出數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同鋪裝層厚度對應(yīng)的最大應(yīng)力幅值 單位：MPa

分析表明：對疲勞細(xì)節(jié)A，鋪裝層厚度分別為40mm、50mm、60mm、70mm和80mm時，最大應(yīng)力幅分別為26.54MPa、25.48MPa、24.85MPa、23.41MPa和22.55MPa；相對于鋪裝層厚度為40mm時，最大應(yīng)力分別減小了1.06MPa、1.69MPa、3.13MPa和3.99MPa。對于疲勞細(xì)節(jié)B，最大應(yīng)力幅分別為24.78MPa、23.83MPa、23.27MPa、22.45MPa 和 21.85MPa； 與鋪裝層厚度為40mm時比較，最大應(yīng)力幅分別減小了0.95MPa、1.51MPa、2.33MPa和 2.93MPa。對于疲勞細(xì)節(jié)C，最大應(yīng)力幅分別為16.52MPa、16.27MPa、15.14MPa、14.58MPa和 13.78MPa； 與 鋪 裝 層 厚 度為40mm時比較，最大應(yīng)力幅分別減小了0.25MPa、1.38MPa、1.94MPa和2.74MPa。對于疲勞細(xì)節(jié)D，最大應(yīng)力幅 分 別 為 11.74MPa、11.25MPa、10.49MPa、10.16MPa和9.89MPa；與鋪裝層厚度為40mm時比較，最大應(yīng)力幅分別減小了0.49MPa、1.25MPa、1.58MPa和1.85MPa。

由以上分析可得，在4種疲勞細(xì)節(jié)處，鋪裝層厚度的越大則最大應(yīng)力幅越小，因此在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)增加箱梁橋鋪裝層的厚度可降低鋼箱梁的疲勞損傷[5]。

3 結(jié)論

（1）通過對鋼箱梁疲勞理論分析得知，異形鋼箱梁破壞形式主要是由于作用在橋面的循環(huán)荷載引起的；異形鋼箱梁在截面突變點存在應(yīng)力集中現(xiàn)象；疲勞破壞的評價指標(biāo)采用應(yīng)力幅，損傷度大于等于1時，認(rèn)為發(fā)生疲勞破壞；損傷度小于1時，認(rèn)為未發(fā)生疲勞破壞。（2）在實際工程中，當(dāng)異形鋼箱梁橋橋面交通涉及轉(zhuǎn)彎情況時，采用規(guī)范規(guī)定的輪跡橫向分布是偏于安全的，而采用實測直行輪跡橫向分布式偏于不安全。（3）通過鋪裝層厚度對異性鋼箱梁橋的疲勞性能分析得出，在這4種疲勞細(xì)節(jié)處，鋪裝層厚度越大最大應(yīng)力幅越小。因此，在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)增加箱梁橋鋪裝層的厚度可降低鋼箱梁的疲勞損傷。