超長服役期正交異性橋面板主梁力學(xué)性能評估

李紹成，安 然

(1.東營市公路事業(yè)發(fā)展中心，山東 東營 257091;2.山東大學(xué)，山東 濟(jì)南 250100)

0 引言

正交異性鋼橋面板具有重量輕、承載能力強(qiáng)、可模塊化現(xiàn)場施工等獨特優(yōu)勢，在大跨徑鋼橋中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。早期建設(shè)的正交異性鋼橋面板橋梁上部一般采用瀝青鋪裝，形成鋼-瀝青鋪裝橋面體系。這種橋面體系主要存在兩種缺陷，即疲勞開裂和橋面銹蝕。其中疲勞開裂主要出現(xiàn)在鋼構(gòu)件與鋼構(gòu)件連接的焊縫位置，主要因素包括長期高頻重載行車作用，設(shè)計缺陷，制作、焊接工藝不成熟等，如1997年建成的廣東虎門大橋[4]，1999年建成的廈門海滄大橋[5]等。而橋面銹蝕主要因為瀝青鋪裝層與鋼橋面板之間沒有抗剪連接件，在重載車、溫度、雨水等因素的耦合作用下瀝青鋪裝層極易破損，使內(nèi)部鋼橋面板直接暴露在水和空氣之中，加速了鋼板的銹蝕，如1999年建成的江陰大橋[6]，2000年建成的重慶鵝公巖大橋[7]等。經(jīng)過多年的超期超載服役后，很多鋼橋?qū)嶋H常年處于破損與修復(fù)的狀態(tài)，橋梁的安全性和耐久性難以保證，亟需對其工作性能進(jìn)行系統(tǒng)性的評估，找出結(jié)構(gòu)的重點薄弱環(huán)節(jié)，為行車安全提供保障，也為后續(xù)的加固維修提供依據(jù)。

本文以某運營33年的正交異性鋼橋面板斜拉橋為例，基于現(xiàn)場檢測結(jié)果，結(jié)合有限元模型，對鋼主梁的承載能力、剛度退化特征，以及疲勞性能進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，并與現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行對比，揭示了超長服役期正交異性鋼橋面板斜拉橋的重點薄弱環(huán)節(jié)及其工作性能退化機(jī)制。

1 工程概況

某正交異性鋼橋面板斜拉橋已運營33年，2019年經(jīng)檢測，主橋總體技術(shù)狀況評定為四類，其中上部結(jié)構(gòu)評定為四類、下部結(jié)構(gòu)為三類、橋面系評定為四類，如圖1所示，主梁的主要病害為：1)正交異性橋面板縱肋對接焊縫開裂嚴(yán)重，橫梁過焊孔處疲勞裂縫較多，橫梁截面剛度有很大削弱。2)橋面瀝青鋪裝存在嚴(yán)重的破損、坑槽、車轍、松散、開裂現(xiàn)象，致使鋼主梁底板、節(jié)點板、高強(qiáng)螺栓等主要受力構(gòu)件嚴(yán)重銹蝕，鋼板截面產(chǎn)生很大削弱。3)主梁節(jié)段現(xiàn)場拼接處連接較弱、連接板脫落，橋面出現(xiàn)明顯折角。

2 基于檢測結(jié)果的主梁靜力性能檢算

2.1 計算參數(shù)

結(jié)合現(xiàn)場檢測情況，鋼梁的缺損狀況評定標(biāo)度為5，查JTG/T J21—2011公橋梁承載能力檢測評定規(guī)程[8]中的表7.7.2，可知承載能力檢算系數(shù)Z1=0.8?；钶d影響修正系數(shù)ζq通過式(1)計算：

ζq=(ζq1ζq2ζq3)1/3

(1)

其中，ζq1為交通量的活載影響修正系數(shù)；ζq2為大噸位車輛混入率的活載影響修正系數(shù)；ζq3為軸荷分布的活載影響修正系數(shù)。

經(jīng)計算，交通量影響修正系數(shù)ζq1為1.01；橋梁現(xiàn)階段限高2.8 m，重載車輛不能通行，大噸位車輛混入率的活載影響修正系數(shù)ζq2取值為1，軸荷分布的活載影響修正系數(shù)ζq3取值為1。代入式(1)，活載影響修正系數(shù)ζq為1.003。

荷載組合參照J(rèn)TG D60—2015公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[9]考慮以下三種作用效應(yīng)組合：

荷載組合Ⅰ：永久作用+汽車荷載+人群。

荷載組合Ⅱ：永久作用+汽車荷載+人群+風(fēng)荷載+溫度效應(yīng)+制動力。

荷載組合Ⅲ：永久作用+掛車荷載。

2.2 主梁構(gòu)件強(qiáng)度檢算

按照實際檢測情況，采用MIDAS有限元軟件建模，對主梁斜拉橋進(jìn)行計算。模型采用桁架單元、梁單元及板單元進(jìn)行模擬，全橋共計19 530個單元。

2.2.1 強(qiáng)度檢算

經(jīng)計算，在計算最大正應(yīng)力和剪應(yīng)力時，荷載組合Ⅱ均為最不利工況，如圖2所示，最大拉應(yīng)力位置出現(xiàn)在主跨跨中下緣，為136.6 MPa，最大剪應(yīng)力位置發(fā)生在邊跨支座位置，應(yīng)力值69.7 MPa。

表1為3種荷載組合下應(yīng)力計算結(jié)果與JTJ 025—86公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[10]容許應(yīng)力值的對比，經(jīng)過檢算，服役期鋼主梁的應(yīng)力檢算結(jié)果均小于檢算應(yīng)力容許值，滿足規(guī)范要求。

表1 正截面應(yīng)力檢算

2.2.2 主梁剛度退化影響分析

通過模擬計算分析明確主要荷載作用下節(jié)段連接處彎曲剛度的變化對橋梁線性平順性的影響。

表2列出了主梁節(jié)段連接處縱橋向彎曲剛度未折減、折減10%，50%，70%后，在恒載作用以及汽車荷載作用下的跨中撓度，括號中為撓度的增量?？芍?，僅恒荷載作用下，中跨跨中撓度分別只增加了0.1 mm，0.6 mm，1.4 mm，這是因為斜拉橋主梁為多點彈性支撐形成高次超靜定系統(tǒng)，這種均布恒載對節(jié)段連接的縱橋向彎曲剛度不敏感，因此對主梁撓度的線性平滑性及數(shù)值基本沒有影響。

表2 恒載和汽車荷載對跨中撓度影響

在汽車荷載作用下中跨跨中的撓度分別增加了14.6 mm，60.7 mm以及200.2 mm，導(dǎo)致汽車荷載作用下在主梁節(jié)段連接處下?lián)锨€存在明顯折角，因此，主梁節(jié)段連接處縱向連接減弱及橋面折角病害主要是由于節(jié)點處因銹蝕、開裂、連接綴板脫落導(dǎo)致的剛度下降，在汽車荷載反復(fù)疲勞作用形成的。

3 基于現(xiàn)場試驗的主梁疲勞強(qiáng)度檢算

為明確主梁疲勞性能，選取正交異性橋面板縱肋、頂板、橫隔板交叉位置進(jìn)行現(xiàn)場疲勞試驗，如圖3(a)所示。測試疲勞細(xì)節(jié)包括：細(xì)節(jié)1：縱肋-頂板焊縫；細(xì)節(jié)2：橫隔板-縱肋起焊點豎向焊縫；細(xì)節(jié)3：橫隔板-縱肋起焊點橫向焊縫；細(xì)節(jié)4：橫隔板弧形切口自由邊，如圖3(b)所示。

在鋼主梁頂板按JTG D64—2015公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范[11]放置標(biāo)準(zhǔn)疲勞車模型Ⅲ，每個疲勞細(xì)節(jié)布置2個應(yīng)變片，采用名義應(yīng)力法[12-13]對疲勞細(xì)節(jié)進(jìn)行兩點線形外推，外推公式如式(2)所示：

εhs=1.67ε0.4t-0.67ε1.0t

(2)

其中，εhs為焊趾處的結(jié)構(gòu)應(yīng)變;ε0.4t和ε1.0t分別為距離焊趾處0.4t和1.0t的參考點測得的應(yīng)變；t為板厚。

考慮損傷等效系數(shù)后[14]，將測試值轉(zhuǎn)換為200萬次等效常值應(yīng)力幅，表3為各疲勞細(xì)節(jié)熱點應(yīng)力計算值與規(guī)范計算值的對比，由表3可知，細(xì)節(jié)1和細(xì)節(jié)2均不能滿足規(guī)范200萬次疲勞強(qiáng)度的要求，存在較高的開裂風(fēng)險；需要注意的是，細(xì)節(jié)4計算值為壓應(yīng)力，理論上開裂風(fēng)險較低，然而實際檢測過程中卻發(fā)現(xiàn)該處開裂最為嚴(yán)重，這可能是因為早期鋼構(gòu)件制造精度不高，使開裂處存在微小缺陷。

表3 疲勞細(xì)節(jié)熱點應(yīng)力檢算

4 結(jié)論

本文基于現(xiàn)場檢測結(jié)果，結(jié)合有限元模型，對超長服役期正交異性鋼橋面板斜拉橋鋼主梁的剩余承載力、剛度退化特征，以及疲勞性能進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，得出以下結(jié)論：

1)經(jīng)33年運營后，主梁的正應(yīng)力及剪應(yīng)力均能達(dá)到規(guī)范要求，承載能力可以得到保證。

2)均布恒載對節(jié)段連接的縱橋向彎曲剛度不敏感，對主梁撓度的線性平滑性及數(shù)值基本沒有影響，主梁節(jié)段連接處縱向連接減弱及橋面折角病害主要是由于節(jié)點處因銹蝕、開裂、連接蓋板脫落導(dǎo)致的剛度下降，在汽車荷載反復(fù)疲勞作用下形成的。

3)縱肋-頂板焊縫以及橫隔板-縱肋起焊點橫向焊縫不能滿足規(guī)范200萬次疲勞強(qiáng)度要求，存在較高開裂風(fēng)險；實橋檢測橫隔板弧形切口自由邊開裂嚴(yán)重，這因為早期鋼構(gòu)件制造精度不高，使開裂處存在微小缺陷造成的。