橫隔板加載工況

車輪荷載每次沿橫向移動100mm，即可得5個橫向加載工況；縱向工況1～7以150mm為間距進(jìn)行車輛后移，縱向工況7～14以300mm為間距進(jìn)行車輛后移，共14個縱向加載工況。以左后輪為參考輪，加載方式示意見圖10，其余輪載位置按實(shí)際輪距和軸距布置，以確定最不利加載位置，并按照《公路鋼橋規(guī)》，考慮車輪在車道上的橫向位置概率。

對象選取與荷載施加

計(jì)算選用有限元軟件 ABAQUS6．14進(jìn)行。鑒于引發(fā)疲勞的正交異性橋面板輪載應(yīng)力大、影響范圍小，可選取2組吊索（2組斜拉索）之間長度12m的鋼箱梁段作為對象。邊界條件為約束鋼箱梁兩端，一端約束節(jié)點(diǎn)3個方向平動自由度，另一端僅約束節(jié)點(diǎn)豎向位移。產(chǎn)生疲勞裂紋的主要原因?yàn)閼?yīng)力幅，其計(jì)算荷載采用《公路鋼橋規(guī)》中的疲勞車輛荷載模型 ?？紤]橋面鋪裝的擴(kuò)散效應(yīng)，取輪載作用尺寸為0．3m×0．7m單元劃分

背景工程1的單元劃分

其鋼箱梁節(jié)段除關(guān)注部位外均采用板殼單元，關(guān)注部位（包括2道橫隔板，2個 U肋區(qū)間）采用實(shí)體有限元子模型。板殼單元區(qū)域網(wǎng)格尺寸為0．425m；實(shí)體單元區(qū)域平行板面網(wǎng)格尺寸為0．05m，重點(diǎn)關(guān)注部位平行板面網(wǎng)格細(xì)化到0．001m，橫隔板沿板厚度方向劃為4層。這種網(wǎng)格劃分，有限元結(jié)果已收斂。

背景工程2的單元劃分

其鋼箱梁節(jié)段除關(guān)注部位外均采用板殼單元。鑒于16～19U肋與橫隔板交叉連接部位出現(xiàn)疲勞裂紋較多（U肋編號見圖3，由超車道向慢車道依次編號），且疲勞裂紋多出現(xiàn)在10mm厚的非吊索處橫隔板上，16～19U肋與兩相鄰橫隔板交叉連接所包含部位（包括2道10mm橫隔板，4個 U肋區(qū)間）確定為關(guān)注部位，采用實(shí)體單元，其范圍長5m，寬2．4m。板殼單元區(qū)域網(wǎng)格尺寸為0．3m。

下面針對工程背景2，僅研究第1類病害的產(chǎn)生原因與補(bǔ)強(qiáng)方案。針對背景工程2第1類疲勞病害，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和定性分析，擬定下列6種補(bǔ)強(qiáng)方案進(jìn)行比較，以選擇最優(yōu)方案。方案 A：弧形切口優(yōu)化，優(yōu)化半徑為35mm；方案B：弧形切口優(yōu)化 雙面補(bǔ)強(qiáng)鋼板，鋼板上部距離頂板65mm，厚度10mm；方案C：弧形切口優(yōu)化 雙面補(bǔ)強(qiáng)鋼板，鋼板上部距離頂板85mm，厚度10mm；方案D：直接雙面加補(bǔ)強(qiáng)鋼板，鋼板上部距離頂板85mm，厚度10mm，補(bǔ)強(qiáng)鋼板兩側(cè)邊緣到U肋的距離由方案C的30mm變更為10mm；方案E：將方案B的補(bǔ)強(qiáng)鋼板厚度改為4mm；方案F：將方案B的補(bǔ)強(qiáng)鋼板厚度改為2mm。補(bǔ)強(qiáng)鋼板與橫隔板之間采用高強(qiáng)螺栓連接，螺栓之間的容許間距均滿足《公路鋼橋規(guī)》中不小于3d₀的要求（d₀為螺栓孔直徑），且順內(nèi)力方向或沿螺栓對角線方向至邊緣的最小距離不小于1．5d₀。經(jīng)檢驗(yàn)，摩擦面抗滑移系數(shù)均滿足規(guī)范要求，能有效保證接觸良好且無滑移。

該橋經(jīng)過9年左右的運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)了4類疲勞病害：橫隔板弧形切口處母材開裂，左幅箱梁（南行方向）82處，右幅箱梁（北行方向）39處，主要集中于重車道，位于車道輪跡線下方；縱隔板豎向加勁肋與橋面板的水平焊縫處開裂，全橋共12處。該病害由構(gòu)造不合理造成，較合理的構(gòu)造是將縱隔板豎向加勁肋上端切除（切除4～8cm長），使豎向加勁肋不與橋面板接觸； U肋與橫隔板連接焊縫處開裂，全橋共計(jì)5處。其中，下端圍焊焊趾處4處，豎向裂紋1處（發(fā)源于下端圍焊焊趾）；U肋間橋面板與橫隔板焊接處開裂，全橋共計(jì)3處。后兩類病害數(shù)量少，發(fā)展慢，且與焊接質(zhì)量有關(guān)，采取開坡口補(bǔ)焊或打磨重熔法處理即可。

1．1 新建背景工程（背景工程 ）

某新建獨(dú)塔斜拉橋雙向八車道，主梁采用 PK斷面鋼箱梁，其標(biāo)準(zhǔn)斷面高 ，寬 ，頂3．58m 40．54m板厚 ，底板厚 ，橫隔板厚 ，加強(qiáng)16mm 14mm 12mm橫隔板厚 ，中縱腹板厚 ，邊縱腹板厚16mm 14mm，橫隔板間距為 。正交異性橋面系的縱14mm 3m向 U 肋斷面尺寸為 ，中300mm×280mm×8mm心距為 。 肋、橫隔板、頂板兩兩相交的焊600mm U縫喉高 。

1．2 服役背景工程（背景工程2）

某懸索橋雙幅十車道，主跨鋼箱梁高3．5m，單幅寬20．468m（不含風(fēng)嘴）；標(biāo)準(zhǔn)斷面的頂板厚16mm，底板厚14mm，邊腹板厚16mm，實(shí)腹式縱隔板厚16mm。正交異性橋面系的縱向 U肋斷面尺寸為300mm×280mm×10mm中心距 為600mm。橫隔板間距為3．0m，非吊點(diǎn)處橫隔板厚10mm（全橋單幅90道），吊點(diǎn)處橫隔板厚12mm（全橋單幅共27道）。U肋、橫隔板、頂板兩兩相交的焊縫喉高6mm。橫隔板與U肋交界處的弧形切口。

該橋于2006年建成通車。通車后交通量大，雙幅達(dá)9．18×10veh·d（以2013年8月6日～15日連續(xù)10d觀測結(jié)果為樣本）；超載超限車輛相對較多，許多車單軸重超過25．5t，樣本周期內(nèi)右幅橋（北行方向）實(shí)測最大車重為132．7t。重車道和快車道均存在超載現(xiàn)象（車道位置見圖3），其中重車道2超載現(xiàn)象最為明顯，6．3%的車輛超載。

正交異性橋面板鋼箱梁在國內(nèi)外應(yīng)用廣泛，但疲勞問題突出。其常見病害有6種頂板與縱肋焊縫位置開裂； 縱肋接頭位置焊縫開裂；肋間橋面板與橫隔板焊縫開裂； 腹板垂直加勁肋與面板連接焊縫開裂； U 肋與橫隔板連接焊縫處開裂； 遠(yuǎn)離 U 肋焊縫下端的弧形切口起弧點(diǎn)附近區(qū)域橫隔板母材開裂。隨著疲勞研究的不斷深入、制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，疲勞細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)與規(guī)范規(guī)定得到了不斷改進(jìn)。如：閉口縱肋與面板的焊接由 “貼面焊接”逐漸改進(jìn)為熔透深度達(dá)到縱肋壁厚的75%或80%的焊接；取消縱肋與面板連接焊縫通過橫肋時的過焊孔；改進(jìn)閉口縱肋連接嵌補(bǔ)段的鋼襯墊板的平整契合度；取消主梁腹板豎向加勁肋與頂板的連接等；頂板厚由（如虎門大橋 ）增加到 14mm （如西堠門大橋），甚至16mm（如嘉紹大橋）或18mm（港珠澳大橋） 。上述方案使得產(chǎn)生前5種疲勞裂紋的概率大大減小，有的甚至完全消除。第6種疲勞病害位置（即與 U 肋鄰近的弧形切口處）橫隔板母材輪載應(yīng)力為壓應(yīng)力界傳統(tǒng)認(rèn)知認(rèn)為：壓－壓循環(huán)不會引起疲勞，也無需疲勞驗(yàn)算形（或稱次應(yīng)力）所致 。但橫隔板厚度薄、面外變形應(yīng)力幅小，橫隔板弧形切口處母材疲勞不考慮膜壓應(yīng)力幅影響，僅為面外反復(fù)變形所致的結(jié)論難以令人信服。相關(guān)規(guī)范打折（如6折）計(jì)算，而壓－壓循環(huán)時可不驗(yàn)算疲勞 ”也存在邏輯上的不足。與“循環(huán)荷載下壓應(yīng)力較大，拉應(yīng)力接近0與不出現(xiàn)拉應(yīng)力2種情形的疲勞性能不應(yīng)存在突變”的常識相悖。疲勞驗(yàn)算壓應(yīng)力幅打折（如6折）考慮應(yīng)可拓展應(yīng)用到壓－壓循環(huán)。

事實(shí)上，機(jī)械工程領(lǐng)域已對金屬材料進(jìn)行了壓－壓循環(huán)的疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了壓－壓疲勞現(xiàn)象和壓－壓對疲勞壽命的影響規(guī)律，并認(rèn)為，壓縮塑性區(qū)（微?。┑男纬墒钱a(chǎn)生壓－壓疲勞的必要條件 [9]。這或許從另一角度說明，壓－壓循環(huán)疲勞驗(yàn)算，壓應(yīng)力幅打折具有合理性。新頒布的《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD64—2015）（以下簡稱 《公路鋼橋規(guī)》）的正交異性橋面板疲勞驗(yàn)算采用損傷效應(yīng)系數(shù)、交通流量系數(shù)、設(shè)計(jì)壽命影響系數(shù)等，其取值未見嚴(yán)格論證，是否合理或在合理區(qū)間值得檢驗(yàn)。前5種病害處治相對簡單和成熟，一般采用開坡口補(bǔ)焊或者打磨重熔或者切除連接，嚴(yán)重者再進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)或改進(jìn)鋪裝層。第6種病害即橫隔板弧形缺口疲勞裂紋，則可采用“弧形切口優(yōu)化”（裂紋較短者）或者“止裂孔 弧形切口優(yōu)化 補(bǔ)強(qiáng)鋼板”的加固方式（裂紋較長者）補(bǔ)強(qiáng)。“弧形切口優(yōu)化”或者弧形切口形狀對疲勞的影響研究較多，本文不再詳述，將直接給出優(yōu)化后的弧形切口形式，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析。提出了在正交異性鋼橋橋面上添加第2塊鋼板的加固技術(shù)，以提高其抗疲勞性能。然而，補(bǔ)強(qiáng)鋼板平面尺寸與厚度的變化對加固效果及附近區(qū)域應(yīng)力影響未見相關(guān)報道。

本文擬結(jié)合 2 個背景工程（包括服役近 10 年的某橋），通過輪載應(yīng)力分析和不同規(guī)范驗(yàn)算比較，研究新頒布的《公路鋼橋規(guī)》正交異性橋面板疲勞驗(yàn)算相關(guān)系數(shù)取值的合理性；通過服役背景工程的疲勞細(xì)節(jié)、交通載荷、病害特征、輪載應(yīng)力結(jié)果等信息匯集，揭示橫隔板弧形切口處母材疲勞開裂機(jī)理；通過分析補(bǔ)強(qiáng)鋼板厚度、其邊緣距頂板和 U 肋的距離等對加固附近區(qū)域應(yīng)力的影響規(guī)律，以及2種弧形切口形狀輪載應(yīng)力結(jié)果的對比，確定合理的補(bǔ)強(qiáng)細(xì)節(jié)尺寸。

4．1 橫隔板弧形切口處母材輪載應(yīng)力與抗疲勞特性

改進(jìn)補(bǔ)強(qiáng)方案

（1）最不利應(yīng)力結(jié)果

計(jì)算表明：橫向2、縱向5為最不利加載工況；各加固方案弧形切口處應(yīng)力值均明顯降低，方案E加固效果最佳。按照疲勞壽命與應(yīng)力幅的立方成反比的關(guān)系，方案 A的疲勞壽命延長至原來的4．96倍，方案 E的疲勞壽命延長至原來的17．12倍。在優(yōu)化弧形切口方案中，隨切口圓弧與U肋交點(diǎn)的切線與 U肋腹板的夾角減小，母材輪載膜壓應(yīng)力幅值有所降低，此處限于篇幅，不予贅述。方案B的基于《公路鋼橋規(guī)》的驗(yàn)算結(jié)果。由上可見：背景工程1和背景工程2補(bǔ)強(qiáng)方案B的《公路鋼橋規(guī)》疲勞驗(yàn)算結(jié)論與鐵路規(guī)范驗(yàn)算結(jié)論完全不同；背景工程2的《公路鋼橋規(guī)》疲勞計(jì)算壽命遠(yuǎn)小于實(shí)際壽命，且實(shí)際交通載荷遠(yuǎn)大于規(guī)范疲勞荷載；背景工程1的構(gòu)造細(xì)節(jié)為目前通用等。據(jù)此，筆者初步推斷：《公路鋼橋規(guī)》的損傷效應(yīng)系數(shù)取值或許偏大，這將使設(shè)計(jì)的材料耗費(fèi)增加，其取值值得商榷。

（2）橫隔板弧形切口處母材的應(yīng)力改善規(guī)律與受力模式

加固方案 B，C分別采用距離頂板65，85mm的補(bǔ)強(qiáng)鋼板，弧形切口處最大壓應(yīng)力分別為－80．2MPa和－78．4 MPa僅相差1．8MPa可知采用2種距頂板不同高度的補(bǔ)強(qiáng)鋼板對弧形切口處的應(yīng)力影響很小。

加補(bǔ)強(qiáng)鋼板后弧形切口處出現(xiàn)了2個應(yīng)力集中區(qū)（圖13中的位置a和位置b），且均為受壓區(qū)。位置a位于弧形切口與補(bǔ)強(qiáng)鋼板邊緣交界處，位置b位于弧形切口起弧點(diǎn)附近。圖14表明：加固方案B，C中（補(bǔ)強(qiáng)鋼板厚10mm）位置a的最大壓應(yīng)力比位置b大40MPa左右；加固方案E（補(bǔ)強(qiáng)鋼板厚4mm）中位置a和位置b的應(yīng)力基本接近；加固方案F（補(bǔ)強(qiáng)鋼板厚2mm）中位置a的最大壓應(yīng)力比位置b小18．5MPa。可知隨補(bǔ)強(qiáng)鋼板厚度減小，位置a的應(yīng)力逐漸減小，位置b的應(yīng)力逐漸增大；加固方案E（補(bǔ)強(qiáng)鋼板厚4mm）中位置a主壓應(yīng)力為－67．2MPa，位置b主壓應(yīng)力為－63．3MPa，兩位置應(yīng)力基本接近，弧形切口處應(yīng)力峰值最小，為最優(yōu)加固方案。

為進(jìn)一步了解弧形切口處的受力模式，將橫隔板近荷載端表面稱為近端面，遠(yuǎn)荷載端表面稱為遠(yuǎn)端面。對各方案，荷載分別作用于縱向位置5（中后軸縱向?qū)ΨQ橫隔板加載）和縱向位置13（中軸位于兩橫隔板正中間）時弧形切口處3個面（中面、近端面、遠(yuǎn)端面）的受力做比較。

計(jì)算表明：當(dāng)中后軸縱向?qū)ΨQ橫隔板加載時，原設(shè)計(jì)與方案 A（弧形切口優(yōu)化后）3個面的應(yīng)力差值基本為0，方案B～D（加補(bǔ)強(qiáng)鋼板后）在弧形切口與補(bǔ)強(qiáng)鋼板邊緣交界處20mm范圍內(nèi)，由于板厚突變，原橫隔板母材的表面與中心面存在一定應(yīng)力差值，其中方案B原板表面應(yīng)力比中心面大20MPa左右，方案E表面應(yīng)力比中心面大10MPa左右；當(dāng)中軸位于兩橫隔板正中間時，原設(shè)計(jì)與方案 A（弧形切口優(yōu)化后）3個面的應(yīng)力差值均在5MPa以內(nèi)，方案B～D（加補(bǔ)強(qiáng)鋼板后）在弧形切口與補(bǔ)強(qiáng)鋼板邊緣交界處30mm范圍內(nèi)原橫隔板母材的兩表面存在一定應(yīng)力差值，方案B近端面與遠(yuǎn)端面應(yīng)力差值為19．6MPa，為主應(yīng)力值的53．7%，方案E近端面與遠(yuǎn)端面應(yīng)力差值為9．55MPa，為主壓應(yīng)力值的33．3%。

由以上分析可知：方案 A較原設(shè)計(jì)有較大應(yīng)力改善，疲勞壽命可由原來的9年延長至80年；補(bǔ)強(qiáng)鋼板高度在一定范圍變化對弧形切口周邊應(yīng)力影響不大；補(bǔ)強(qiáng)鋼板厚度宜取為 4mm，為原板厚的1/2．5～1/2（過厚，可能在補(bǔ)強(qiáng)板邊緣處母材上形成新的疲勞敏感點(diǎn)）；原設(shè)計(jì)與方案 A弧形切口處因面外變形引起的應(yīng)力均很?。患友a(bǔ)強(qiáng)鋼板后在弧形切口與補(bǔ)強(qiáng)鋼板邊緣交界處因面外變形引起的應(yīng)力相對較大，且隨鋼板厚度減小而減?。话搴裢蛔兲?，即使是關(guān)于橫隔板中面的對稱載荷，沿板厚方向也有較大的面內(nèi)應(yīng)力差。

4．3 背景工程2各方案橫隔板與橋面板連接處輪載應(yīng)力與抗疲勞特性

4．3．1 橫隔板與橋面板連接處的橫隔板焊趾位置橫向2、縱向1為各方案橫隔板與橋面板連接處橫隔板焊趾出現(xiàn)最大主拉應(yīng)力的加載工況；橫向3、縱向1則為出現(xiàn)最大主壓應(yīng)力與最大Mises應(yīng)力的加載工況。采用距焊趾0．4d和1．0d的應(yīng)力線性外推，即可得出各方案橫隔板上焊趾處的熱點(diǎn)應(yīng)力值，見圖20。原設(shè)計(jì)遠(yuǎn)端面上熱點(diǎn)應(yīng)力為7．2MPa，近端面上為6．9MPa，切口形狀不變的方案D遠(yuǎn)端面上熱點(diǎn)應(yīng)力為8．4MPa，近端面上為7．9MPa，邊緣尚有一定距離的雙面加補(bǔ)強(qiáng)鋼板對該處應(yīng)力幾乎沒有影響；方案B與方案C該處應(yīng)力基本相等、方案E和方案F較方案B相應(yīng)應(yīng)力變化很小等也印證了這一結(jié)論；僅弧形切口優(yōu)化（增大半徑）的方案 A遠(yuǎn)端面上焊趾處熱點(diǎn)應(yīng)力為18．0MPa，近端面上為17．6MPa，較原設(shè)計(jì)增加了1倍以上，弧形切口半徑增大，橫隔板削弱，顯著導(dǎo)致了相應(yīng)應(yīng)力增大。原設(shè)計(jì)和6種加固方案橫隔板與橋面板連接處橫隔板上熱點(diǎn)應(yīng)力都在20MPa以下，均滿足AASHTO：2010中的C級疲勞等級和中國規(guī)范要求。

4．3．2 橫隔板與橋面板連接處的橋面板焊趾位置橫向2、縱向1（既橫隔板正上方）為各方案橫隔

板與橋面板連接處橋面板受力最不利加載工況。橫隔板與橋面板連接處橋面板焊趾位置按上述方法線性外推所得頂面受拉應(yīng)力（熱點(diǎn)應(yīng)力）、底面受壓應(yīng)力、各方案頂?shù)酌孀畈焕麘?yīng)力見圖21。由圖21可見，各方案橫隔板與橋面板連接處橋面板頂面主拉應(yīng)力基本沒變，底面主壓應(yīng)力有一定程度增加，但應(yīng)力值都很小。均滿足 AASHTO：2010中的 C級疲勞等級和中國規(guī)范要求。

（1）《公路鋼橋規(guī)》疲勞驗(yàn)算損傷效應(yīng)系數(shù)取值或許偏大，將過多地增加不必要的材料耗費(fèi)，其取值值得商榷。當(dāng)然，來自歐洲規(guī)范（Eurocode3）規(guī)定的合理性尚有待更多實(shí)際橋梁正交異性橋面板橫隔板疲勞統(tǒng)計(jì)結(jié)果的驗(yàn)證。

（2）橫隔板弧形切口處母材的輪載應(yīng)力主要為膜壓應(yīng)力；“輪載壓應(yīng)力幅耗費(fèi)壓_－壓循環(huán)的橫隔板母材疲勞壽命，面外反復(fù)變形最終導(dǎo)致其疲勞開裂”的推論與“橫隔板與U肋焊接或者其熱加工在弧形切口遠(yuǎn)離 U肋的起弧點(diǎn)附近引起了較大的殘余拉應(yīng)力，從而使得輪載應(yīng)力的壓_－壓循環(huán)，變?yōu)閷?shí)際的拉_－壓循環(huán)而引起疲勞破壞”推論，哪種更符合實(shí)際有待進(jìn)一步研究。

（3）弧形切口形狀對橫隔板與U肋連接處及橫隔板母材輪載應(yīng)力及其峰值影響較大；服役背景工程橫隔板弧形切口半徑10mm太小，需適度增大（如35mm），且其與U肋交點(diǎn)的切線與U肋腹板的夾角宜盡可能小。

（4）在服役背景工程中，橫隔板母材裂紋較短者（優(yōu)化后，裂紋自然切除）可采用“弧形切口優(yōu)化”的處治方案；較長者可采用“止裂孔 弧形切口優(yōu)化 雙面補(bǔ)強(qiáng)鋼板”的處治方案。

（5）補(bǔ)強(qiáng)鋼板對補(bǔ)強(qiáng)以外稍遠(yuǎn)部位（如板厚2～3倍以上）的應(yīng)力影響可忽略。補(bǔ)強(qiáng)鋼板尺寸可全橋統(tǒng)一：其邊緣距頂板可取65mm（應(yīng)覆蓋裂紋全長），距 U肋宜取30mm（原板厚的3倍，若太近，會導(dǎo)致橫隔板與 U肋連接焊縫處應(yīng)力增大）；厚度宜取為4mm（原板厚1/2．5～1/2，若過厚，將在補(bǔ)強(qiáng)鋼板邊緣處母材上形成新的疲勞敏感點(diǎn)）。 2100433B

短樁橫隔板支撐是建筑行業(yè)術(shù)語。打入小短木樁或鋼樁，部分打入土中，部分露出地面，釘上水平擋土板，在背面填土、夯實(shí)。

適于開挖寬度大的基坑，當(dāng)部分地段下部放坡不夠時使用。

《建筑工程管理與實(shí)務(wù)》2100433B