大纵肋正交异性-PBL剪力键桥面板疲劳性能分析

罗如登，屈植锋，王正阳，朱志辉，刘泽

大纵肋正交异性-PBL剪力键桥面板疲劳性能分析

罗如登，屈植锋，王正阳，朱志辉，刘泽

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

传统正交异性钢桥面板因优点众多而得到广泛应用，但也存在构造复杂、焊缝较多、疲劳问题突出等难题。为改善正交异性钢桥面板的静力及疲劳性能，提出一种新型大纵肋正交异性-PBL剪力键组合桥面板。这种新型正交异性桥面板通过增大纵肋尺寸，减少纵肋数量，在钢桥面板上方焊接PBL剪力键替代传统栓钉剪力键，来提高桥面板局部刚度，减少焊缝数量，从而达到改善其静力和疲劳性能的目的。以某既有斜拉桥正交异性钢桥面板为例，采用有限元软件Midas/Civil和ANSYS对新型正交异性桥面板和传统正交异性钢桥面板的静力性能和疲劳性能进行对比仿真分析。研究结果表明：本文提出的新型正交异性桥面板静力性能和疲劳性能较传统正交异性桥面板更为出色。

正交异性钢桥面板；大纵肋；PBL剪力键；疲劳性能

正交异性钢桥面板，就是钢板下面焊接横隔板及纵肋，上设铺装层的桥面板，其纵肋常有开口肋和闭口肋2种形式[1]。自正交异性钢桥面板问世，虽然因其拥有众多优点而广泛应用于桥梁工程，但依然存在众多缺点，如最早在大跨度钢桥上发现正交异性钢桥面板疲劳开裂却通车运营仅5 a英国Severn桥；1979年建成通车的韩国圣水大桥，仅服役15 a就因为采用的钢材发生疲劳破坏而中部断塌，造成严重人员伤亡和经济损失；1997年建成的中国虎门大桥，其钢箱梁由于过往车辆超载严重、钢箱梁焊接缝应力集中等原因，通车仅6 a钢箱梁桥面板就出现纵向裂缝。近些年来，传统方案逐渐暴露出了许多问题，其焊缝众多、应力集中程度高、混凝土结构层抗裂性能不足[2]。因此，近年来国内外的学者和工程技术人员对传统正交异性钢桥面板在材料和结构方面提出了各种改进措施。叶华文等[3]提出一种大尺寸、大间距U肋的新型钢-混组合桥面板，该桥面板采用大U肋配合栓钉剪力连接件与混凝土层共同组合受力，经试验验证，该新型组合桥面板有效降低了各疲劳易损部位的应力幅。张清华等[4]提出新型波形顶板—UHPC组合桥面板，这种构造消除了顶板-U肋焊缝、U肋-横隔板连接焊缝、取消了横隔板开孔自由边，用波形顶板—UHPC层结构代替顶板-U肋构造，理论论证了此新型钢桥面板能够显著减少焊缝数量并显著降低结构的应力集中程度。Roman[5]提出直接用热轧出来的型钢来代替钢板冷压成型的纵肋，加厚钢桥面板，加大纵肋间距的同时增加纵肋高度，进而加大横梁间距，其结果是肋和横梁的数目都得到减少，与此同时加工量就得到极大降低，焊缝数量也可得到极大减少，但是对纵肋没有任何改进。本文以某既有公轨两用桥斜拉桥为工程背景，提出了一种新型大纵肋正交异性-PBL剪力键组合桥面板，并和传统正交异性钢桥面板进行了静力性能和疲劳性能的对比仿真分析，研究了2种方案的整体静力性能、疲劳易损细节应力幅和疲劳寿命，为正交异性钢桥面板结构型式研究提供参考。

1 工程背景

本文以某既有公轨两用斜拉桥为工程背景，采用双塔双索面形式，主塔单侧单索面共14根斜拉索，全桥拉索共计224根。索塔采用宝塔型，分为锚索段、中塔柱、下塔柱。孔跨布置为(216.5+464+ 216.5) m，主梁采用板桁组合结构，标准节段如图1所示。钢桁梁采用Q345qD钢材，弹性模量为210 GPa，容重为7.85 g/mm3。一个钢桁梁完整节段包括以下构造：上弦杆、中纵梁、边纵梁、桥面系横梁、主桁腹杆、下弦杆、下横梁、下平纵联、斜拉杆等。全桥钢桁梁共分为61个节段，标准节段长度为16 m，非标准节段长12 m，桥面全宽37 m，中心桁高12.36 m，桁架底宽16.5 m。

图1 钢桁梁标准节段模型

公轨上下桥面系均采用正交异性钢桥面板(后称传统方案)，具体设计参数见表1。

以该桥传统正交异性钢桥面板为基础，根据用钢量基本不变的原则，并参考一些相关文献[6-7]，设计出一种新型大纵肋正交异性-PBL剪力键组合桥面板(后称新型方案)，具体设计参数见表2，构造图见图2，传统方案与新型方案构造对比图见图3。

表1 传统方案正交异性钢桥面板主要设计参数

表2 新型方案正交异性钢桥面板主要设计参数

图2 新型方案构造图

(a) 传统方案；(b)新型方案

2 有限元对比分析

为了全面对比分析2种方案的静力性能和疲劳性能，本文利用有限元软件从全桥整体受力性能对比分析和局部疲劳性能对比分析两方面进行对比分析研究。

2.1 整体分析

利用Midas/Civil 2017建立2种方案的全桥空间有限元模型，2种模型中主桁杆件、纵梁、横梁、纵肋和索塔等采用梁单元，钢桥面板采用板单元，斜拉索采用桁架单元，传统模型共计69 373个单元；新型模型中，PBL剪力键采用梁单元，共计67 481单元。Midas全桥模型见图4。

对2种模型计算对比恒载和活载作用下的位移和应力，恒载工况考察一期恒载结构自重和二期恒载桥面铺装，活载工况考察以下工况：

工况1：6车道公路活载+双线铁路B型车活载；

工况2：6车道公路活载+双线市郊列车活载；

工况3：6车道公路活载+一线市郊列车及一线铁路特殊活载。

图4 Midas全桥模型

2.2 疲劳分析

疲劳分析取整体受力分析中受力最不利的2个节间的公路桥面，纵向长2×16 m，包括9道横隔板，横向取桥面宽度33.8 m，建立局部精细有限元模型，如图5所示。2种模型中，钢结构采用shell181单元，混凝土采用solid65单元，钢材采用Q345qD，弹模为2.1×105MPa，泊松比=0.3；混凝土采用C50，弹模为3.45×104MPa，泊松比=0.2。模型中认为混凝土和桥面板之间完全粘结，混凝土和钢顶板间的栓钉通过combin39单元来模拟，局部模型网格划分后通过在混凝土和钢顶板重合节点处建立弹簧单元并定义combin39单元的荷载-位移曲线来模拟栓钉的作用。在大U肋组合桥面板局部模型中，贯通钢筋采用solid45单元，其余同传统U肋组合桥面板，模型中不考虑混凝土和贯通钢筋之间的相对滑移，认为贯通钢筋和混凝土，混凝土和桥面板之间完全黏结。在局部模型中，代表横桥向、代表纵桥向、代表竖向。局部模型中的边界条件从整体模型中提取后施加，对下述的各疲劳工况进行分析计算。已有的研究[8-9]表明车辆荷载对正交异性钢桥面板造成疲劳损伤最大的车道来自重车道，故在进行工况设计时选取重车道为计算对象，纵向加载选取2个斜拉索间的标准节段，如图6所示。

(a) 新型方案；(b) 传统方案

图6 局部模型加载区域

疲劳荷载工况：

疲劳荷载采用我国JTG D64—2015[10]规范中给出的用于桥面系疲劳验算的标准疲劳车，具体见 图7。

(a) 立面图；(b) 俯视图

为确定疲劳车辆荷载作用下2种方案各个疲劳验算细节最不利荷载位置，需要设计多种荷载工况。工况设计方法参考相关文献[11-12]，2种方案设置相同的工况，共设计36种工况，横向包含6个荷载工况，纵向包含6个荷载工况。坐标原点及，和坐标(方向、加载)示意图见图8。

(a) 纵向加载位置；(b) 横向加载位置

3 有限元对比分析结果

3.1 整体静力性能对比分析结果

静力性能对比分析中，分别给出了2种方案在活载、恒载作用下全桥的应力、挠度，由于附加力荷载本身对全桥影响较小，在此不列出其计算 结果。

通过表3和表4可以得出2种组合桥面板方案整体受力性能基本一致。

3.2 局部疲劳性能对比分析结果

在正交异性钢桥面板的发展和应用过程中，人们通过大量的工程实践和理论分析总结出传统的正交异性钢桥面板存在4类疲劳易损细节[7]：①纵肋-顶板连接焊缝钢顶板开裂点；②纵肋-横隔板连接焊缝纵肋开裂点；③横隔板弧形切口部位；④纵肋底部对接焊缝。对新型方案而言，⑤PBL键与钢桥面板的焊接处也极可能是一个疲劳易损细节。这5类疲劳易损细节具体见图9。

通过对3.2中的多种工况进行对比分析，可以确定2种方案的各个疲劳易损细节最不利荷载位置，确定出了最不利荷载位置后，使用JTG D64—2015规范[10]标准疲劳车后轴在每一疲劳细节的最不利荷载位置进行纵向加载，进而可以求得每一疲劳易损细节的应力历程曲线，从而确定出最大应力幅。

表3 恒载作用下2种方案应力及挠度值

表4 活载作用下2种方案应力及挠度值

图9 正交异性钢桥面板疲劳易损细节

表5 各疲劳易损细节最大应力幅

根据美国AASHTO规范规定[13]，新型方案细节①，②最大应力幅均超过了常幅疲劳强度极限52.63 MPa，传统方案细节②超过了常幅疲劳强度极限，故需要对以上疲劳易损细节进行疲劳寿命 计算。

在考虑了车轮横向位置概率分布后[10]，可计算得到2种桥面板方案各疲劳细节的多条应力历程曲线，利用雨流计数法统计得到了各疲劳细节的应力幅频值谱，如表6～8所示。

表6 新型方案细节①热点应力幅频值谱

在疲劳寿命评估时，不考虑低于美国AASHTO规范C(FAT90)级S-N曲线[13]疲劳截止限33.2MPa的应力幅带来的疲劳损伤，疲劳寿命按线性疲劳累积损伤理论，采用较为普遍的线性累积损伤Palmgren-Miner准则计算[14]，疲劳损伤与荷载循环次数比成正比关系：

式中：为疲劳易损部位所能承受的最大能量；为疲劳易损部位所能承受的最大循环次数；1为疲劳易损部位经历1次循环所吸收的能量。

表7 新型方案细节②热点应力幅频值谱

表8 传统方案细节②热点应力幅频值谱

若构件以往受到的荷载是1，2，…，σ，个不同的应力幅组成，相应的各应力幅下的疲劳寿命依次1，2，…，N，各应力幅下的循环次数依次为1，2，…，n，则可以求出疲劳损伤，计算公式见式(2)。

正交异性钢桥面板的疲劳寿命是由疲劳寿命最小的疲劳易损细节决定的，从2种方案疲劳寿命结果来看，新型方案可以比传统方案多承受232万次疲劳车加载，疲劳寿命提升了31.5%。

表9 2种方案疲劳寿命计算结果

4 结论

1) 全桥整体分析表明新型方案整体受力性能与传统方案基本一致。

2) 静力分析结果表明，新型方案的应力绝对值小于传统方案。

3) 疲劳计算分析表明，新型方案各细节中最大应力幅为55.53 MPa，传统方案各细节中最大应力幅为59.08 MPa。

4) 疲劳寿命评估表明，新型方案比传统方案疲劳寿命多232万次，疲劳寿命提升了31.5%，新型方案疲劳性能更好。

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Research on mechanical performance of a new type of large longitudunal rib orthotropic—PBL shear connectors composite bridge deck

LUO Rudeng, QU Zhifeng, WANG Zhengyang, ZHU Zhihui, LIU Ze

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

The traditional orthotropic steel deck has been widely used because of its many advantages, but there are also some problems such as complicated structure, many welds and prominent fatigue problems. In order to improve the static and fatigue performance of orthotropic steel deck, a new type of large longitudinal rib-PBL shear bond composite orthotropic steel deck was proposed in this paper. The new type of orthotropic steel deck can improve the local stiffness of the deck and reduce the number of welds by increasing the size of the longitudinal ribs, reducing the number of longitudinal ribs, and welding PBL shear bond over the steel deck instead of the traditional shear studs, so as to improve the static and fatigue performance of the deck. In this paper, taking the orthotropic steel deck of an existing cable-stayed bridge as an example, the finite element software Midas/Civil and ANSYS were used to compare the static and fatigue performance of the new type of orthotropic steel deck with the traditional orthotropic steel deck. The analysis results show that the static and the fatigue performance of the new type of orthotropic steel deck proposed in this paper is better than those of the traditional orthotropic steel deck.

orthotropic steel deck; large longitudinal rib; PBL shear bond; fatigue performance

TU398

A

1672 - 7029(2020)11 - 2849 - 08

10.19713/j.cnki.43-1423/u.T20200033

2020-01-10

国家自然科学基金面上项目(51678576)

罗如登(1973-)，男，湖南长沙人，副教授，博士，从事桥梁工程研究；E-mail：397800785@qq.com

(编辑 蒋学东)