超大跨径斜拉桥钢结构疲劳监测与评估

何 江

（中国中铁七局集团第三工程有限公司，陕西咸阳 712000）

0 前言

钢桥或组合桥梁在交通荷载反复作用下，将使钢构件产生疲劳，当疲劳损伤达到一定程度时，将会威胁桥梁结构的整体安全性。目前针对钢桥的疲劳设计和评估，广泛采用的是基于S-N曲线的名义应力法。但使用的S-N曲线必须与特定的焊接细节相对应，由于有效的疲劳试验数据极其匮乏，难以建立众多焊接细节的疲劳寿命S-N曲线，设计时又常存在判断焊接细节类型的混乱，甚至误判和错判。目前，在钢结构桥梁疲劳状况评估中，对于疲劳应力谱的建立，可采用的方法有两种：一是通过对交通量的调查或预测，根据所得各类车型荷载参数模拟桥梁疲劳荷载谱，计算得到疲劳应力谱；二是在桥梁较易发生疲劳破坏的位置布置测量元件，测试正常运营期间各测点的疲劳应力历程，再基于雨流计数获得疲劳应力谱。由于疲劳荷载谱法是建立在对交通量调查和预测的基础上的，其所得结果往往与正常运营期间的实际疲劳应力谱相差甚远[1]。

因此，如何通过在关键位置布点测试应力历程，获得苏通大桥运营期间的疲劳应力谱是实现其疲劳状况评估的首要问题。本文通过现场测试并结合详细的理论计算分析，掌握超大跨径斜拉桥钢结构的疲劳状况，为大桥的养护管理提供必要的技术依据。

1 工程背景

某斜拉桥为：100 m+100 m+300 m+1088 m（中跨）+300 m+100 m+100 m的双塔双索面钢箱梁斜拉桥，主梁采用扁平流线形钢箱梁。顶板在顺桥向不同区段采用了14～24 mm不同的厚度，横桥向靠近外腹板2.55 m范围内采用了20 mm、24 mm两种厚度，顶板设置了8～10 mm厚的U型加劲肋；底板在顺桥向不同区段采用了12～24 mm不同的厚度，并设置了6～8 mm厚的U型加劲肋。钢箱梁内设置了横隔板，其标准间距为400 cm。非吊点处横隔板一般为10 mm厚，拉索吊点处横隔板采用变厚度，即外腹板附近为16 mm厚、中间为12 mm厚。钢箱梁内设置两道纵隔板，除竖向支承区、压重区和索塔附近梁段采用实腹板式外，余均为桁架式。斜拉索在主梁上的锚固采用锚箱式，锚箱安装在主梁腹板外侧，并与其焊成一体。主梁采用Q370qD和Q345qD钢材，钢材屈服强度及其相关容许应力随板厚变化根据GB/T714－2000规定执行。索塔采用倒Y形混凝土塔，上塔柱为对称单箱单室断面，壁厚在斜拉索锚固面为100 cm，非锚固面为120 cm。斜拉索在索塔上的锚固，第1～3对直接锚固在上塔柱的混凝土底座上，其他采用钢锚箱锚固。钢锚箱包裹在上塔柱混凝土中。钢锚箱采用节段制作，节段长711.8～851.7 cm，宽 240 cm，高 230～355 cm，节段间采用高强螺栓连接；钢锚箱与索塔之间侧向接触面采用剪力钉连接，最下端直接支撑于混凝土底座上。

2 疲劳监测点布设与测试内容

2.1 测试部位与测试内容

根据大桥整体和局部受力分析以及动静载试验结果[2]，并考虑到测试的经济性，选择以下部位作为测试区域：（1）中跨钢箱梁板厚变化及U肋厚度最小处（S1，距北塔332.8 m），该部位U肋厚度最小、钢板厚度变化，且动静载试验中其实际应力大于设计计算值。（2）中跨拉索应力变化较大的J33索处上游钢锚箱（S2），J33索是最大索力之一，拉索索力变化较大；该索梁锚固区各部位（含联结腹板）的应力与计算应力水平相当，但实际应力分布规律与现有理论分析模型的计算结果存在一定的差异。（3）北塔钢锚箱（S3，对于2#索），是典型的索塔钢锚箱，是关键受力部位之一。测试断面布置如图1所示。

图1 测试断面布置示意图（单位：cm）

测试内容包括：（1）钢箱梁顶、底板与U肋焊接节点焊缝周围：顶、底板应力及U肋应力；（2）索梁钢锚箱承压板与箱梁外腹板焊缝周围：承压板及外腹板的应力；（3）索梁钢锚箱上、下锚固板与箱梁外腹板焊缝周围：锚固板及外腹板的应力；（4）索塔钢锚箱底板和腹板的应力。

2.2 测点布置

在钢箱梁测试断面S1的上下游分别选择纵隔板附近的顶板U肋及底板U肋作为测试区域，测点布置[3]如图2所示。

图2 底板及底板U肋测点布置示意图

考虑到斜拉索索力最终是通过钢锚箱的承压板、上锚固板及下锚固板与箱梁外腹板的焊缝传递给外腹板，索梁锚固区钢锚箱的测点主要沿着焊缝的纵向布置；在钢锚箱底板和腹板上分别布置三向应变花，同时沿着两板件的竖向焊缝布置垂直于焊缝方向的单向应变片（见图3）。

图3 索梁及索塔锚固区测点布置示意图(单位：mm)

3 监测结果分析

3.1 应变时程分析

对斜拉桥钢箱梁、索梁锚固区钢锚箱，以及索塔锚固区钢锚箱等关键部位分别进行了连续48 h的疲劳应力监测。图4为各关键部位不同时刻的应变历程。由图4可知：上午9点到下午5点，应变峰值较其他时间段内要大，且应变出现峰值的次数较多；钢箱梁靠近焊缝的测点应变大于远离焊缝的测点，反映出焊缝附近的应力集中效应；钢箱梁的应力水平明显大于索梁、索塔锚固区的钢锚箱。钢箱梁的应变值基本在40με以内，但在某瞬时应变值能达到120με以上，突显出重车对桥梁结构的影响远大于一般车辆；索塔锚固区钢锚箱应力水平较低，应变值基本都在15με以内。

3.2 应力幅谱分析

对钢箱梁、钢锚箱分别取其连续24 h的应变监测数据作为考察对象，基于雨流计数法编制程序对应力时程进行统计计数，获得大桥正常运营期间钢箱梁和钢锚箱1 d的应力谱。表1为钢锚箱主要测点的应力幅及相应的循环次数。在表1中，虽然钢箱梁顶板测点的最大应力幅达到50 MPa以上，但其作用次数只有四次，其他高应力幅值的循环次数也较少，因此，为了方便比较，图5、图6只列出钢箱梁主要测点2～10 MPa之间循环次数较多的应力幅。

从表1和图5、图6可看出：

（1）随着应力幅的增大，钢箱梁顶板各应力幅的循环次数降低，但横向应力幅降低的速度快于纵向应力幅。相同应力幅下，横向应力幅的循环次数小于纵向应力幅的循环次数。这是由于横桥向主梁受到塔梁间横向抗风支座的约束作用，而纵向只有带限位功能的阻尼器，较横向更自由。顶板和U肋腹板的应力幅值较大，顶板最大应力幅值达到56.7 MPa，U肋腹板达到35.4 MPa。根据英国规范BS5400[4]关于钢桥焊接细节的分类，U形加劲肋贴角焊缝属于W级，其疲劳极限值为25 MPa。因此，钢箱梁顶板和U肋腹板的最大应力幅值均已超过了该细节不发生疲劳损伤的极限值，在车载的累积作用下，该部位易出现疲劳裂纹，需进一步进行疲劳状况评定。

图4 关键部位24 h典型应变历程图示

表1 各主要测点应力幅频次一览表

图5 钢箱梁顶板应力谱柱状图

图6 钢箱梁底板应力谱柱状图

（2）与顶板类似，相同应力幅下，钢箱梁底板横向应力幅的循环次数也小于纵向应力幅的循环次数。但底板和底板U肋的应力幅值较小，主要集中在2～10 MPa之间，最大应力幅值不超过20 MPa,而BS5400中各焊接细节发生疲劳损伤的最小极限值为25 MPa，因而，以目前的交通状况，底板和底板U肋不会出现疲劳损伤。

（3）索梁锚固区钢锚箱各板件的应力幅均较小。承压板及与之相连的箱梁外腹板不仅应力幅值小，而且在各级应力幅值下的循环次数也很少。上、下锚固板的主应力幅主要集中在10 MPa以内，高应力幅值的循环次数较少，1 d内上锚固板主应力幅值大于10 MPa的循环次数只有3次，下锚固板仅有6次；而且上、下锚固板最大应力幅值也只有26.8 MPa左右。与上、下锚固板相焊接的钢箱梁外腹板的应力幅值较大，外腹板主应力幅值大于20 MPa的循环次数有40次，大于30 MPa的循环次数有14次。由于锚固板、承压板均通过8 mm×8 mm的直角焊缝与箱梁外腹板相连，在BS5400规范中，该焊接细节属于F2类，疲劳极限值为35 MPa，箱梁外腹板的最大应力幅值已超过该极限值，所以，长期交通荷载作用下，箱梁外腹板亦有可能出现疲劳裂纹。

（4）索塔锚固区钢锚箱测点的应力幅值主要集中在2 MPa以下，最大应力幅不超过4 MPa，远小于BS5400规定的发生疲劳损伤的极限值，因此，正常运营状态下，索塔钢锚也不会发生疲劳损伤。

4 结论

（1）钢箱梁底板、索塔钢锚箱、索梁钢锚箱锚固板，以及承压板的应力幅水平都很低，正常运营状态下，不可能出现疲劳损伤。

（2）索梁钢锚箱外腹板虽存在疲劳损伤，但疲劳寿命远大于设计使用年限。

即使今后交通量的增大和车辆轴重的提高，该部位出现疲劳破坏的可能性也很小。

（3）钢箱梁顶板焊接细节是全桥疲劳性能最薄弱的部位，若重型车尤其是超重车的频繁作用，该区域有可能在设计使用年限内出现疲劳破坏。

[1]Eurocode 3:Design of steel structures.The European Standard EN 1993-1-9.2005.

[2]同济大学.苏通长江大桥动静载试验报告[R].2008.

[3]张启伟.苏通大桥斜拉桥钢结构疲劳监测与评估报告[R].上海：同济大学桥梁工程系，2010.

[4]英国标准学会.钢桥、混凝土桥及结合桥（英国标准BS5400）第十篇:疲劳设计实用规则[M].成都:西南交通大学出版社，1987.