UHPC 加固在役大跨徑懸索橋鋼橋面：實(shí)橋試驗(yàn)與理論分析

曹君輝 ，楊碧川 ，邵旭東 ，王洋 ，李知強(qiáng)

［1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2.風(fēng)工程與橋梁工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（湖南大學(xué)），湖南 長(zhǎng)沙 410082；3.宜昌長(zhǎng)江大橋建設(shè)營(yíng)運(yùn)集團(tuán)有限公司，湖北 宜昌 443004］

鋼橋具有輕質(zhì)高強(qiáng)、施工快捷、氣動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)［1］，是大跨徑橋梁的理想橋型.鋼橋橋面常采用正交異性鋼橋面板（Orthotropic Steel Deck，OSD），其由鋼面板、縱肋和橫隔板組成［2-4］，由于各板件相互焊接，連接位置的應(yīng)力集中情況復(fù)雜，因此鋼橋面在重載車作用下存在較高的疲勞開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)［5-10］.雖然我國(guó)借鑒了國(guó)外類似問(wèn)題的應(yīng)對(duì)經(jīng)驗(yàn)，但仍無(wú)法徹底解決大跨徑鋼橋橋面疲勞開(kāi)裂問(wèn)題：武漢軍山大橋通車6 年開(kāi)裂［11］、廣東虎門大橋通車5 年開(kāi)裂［12］、江陰長(zhǎng)江大橋通車4 年開(kāi)裂［13］等.以軍山大橋?yàn)槔?0］，2016年發(fā)現(xiàn)鋼橋面疲勞裂縫數(shù)量達(dá)7 000余條，2017年又探測(cè)到隱形裂縫4 000余條，長(zhǎng)度合計(jì)約600 m，最長(zhǎng)裂縫達(dá)21 m.因此，針對(duì)重度疲勞開(kāi)裂鋼橋橋面研究切實(shí)有效的加固方法勢(shì)在必行.

鋼橋面疲勞開(kāi)裂主要集中在板件焊接及過(guò)焊孔處［14］，且鋼面板中的疲勞裂縫可能從U 肋內(nèi)部萌生，常規(guī)方法難以探測(cè)，同時(shí)，橋面空間狹小，裂縫狀態(tài)檢測(cè)及加固施工均十分困難.鋼橋面各類疲勞裂縫的主要處置方法大致相同，主要包括：裂縫焊合［15］，即對(duì)疲勞開(kāi)裂部位重新施焊，如，當(dāng)鋼面板的疲勞裂縫深度達(dá)6 mm 以上時(shí)可進(jìn)行焊合處理［16］，但該技術(shù)的修復(fù)效果與施焊方式密切相關(guān)；鉆止裂孔［15］，在裂縫尖端部位鉆孔以緩解應(yīng)力集中，但在工程應(yīng)用中，疲勞裂縫的尖端位置往往較為隱蔽，難以精準(zhǔn)捕捉；裂縫表面沖擊閉合［17］，對(duì)裂縫兩側(cè)母材進(jìn)行塑性沖擊以引入塑性壓應(yīng)變，進(jìn)而延緩疲勞裂縫的擴(kuò)展；栓接鋼板或角鋼［18-19］，以提高局部剛度，抑制疲勞裂縫擴(kuò)展；粘貼碳纖維等復(fù)合材料［20］，對(duì)開(kāi)裂部位施加一定的外部約束，以期延緩裂縫擴(kuò)展.

上述加固措施的核心思路是：緩解裂縫尖端的應(yīng)力集中或提高裂縫附近鋼板的剛度，進(jìn)而延長(zhǎng)鋼橋面的疲勞壽命.但無(wú)論采用何種維修方法，均需明確疲勞裂縫的位置，而實(shí)橋疲勞裂縫數(shù)量多、開(kāi)裂位置隱蔽，增加了疲勞裂縫精準(zhǔn)定位和維修的難度，導(dǎo)致一些大橋的鋼橋面維修后仍反復(fù)開(kāi)裂.近年來(lái)，學(xué)者們對(duì)于新建大跨徑鋼橋探索了大U 肋［21］、墩邊U肋［22］、機(jī)器人雙面焊［23］等改進(jìn)技術(shù)，鋼面板的厚度也由早期的12 mm 提高到目前常用的14 mm 甚至更厚，但這些措施對(duì)于在役鋼橋疲勞開(kāi)裂仍無(wú)能為力.

為破解鋼橋面疲勞開(kāi)裂且難以修復(fù)的困局，湖南大學(xué)邵旭東教授提出了鋼面板疲勞裂縫可免修復(fù)的UHPC 加固新方法［24］：以帶焊接短栓釘?shù)匿摪鍡l強(qiáng)化UHPC底面，進(jìn)而大幅提高UHPC底面的抗裂強(qiáng)度，經(jīng)鋼板條強(qiáng)化的UHPC 通過(guò)短栓釘與原正交異性鋼橋面板形成輕型組合橋面，以顯著提高橋面局部抗彎剛度，有效抑制鋼橋面的疲勞裂縫擴(kuò)展，進(jìn)而大幅延長(zhǎng)鋼橋面疲勞壽命.為深入研究UHPC 加固新方法對(duì)于實(shí)橋鋼橋面受力的改善效果，并掌握鋼橋面各類典型疲勞細(xì)節(jié)的應(yīng)力分布規(guī)律和狀態(tài)，本文以一座采用UHPC 加固新技術(shù)的大跨徑鋼箱梁懸索橋?yàn)楸尘埃ㄟ^(guò)開(kāi)展實(shí)橋測(cè)試和理論計(jì)算研究，分析了正交異性鋼橋面板各疲勞細(xì)節(jié)在車載作用下的應(yīng)力響應(yīng)特征，明確了UHPC 加固新方法對(duì)各類典型疲勞細(xì)節(jié)的應(yīng)力降幅，以期為我國(guó)早期修建的大跨徑鋼橋橋面加固改造提供切實(shí)可行的解決方案.

1 工程背景簡(jiǎn)介

1.1 工程概況

本文的實(shí)橋試驗(yàn)和理論分析均以宜昌長(zhǎng)江公路大橋?yàn)橐劳?該橋是滬渝高速公路（G50）在湖北省宜昌市跨越長(zhǎng)江的一座特大型橋梁，于2001 年9 月建成通車.大橋?yàn)殡p塔單跨鋼箱梁懸索橋（圖1），雙向四車道，大橋主跨為960 m，主纜垂跨比為1/10.

圖1 宜昌長(zhǎng)江公路大橋構(gòu)造示意（單位：cm）Fig.1 Schematic drawings of the Yichang Yangtze River Expressway Bridge（unit：cm）

大橋加勁梁采用扁平流線型鋼箱梁（圖1），橋面全寬30.0 m，中心梁高3 m.橋面為正交異性鋼橋面板，頂板厚12 mm；行車道區(qū)域橋面板采用U 形加勁肋，U 肋厚6 mm、中心間距590 mm；鋼箱梁橫隔板間距4.02 m，無(wú)吊索橫隔板厚10 mm，有吊索橫隔板厚12 mm，每?jī)傻罊M隔板間設(shè)一道橫肋，橫肋高450 mm，板厚16 mm.

1.2 鋼橋面系病害

宜昌長(zhǎng)江公路大橋鋼橋面2001 年竣工通車時(shí)的原瀝青鋪裝為7 cm 厚雙層改性瀝青SMA.由于重載交通量大，2009年起，大橋的鋼橋面系陸續(xù)出現(xiàn)了病害問(wèn)題.

一方面，鋼橋面瀝青鋪裝出現(xiàn)了坑槽、壅包、車轍、開(kāi)裂等破損現(xiàn)象.2010 年，大橋管理單位對(duì)該橋鋼橋面瀝青鋪裝進(jìn)行了翻修，翻修方案為ERS 樹(shù)脂瀝青組合體系（EBCL+RA05+SMA10），但經(jīng)過(guò)多年運(yùn)營(yíng)，翻修后的鋼橋面瀝青鋪裝再次出現(xiàn)破損病害，嚴(yán)重影響到行車舒適性.

另一方面，大橋的正交異性鋼橋面板于2014 年12 月經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)疲勞開(kāi)裂病害（圖2），裂縫總長(zhǎng)達(dá)1 161 cm；隨后又在2015 年10 月檢查后統(tǒng)計(jì)到鋼箱梁內(nèi)部裂縫病害143 處共2 150 cm；2016 年6 月對(duì)已發(fā)現(xiàn)的裂縫進(jìn)行維修，但在不久后的新一輪檢測(cè)中（2017 年10 月），鋼箱梁內(nèi)又新發(fā)現(xiàn)裂縫453 條，共1 905 cm；在最近的2021 年8 月橋面維修加固過(guò)程中，據(jù)第三方檢測(cè)，僅大橋上游幅鋼面板內(nèi)就探測(cè)到疲勞裂縫580條，累計(jì)裂縫長(zhǎng)度約7 100 cm.因此，從歷年檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，宜昌長(zhǎng)江公路大橋疲勞裂縫數(shù)量呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，若不采取合理的應(yīng)對(duì)措施，未來(lái)幾年可能會(huì)成為大橋鋼橋面疲勞開(kāi)裂爆發(fā)期.

根據(jù)實(shí)橋疲勞裂縫檢測(cè)結(jié)果，鋼橋面主要存在的疲勞開(kāi)裂情況如下：橫隔板（橫肋）頂部過(guò)焊孔周邊開(kāi)裂（約占49.9%），U 肋與鋼面板縱向焊縫開(kāi)裂（約占32.9%），U 肋與橫隔板（橫肋）豎向角焊縫開(kāi)裂（約占12.2%），橫隔板與鋼面板橫向焊縫開(kāi)裂（約占1.0%），其余裂縫約占4.0%.

1.3 UHPC加固新結(jié)構(gòu)

由于鋼橋面疲勞開(kāi)裂嚴(yán)重，鋼面板將難以有效協(xié)助UHPC底面抵抗橫橋向拉應(yīng)力，導(dǎo)致UHPC底面的橫向拉應(yīng)力較高.前期計(jì)算結(jié)果表明［24］，當(dāng)鋼橋面重度疲勞開(kāi)裂時(shí)，UHPC 底面的橫橋向拉應(yīng)力高達(dá)12.9 MPa，是鋼面板完好狀態(tài)下的2.4 倍，遠(yuǎn)超UHPC底面約7～9 MPa［25］的抗裂強(qiáng)度，不能滿足受力要求.因此，考慮到宜昌長(zhǎng)江公路大橋的鋼橋面處于疲勞開(kāi)裂狀態(tài)，且頂部過(guò)焊孔周邊位置的裂縫數(shù)量較多，給檢測(cè)和修復(fù)均帶來(lái)一定困難，作者所在團(tuán)隊(duì)提出了疲勞裂縫可免修復(fù)的UHPC 加固新方案，即在原鋼面板上沿橫橋向布設(shè)帶短栓釘?shù)匿摪鍡l，以提高UHPC底面沿橫橋向的抗裂性.具體加固方案如下.

如圖3 所示，加固方案包括55 mm 的UHPC 結(jié)構(gòu)層和10 mm的TPO磨耗層，其中TPO為薄層聚合物罩面（Thin Polymer Overlay）.UHPC 層通過(guò)?13×35 mm的短栓釘與原鋼橋面板連接，并在UHPC底面沿橫橋向設(shè)置80 mm×8 mm的鋼板條（布置間距為200 mm），即通過(guò)鋼板條協(xié)助UHPC 底面抗裂，提高其在正彎矩下的抗裂強(qiáng)度.同時(shí)，UHPC 頂面布設(shè)有縱、橫向鋼筋網(wǎng)，保障了UHPC 加固層在負(fù)彎矩下的抗裂性能.前期研究表明，經(jīng)鋼板條強(qiáng)化后，UHPC 底面的抗裂強(qiáng)度由8 MPa 提高到43.2 MPa［24］，完全滿足鋼橋面加固結(jié)構(gòu)的抗裂要求.

圖3 UHPC加固新結(jié)構(gòu)（單位：mm）Fig.3 The UHPC strengthening new structure（unit：mm）

1.4 實(shí)橋應(yīng)用

宜昌長(zhǎng)江公路大橋維修加固工程于2021 年8月5 日開(kāi)始，12 月4 日結(jié)束并全面恢復(fù)交通.維修加固過(guò)程中先施工上游幅橋面，再施工下游幅橋面.其中，每幅橋面施工時(shí)僅在澆筑UHPC 至蒸汽養(yǎng)護(hù)結(jié)束期間封閉全橋交通（約7 d），其他工序始終保持半幅橋面交通的正常通行.每幅橋面的工序如下所示（圖4）：①銑刨鋼橋面既有瀝青鋪裝層→②鋼橋面板噴砂除銹→③鋼面板防腐涂裝→④鋼橋面板焊接栓釘→⑤粘貼鋼板條→⑥防腐涂裝補(bǔ)涂→⑦鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)（含護(hù)欄處局部加強(qiáng)鋼筋）→⑧澆筑UHPC 層→⑨UHPC 覆膜保濕養(yǎng)護(hù)→⑩UHPC 高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)→?UHPC 層表面拋丸→?灑布TPO 黏結(jié)料劑→?撒布碎石→?開(kāi)放交通.

圖4 宜昌長(zhǎng)江公路大橋維修加固主要施工工序Fig.4 Primary procedures for the strengthening construction on the Yichang Yangtze River Expressway Bridge

其中，UHPC高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)利用蒸汽養(yǎng)護(hù)設(shè)備及其自動(dòng)控制系統(tǒng)，保證養(yǎng)護(hù)過(guò)程中溫度在80℃以上并持續(xù)72 h，且養(yǎng)護(hù)棚內(nèi)相對(duì)濕度不低于95%.另外，TPO 施工時(shí)黏結(jié)料和碎石先后分兩次攤鋪，即首先在UHPC 層上刷涂第一層樹(shù)脂，撒布第一層碎石，然后重復(fù)這兩道工序，進(jìn)行第二層樹(shù)脂和碎石的鋪筑.

2 實(shí)橋試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康募案艣r

為測(cè)試UHPC 加固結(jié)構(gòu)對(duì)實(shí)橋鋼橋面各疲勞細(xì)節(jié)受力的改善效果，在實(shí)橋鋼橋面鋪裝翻修和加固施工過(guò)程中，分別對(duì)大橋在原瀝青鋪裝、無(wú)鋪裝（原瀝青鋪裝鏟除）、鋼-UHPC 輕型組合橋面結(jié)構(gòu)三種橋面狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn).結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，在上游側(cè)大橋重載車道對(duì)應(yīng)區(qū)域的鋼橋面典型疲勞細(xì)節(jié)處布置應(yīng)變片，以掌握鋼橋面各疲勞細(xì)節(jié)在不同車輛荷載位置情況下的應(yīng)力分布及變化規(guī)律，包括應(yīng)力響應(yīng)面的三維分布，以及沿縱、橫橋向的響應(yīng)線特征等；同時(shí)，對(duì)比原瀝青鋪裝、無(wú)鋪裝、鋼-UHPC 輕型組合橋面結(jié)構(gòu)三種橋面狀態(tài)的應(yīng)力（應(yīng)變）結(jié)果，進(jìn)而明確UHPC 加固新結(jié)構(gòu)對(duì)在役大跨徑懸索橋鋼橋面局部受力的改善效果.

2.2 試驗(yàn)區(qū)域

結(jié)合正交異性鋼橋面板的受力特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)條件，試驗(yàn)區(qū)域的選擇遵循以下原則：1）避開(kāi)梁段受力相對(duì)復(fù)雜的區(qū)段；2）試驗(yàn)區(qū)域結(jié)構(gòu)構(gòu)造應(yīng)具有代表性.綜合上述原則，確定了本橋的試驗(yàn)區(qū)域：在縱橋向上，試驗(yàn)區(qū)域位于大橋跨中附近，包含2 道橫隔板及4 道橫肋；在橫橋向上，試驗(yàn)區(qū)域位于上游側(cè)重載車道區(qū)域，包含5道U肋（圖1）.

2.3 加載車輛及工況

調(diào)研表明，影響鋼橋面疲勞細(xì)節(jié)應(yīng)力的主要外因是車輛的軸重［26］，因此，依據(jù)我國(guó)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）［27］中疲勞荷載計(jì)算模型Ⅲ，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選用三軸卡車作為加載車輛，試驗(yàn)車的尺寸及荷載大小如圖5 所示.實(shí)橋測(cè)試分3 次進(jìn)行：第1 次試驗(yàn)在原瀝青鋪裝層上開(kāi)展；第2次在鋪裝層鏟除（即裸鋼橋面）后進(jìn)行；第3次在鋪筑UHPC 層之后進(jìn)行.3 次荷載試驗(yàn)軸重如表1 所示，需要說(shuō)明的是，由于第3 次加載車軸重與前兩次略不同，為便于數(shù)據(jù)分析和對(duì)比，對(duì)第3 次荷載進(jìn)行了換算：將第3 次試驗(yàn)中車輛總重?fù)Q算成與第1 次、第2 次車輛總重一致，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變或應(yīng)力結(jié)果也按比例進(jìn)行換算.

表1 加載車各軸軸重Tab.1 Axle load of testing vehicle

圖5 加載車及載荷分布圖示（單位：mm）Fig.5 Loading vehicle and diagram of load distribution（unit：mm）

對(duì)每種橋面狀態(tài)，考慮了90 個(gè)荷載工況.具體如下：試驗(yàn)區(qū)域在橫橋向分為10 排，記為H，其中H1、H2、H8、H9、H10 五個(gè)橫排每排7 個(gè)工況，H3～H7橫排每排11 個(gè)工況；試驗(yàn)區(qū)域在縱橋向分為11 列，記為Z，其中Z1、Z2、Z10、Z11 四個(gè)縱列每列5 個(gè)工況，Z3～Z9縱列每列10個(gè)工況.各工況中以最后一排車軸的右輪為控制位置，其在不同工況中的位置如圖6所示.

圖6 加載工況示意（單位：mm）Fig.6 Loading cases（unit：mm）

為確保實(shí)橋試驗(yàn)中車輛荷載的準(zhǔn)確定位，每次加載之前在橋面標(biāo)示出加載工況位置，為加載時(shí)定位提供參考.測(cè)試過(guò)程中，保證后軸右側(cè)車輪中心位置壓在圖6 每個(gè)工況的標(biāo)示位置.試驗(yàn)車在進(jìn)入加載區(qū)域時(shí)，沿橫向固定位置選擇一條縱向加載線（Zi），將車輛行駛至指定車輪位于標(biāo)示工況之上，車輛停穩(wěn)后采集數(shù)據(jù)并記錄車輛所處坐標(biāo)，完成當(dāng)前工況后沿縱向進(jìn)行下一個(gè)工況的測(cè)試及數(shù)據(jù)采集，待結(jié)束一整條加載線上的測(cè)試后，將試驗(yàn)車駛?cè)胂乱患虞d線并重復(fù)上述過(guò)程，直至當(dāng)前橋面狀態(tài)下全部工況都加載完成.

2.4 測(cè)點(diǎn)布置

一般而言，正交異性橋面板存在六大典型疲勞細(xì)節(jié)［28］.宜昌長(zhǎng)江公路大橋?yàn)槲覈?guó)早期修建的鋼橋，其頂部縱肋和面板在橫隔板位置設(shè)置了過(guò)焊孔，以便于施焊，并減少移動(dòng)荷載作用下縱肋撓曲引起的橫隔板面外變形［29］.因此，切合宜昌長(zhǎng)江公路大橋的構(gòu)造特點(diǎn)，將各類疲勞細(xì)節(jié)歸納為八類，如圖7 所示，具體包括：①U 肋-面板焊縫處的面板裂縫；②U肋-面板焊縫處的U 肋裂縫；③U 肋-橫隔板下方交叉部位的U 肋腹板裂縫；④U 肋-橫隔板下方交叉部位的橫隔板裂縫；⑤橫隔板弧形切口處裂縫；⑥U 肋下緣對(duì)接焊縫的裂縫；⑦頂板過(guò)焊孔處的U 肋裂縫；⑧面板-橫隔板焊縫處的面板裂縫.限于篇幅，本文重點(diǎn)分析和討論宜昌長(zhǎng)江公路大橋鋼橋面中主要存在的四類疲勞細(xì)節(jié)，即圖7 中標(biāo)示的細(xì)節(jié)①、細(xì)節(jié)③、細(xì)節(jié)⑦、細(xì)節(jié)⑧.

圖7 典型疲勞細(xì)節(jié)Fig.7 Typical fatigue-prone details

正交異性鋼橋面板具有突出的局部受力特點(diǎn)，不同U 肋處各疲勞細(xì)節(jié)受力具有相似性，因此，本文以圖6 中2#和3#U 肋為主要對(duì)象介紹其測(cè)試結(jié)果.2#和3#U 肋附近各疲勞細(xì)節(jié)應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)的布置位置如圖8 所示，圖中在U 肋兩側(cè)標(biāo)示出了南北方向，用以區(qū)分同一類細(xì)節(jié)測(cè)點(diǎn)在不同位置的編號(hào)，如X7-N、X7-S 分別示意北側(cè)、南側(cè)的細(xì)節(jié)7 測(cè)點(diǎn).本文所分析的測(cè)點(diǎn)包括了前述4 類疲勞細(xì)節(jié)，涉及5 個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中，疲勞細(xì)節(jié)①測(cè)點(diǎn)以X1 標(biāo)示、細(xì)節(jié)③測(cè)點(diǎn)以X3 標(biāo)示，其余疲勞細(xì)節(jié)依此類推.本文所有布置的疲勞細(xì)節(jié)測(cè)點(diǎn)均在圖8 中示意，各應(yīng)變片的布設(shè)方向以箭頭示意.

圖8 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置（單位：mm）Fig.8 Arrangement of strain gauges（unit：mm）

需要說(shuō)明的是，本文中各關(guān)注細(xì)節(jié)測(cè)點(diǎn)布置位置的確定，均基于名義應(yīng)力法［28］，即一般情況下選取板件表面上距焊趾0.5t（t為板件厚度）位置的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)變片布設(shè).但由于實(shí)橋箱梁中操作空間狹小，個(gè)別應(yīng)變片位置根據(jù)實(shí)際情況略有調(diào)整，各類疲勞細(xì)節(jié)測(cè)點(diǎn)的具體布設(shè)位置如圖8 所示.此外，實(shí)橋試驗(yàn)中所用應(yīng)變片型號(hào)均為BE120-3AA，即應(yīng)變片尺寸為3 mm×2 mm.試驗(yàn)前，對(duì)各疲勞細(xì)節(jié)測(cè)點(diǎn)和車輪工況進(jìn)行布置；試驗(yàn)中，安排人員負(fù)責(zé)測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集.具體如圖9所示.

圖9 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.9 Photos of the in-site test

3 有限元計(jì)算分析

3.1 分析目的

本文所開(kāi)展的實(shí)橋試驗(yàn)涉及正交異性鋼橋面的多個(gè)疲勞細(xì)節(jié)，且加載工況數(shù)量較多.因此，為了與試驗(yàn)結(jié)果相互校核，對(duì)實(shí)橋建立了局部有限元模型，以反映實(shí)橋鋼橋面在試驗(yàn)車輛作用下的受力狀態(tài)，并將理論計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.限于篇幅，本文有限元計(jì)算分析僅涉及純鋼梁（即鏟除原鋼橋面瀝青鋪裝后）狀態(tài).

3.2 局部有限元模型

為了對(duì)各疲勞細(xì)節(jié)獲得較完整的應(yīng)變響應(yīng)面，并盡可能減小邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，建立了局部有限元模型.根據(jù)大橋鋼箱梁構(gòu)造，模型在縱橋向包含兩個(gè)吊桿的間距，長(zhǎng)16.6 m，即包括4 道橫隔板、6 道橫肋，而橫橋向考慮對(duì)稱性僅取全橋半寬進(jìn)行計(jì)算，即模型寬12.2 m，包含頂板、腹板、底板、橫隔板（橫肋）及相應(yīng)的加勁肋.

采用通用有限元軟件ANSYS 進(jìn)行計(jì)算，鋼箱梁各構(gòu)件采用板殼單元SHELL63 模擬，鋼材的彈性模量取為206 GPa，泊松比取為0.3.為了獲得各關(guān)注細(xì)節(jié)的局部應(yīng)變結(jié)果，模型網(wǎng)格在典型的構(gòu)造細(xì)節(jié)和加載區(qū)域進(jìn)行了加密處理，模型中關(guān)注的疲勞細(xì)節(jié)區(qū)域基本網(wǎng)格尺寸為5 mm，而根據(jù)相關(guān)研究［30］，網(wǎng)格尺寸為5 mm 時(shí)計(jì)算結(jié)果基本收斂，其余加載區(qū)域的網(wǎng)格尺寸則不大于25 mm.

局部有限元模型的邊界條件如下：在橫橋向中心線截面處施加橫向?qū)ΨQ約束；在吊桿位置約束對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的豎向自由度；而在鋼箱梁兩端位置，僅釋放節(jié)點(diǎn)繞橫向（X軸）的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，其余自由度則全約束.局部有限元模型如圖10所示.

圖10 局部有限元模型Fig.10 Local finite element model

3.3 有限元模型的加載方式

為了準(zhǔn)確模擬實(shí)橋各關(guān)注細(xì)節(jié)的應(yīng)力狀態(tài)，在有限元模型中采用與實(shí)橋現(xiàn)場(chǎng)加載車一致的荷載進(jìn)行加載（如圖6所示），即每個(gè)工況均包含6個(gè)由車輪引起的面荷載，按實(shí)橋試驗(yàn)位置加載，且各車軸重量、著地面積等均與實(shí)橋加載車一一對(duì)應(yīng).通過(guò)在加載區(qū)域內(nèi)移動(dòng)車輪位置，依次模擬實(shí)橋試驗(yàn)過(guò)程中的90個(gè)加載工況.

4 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

4.1 分析目標(biāo)

根據(jù)ANSYS 有限元模型中各工況下的計(jì)算結(jié)果，得到了典型疲勞細(xì)節(jié)的應(yīng)變響應(yīng)面.本節(jié)分析的重點(diǎn)是對(duì)比實(shí)橋試驗(yàn)和有限元模型中疲勞細(xì)節(jié)在不同輪載工況下的應(yīng)變分布規(guī)律，并關(guān)注兩種情形中各關(guān)注疲勞細(xì)節(jié)響應(yīng)面中的應(yīng)變峰值，以將理論分析結(jié)果和實(shí)橋試驗(yàn)結(jié)果相互校核.現(xiàn)以圖8中3#U肋測(cè)點(diǎn)為例，對(duì)結(jié)果進(jìn)行闡述.

4.2 應(yīng)變響應(yīng)面結(jié)果對(duì)比

圖11 展示了純鋼梁（裸鋼橋面）狀態(tài)下，3#U 肋測(cè)點(diǎn)應(yīng)變有限元計(jì)算結(jié)果和實(shí)橋試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比.圖中橫、縱坐標(biāo)表示加載車關(guān)注車輪的中心位置，豎坐標(biāo)表示當(dāng)前關(guān)注疲勞細(xì)節(jié)的應(yīng)變值.

根據(jù)圖11：1）對(duì)比有限元理論計(jì)算值和實(shí)橋試驗(yàn)實(shí)測(cè)值可以看出，對(duì)于4 類疲勞細(xì)節(jié)，總體上試驗(yàn)所測(cè)得的應(yīng)變響應(yīng)面與計(jì)算響應(yīng)面規(guī)律基本一致，因此，有限元模型計(jì)算和實(shí)橋試驗(yàn)都能充分反映各疲勞細(xì)節(jié)在不同車載工況下的應(yīng)變響應(yīng)規(guī)律；2）對(duì)于各疲勞細(xì)節(jié)，兩種情形下的應(yīng)變峰值（即拉應(yīng)變或壓應(yīng)變峰值）誤差約為10%，進(jìn)一步表明兩種方法得到的疲勞細(xì)節(jié)應(yīng)變峰值結(jié)果吻合良好.

5 實(shí)橋試驗(yàn)結(jié)果與分析

前文將有限元計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，兩者相互吻合，結(jié)果可靠.因此，本節(jié)重點(diǎn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深入分析，一方面探明各疲勞細(xì)節(jié)在實(shí)橋不同工況下沿縱、橫橋向的響應(yīng)規(guī)律，另一方面計(jì)算各疲勞細(xì)節(jié)在薄層UHPC 加固前后的應(yīng)力幅變化情況，進(jìn)而分析UHPC 加固新結(jié)構(gòu)對(duì)大橋各類疲勞細(xì)節(jié)的應(yīng)力改善效果.

將應(yīng)變結(jié)果乘鋼材的彈性模量，得到各關(guān)注細(xì)節(jié)在三種橋面狀態(tài)下的應(yīng)力響應(yīng)面.同時(shí)，在最大應(yīng)力幅工況對(duì)應(yīng)的位置，將應(yīng)力響面分別沿縱、橫方向剖視，得到各疲勞細(xì)節(jié)在兩個(gè)方向上的應(yīng)變響應(yīng)線，并分析其在車載作用下的響應(yīng)范圍.

5.1 頂部過(guò)焊孔處疲勞細(xì)節(jié)(細(xì)節(jié)7)

圖12（a）分別展示了原瀝青鋪裝以及鋪設(shè)UHPC 前、后三種橋面狀態(tài)下，疲勞細(xì)節(jié)7（X7-S）測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力響應(yīng)面.從圖12（a）可以發(fā)現(xiàn)：1）當(dāng)荷載作用于關(guān)注點(diǎn)處正上方附近區(qū)域時(shí)，X7-S測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)力達(dá)到峰值，而當(dāng)荷載作用位置逐漸遠(yuǎn)離關(guān)注點(diǎn)區(qū)域時(shí)，應(yīng)力水平明顯下降；2）三種橋面狀態(tài)下應(yīng)力響應(yīng)面形狀未發(fā)生太大改變，說(shuō)明X7-S 測(cè)點(diǎn)處應(yīng)力分布規(guī)律大體相同.但從應(yīng)力峰值變化來(lái)看，原瀝青鋪裝幾乎未引起X7-S 測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化；而鋪設(shè)UHPC 前、后，該測(cè)點(diǎn)應(yīng)力峰值顯著降低.

圖12 疲勞細(xì)節(jié)7（X7-S）應(yīng)力響應(yīng)Fig.12 Stress response of fatigue-prone detail 7（X7-S）

圖12（b）分別給出了鋪設(shè)UHPC 前、后疲勞細(xì)節(jié)7最大應(yīng)力幅工況對(duì)應(yīng)的橫向、縱向響應(yīng)線，其中，橫向響應(yīng)線中給出了關(guān)注點(diǎn)的位置并在其下方示意了荷載的縱向位置，且縱向響應(yīng)線中繪出了橫隔板或橫肋位置（1#～6#，具體見(jiàn)圖6），并在其下方示意了控制車輪的橫向位置及關(guān)注點(diǎn)所處位置.后文中其余疲勞細(xì)節(jié)橫向、縱向響應(yīng)線的表現(xiàn)方式類似，不贅述.

從圖12（b）橫向應(yīng)力響應(yīng)曲線可以看出：1）測(cè)點(diǎn)X7-S 的壓應(yīng)力影響區(qū)域較短，當(dāng)車輪荷載遠(yuǎn)離關(guān)注細(xì)節(jié)所在的U 肋時(shí)，其峰值壓應(yīng)力迅速衰減；而測(cè)點(diǎn)X7-S 的拉應(yīng)力影響區(qū)域較長(zhǎng)，當(dāng)車輪荷載距關(guān)注細(xì)節(jié)一側(cè)數(shù)個(gè)U 肋位置時(shí)，仍然存在一定的拉應(yīng)力；2）鋪設(shè)UHPC 前、后，測(cè)點(diǎn)X7-S 的橫向應(yīng)力響應(yīng)線變化趨勢(shì)大體相同，但應(yīng)力峰值在鋪設(shè)UHPC 后顯著下降.

從圖12（b）縱向應(yīng)力響應(yīng)曲線可以得出：1）測(cè)點(diǎn)X7-S 的壓應(yīng)力較為顯著，且縱向影響區(qū)域較長(zhǎng)，當(dāng)車輪荷載距測(cè)點(diǎn)縱向前后3 道橫隔板或橫肋（4 m）范圍時(shí)，其應(yīng)力水平才趨近于0；2）鋪設(shè)UHPC 前、后，測(cè)點(diǎn)X7-S 的橫向應(yīng)力響應(yīng)線變化趨勢(shì)基本一致，但應(yīng)力峰值顯著降低.

5.2 U肋與鋼面板連接部位疲勞細(xì)節(jié)(細(xì)節(jié)1)

圖13（a）中細(xì)節(jié)1 響應(yīng)面規(guī)律同前文細(xì)節(jié)7，不贅述.從圖13（b）橫向應(yīng)力響應(yīng)線可以看出：對(duì)于鋼橋面無(wú)鋪裝狀態(tài)，當(dāng)車輪荷載距測(cè)點(diǎn)位置2個(gè)U肋范圍以外時(shí)，測(cè)點(diǎn)處應(yīng)力迅速衰減；而對(duì)于鋼-UHPC輕型組合橋面狀態(tài)，當(dāng)車輪荷載距測(cè)點(diǎn)位置約3個(gè)U肋范圍時(shí)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)力才明顯衰減.分析其原因?yàn)?，得益于UHPC 與鋼橋面板的組合受力，橋面橫向剛度顯著提升，進(jìn)而使得更多U 肋參與橫向車輪荷載的受力.同時(shí)，從圖13（b）縱向應(yīng)力響應(yīng)線可以看出：細(xì)節(jié)1 的縱向影響區(qū)域同樣較短，當(dāng)荷載位于該細(xì)節(jié)兩道橫隔板（或橫肋）處時(shí)，該細(xì)節(jié)的應(yīng)力幾乎不受影響.

圖13 疲勞細(xì)節(jié)1（X1）應(yīng)力響應(yīng)Fig.13 Stress response of fatigue-prone detail 1（X1）

5.3 U肋與橫隔板豎向焊縫疲勞細(xì)節(jié)(細(xì)節(jié)3)

從圖14（a）可以發(fā)現(xiàn)：1）當(dāng)荷載在整個(gè)響應(yīng)面區(qū)域移動(dòng)時(shí)，該測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)了拉壓應(yīng)力的交替變化；2）三種橋面狀態(tài)下細(xì)節(jié)3 處應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律大體相同，且從應(yīng)力峰值變化來(lái)看，鋪設(shè)UHPC 層有效降低了細(xì)節(jié)3測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力.

圖14 疲勞細(xì)節(jié)3（X3）應(yīng)力響應(yīng)Fig.14 Stress response of fatigue-prone detail 3（X3）

從圖14（b）橫向應(yīng)力響應(yīng)曲線可以看出：1）細(xì)節(jié)3 的橫向響應(yīng)影響范圍較廣，當(dāng)荷載橫向距測(cè)點(diǎn)2 個(gè)U 肋以外時(shí)，其應(yīng)力仍未完全衰減；2）當(dāng)車輪荷載沿橫向在測(cè)點(diǎn)兩側(cè)移動(dòng)時(shí)，該測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)了明顯的拉壓應(yīng)力變化，表明受局部輪載的偏載作用，U 肋會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)［31］.從圖14（b）縱向應(yīng)力響應(yīng)曲線可以看出：細(xì)節(jié)3 應(yīng)力的縱向影響范圍較長(zhǎng)，當(dāng)車輪荷載沿縱橋向位于測(cè)點(diǎn)前后4 m（3 道橫隔板或橫肋長(zhǎng)度）位置時(shí)，該測(cè)點(diǎn)仍有較高的應(yīng)力.

5.4 橫隔板與鋼面板焊接部位疲勞細(xì)節(jié)(細(xì)節(jié)8)

圖15（a）中細(xì)節(jié)8 響應(yīng)面規(guī)律同細(xì)節(jié)7，不贅述.從圖15（b）橫向應(yīng)力響應(yīng)曲線可以看出：測(cè)點(diǎn)X8 主要處于壓應(yīng)力狀態(tài)，且影響區(qū)域較長(zhǎng)；此外，當(dāng)車輪荷載遠(yuǎn)離測(cè)點(diǎn)所在U 肋一側(cè)時(shí)，其壓應(yīng)力有突增，分析其原因?yàn)榇藭r(shí)同軸的另一個(gè)車輪逐漸靠近測(cè)點(diǎn)，導(dǎo)致該測(cè)點(diǎn)應(yīng)力顯著增加.從圖15（b）縱向應(yīng)力響應(yīng)曲線可以看出：該測(cè)點(diǎn)應(yīng)力的縱向影響區(qū)域同樣較長(zhǎng)，當(dāng)車輪荷載沿縱橋向距該測(cè)點(diǎn)前后4 m（3 道橫隔板或橫肋距離）時(shí)，其應(yīng)力才基本不受影響.

圖15 疲勞細(xì)節(jié)8（X8）應(yīng)力響應(yīng)Fig.15 Stress response of fatigue-prone detail 8（X8）

5.5 各類疲勞細(xì)節(jié)的應(yīng)力降幅

考慮到實(shí)橋試驗(yàn)工況多、數(shù)據(jù)量龐大，本節(jié)偏保守地認(rèn)為σmax、σmin分別為全部90 個(gè)工況中該疲勞細(xì)節(jié)的應(yīng)力最大值和最小值，并按Δσ=σmax-σmin計(jì)算各疲勞細(xì)節(jié)的應(yīng)力幅.具體地，先將鋪設(shè)UHPC前、后所有疲勞細(xì)節(jié)測(cè)點(diǎn)響應(yīng)面中的最大拉應(yīng)力σmax與壓應(yīng)力σmin分別提取出來(lái)，然后按公式Δσ=σmax-σmin將兩者的應(yīng)力差作為各細(xì)節(jié)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力幅，進(jìn)而得到各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力幅及其降幅計(jì)算結(jié)果，如表2所示.

表2 鋪設(shè)UHPC層后各疲勞細(xì)節(jié)應(yīng)力幅對(duì)比Tab.2 Comparison of stress ranges in fatigue-prone details prior and after using the UHPC layer

根據(jù)鋼橋面系各類疲勞細(xì)節(jié)測(cè)試結(jié)果，鋪設(shè)UHPC 層后，UHPC 層與鋼面板協(xié)同受力，顯著提高了橋面板的局部抗彎剛度.因此，所有細(xì)節(jié)測(cè)點(diǎn)在鋪設(shè)UHPC 層后應(yīng)力幅均有不同程度的降低.其中，面板-U 肋焊接處疲勞細(xì)節(jié)應(yīng)力降幅最為明顯，高達(dá)84.9%；其次為橫隔板-面板相交處，其應(yīng)力降幅達(dá)63.1%；另外，頂部過(guò)焊孔處疲勞細(xì)節(jié)應(yīng)力降幅約44.2%，U 肋與橫隔板交叉部位疲勞細(xì)節(jié)應(yīng)力降幅約41.0%.

6 結(jié)論

本文以一座大跨徑鋼箱梁懸索橋?yàn)槔?，介紹了鋼橋面疲勞裂縫可免修復(fù)的UHPC 加固新結(jié)構(gòu)，并結(jié)合實(shí)橋應(yīng)用情況，分別對(duì)正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)在原瀝青鋪裝以及鋪設(shè)UHPC 層前、后三種橋面狀態(tài)進(jìn)行了荷載試驗(yàn)，系統(tǒng)分析了各類疲勞細(xì)節(jié)應(yīng)力響應(yīng)特征，明確了鋪設(shè)UHPC 層對(duì)鋼橋面疲勞應(yīng)力的改善效果，主要結(jié)論如下：

1）原瀝青鋪裝層對(duì)鋼橋面各類疲勞細(xì)節(jié)基本無(wú)應(yīng)力改善效果，而鋪設(shè)UHPC層后，面板-U肋及面板-橫隔板相交處疲勞細(xì)節(jié)應(yīng)力降幅高達(dá)63%～85%，頂部過(guò)焊孔處疲勞細(xì)節(jié)應(yīng)力降幅約44%，橫隔板-U 肋交叉部位疲勞細(xì)節(jié)應(yīng)力降幅約41%.試驗(yàn)結(jié)果表明，鋪設(shè)UHPC 層對(duì)正交異性鋼橋面板各疲勞細(xì)節(jié)的應(yīng)力改善效果顯著.

2）在最不利荷載工況下，面板上測(cè)點(diǎn)細(xì)節(jié)1、細(xì)節(jié)8 橫橋向基本以壓應(yīng)力為主.其中，對(duì)于疲勞細(xì)節(jié)1 測(cè)點(diǎn)，當(dāng)荷載在橫橋向距測(cè)點(diǎn)約2 個(gè)U 肋時(shí)，該測(cè)點(diǎn)應(yīng)力驟降；而對(duì)于細(xì)節(jié)8 測(cè)點(diǎn)，當(dāng)荷載在橫橋向距測(cè)點(diǎn)約3 個(gè)U 肋時(shí)，該測(cè)點(diǎn)應(yīng)力仍未見(jiàn)顯著下降；當(dāng)車輪荷載沿橫橋向移動(dòng)時(shí)，U 肋上疲勞細(xì)節(jié)3會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力反號(hào)變化現(xiàn)象；頂部過(guò)焊孔處疲勞細(xì)節(jié)7 出現(xiàn)壓應(yīng)力的響應(yīng)范圍較小，而拉應(yīng)力的響應(yīng)范圍較大現(xiàn)象.

3）當(dāng)車輪荷載橫向位置固定而沿縱向位置移動(dòng)時(shí)，各疲勞細(xì)節(jié)的響應(yīng)規(guī)律不同.對(duì)于疲勞細(xì)節(jié)1，其應(yīng)力當(dāng)車輪荷載距測(cè)點(diǎn)兩個(gè)橫隔板（橫肋）之外時(shí)大幅衰減；對(duì)于疲勞細(xì)節(jié)3，其應(yīng)力響應(yīng)范圍較大，當(dāng)車輪荷載距測(cè)點(diǎn)3 個(gè)橫隔板（橫肋）之內(nèi)時(shí)應(yīng)力水平較高；而對(duì)于疲勞細(xì)節(jié)7和8，當(dāng)車輪荷載距測(cè)點(diǎn) 4 m以外時(shí)，其應(yīng)力基本不受影響.