正交异性钢桥面板U肋足尺静力荷载试验研究

孔丹丹 孙全胜 刁万民 胡丹丹 于莹 林铁

摘 要：針对正交异性桥面板自重轻、承载能力大以及施工周期短等优点，本文以某城市连续钢箱梁桥中U肋设计参数作为研究对象，通过足尺模型试验，研究桥面板易出现开裂的位置和有限元模拟钢箱梁桥U肋截面变化对全桥竖向位移、应力的影响。研究结果表明，在实际工程中常用的连续钢箱梁桥细部U肋处容易产生开裂，但钢箱梁并未发生破坏，只在局部焊缝和弧形缺口处发生开裂和应力集中;进而通过有限元模拟U肋的参数值（U肋高度、U肋厚度），对U肋的参数进行改变，与足尺模型中的设计尺寸进行挠度和应力对比，对比结果显示，U肋高度越高，主要截面的应力和挠度值越小，但不成线性关系，U肋高度为0.28 m和0.30 m时，受力性能最优;随U肋厚度增加，主要截面也呈现应力和挠度值减小的情况，下降最大的截面厚度为12 mm。本试验研究结论可为同类型连续钢箱梁桥中U肋的设计提供思路。

关键词：正交异性钢桥面板;U肋;足尺模型试验;参数化分析;应力;挠度

中图分类号：U446.1    文献标识码：A   文章编号：1006-8023（2022）01-0145-07

Experimental Analysis on Mechanical Performance of U-rib

on Orthotropic Steel Bridge Deck

KONG Dandan1， SUN Quansheng1*， DIAO Wanmin2， HU Dandan1， YU Ying1， LIN Tie1

（1.School of Civil Engineering， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China;

2.Heilongjiang Highway Construction Center， Harbin 150081， China）

Abstract：In view of the advantages of light weight， large bearing capacity and short construction period of orthotropic bridge deck， this paper takes the design parameters of U-rib in a continuous steel box girder bridge in a city as the research object. Through full-scale model test， the location where the bridge deck is prone to crack and the influence of the change of U-rib section of the steel box girder bridge on the vertical displacement and stress of the whole bridge are studied by finite element simulation. The results show that the U-rib of the continuous steel box girder bridge commonly used in practical engineering is easy to crack， but the steel box girder is not damaged， and only cracks and stress concentration occur at the local weld and arc defects. Then through the finite element simulation of the parameters of the U-rib （U-rib height， U-rib thickness）， the parameters of the U-rib are changed， and the deflection and stress of the design size in the full scale model are compared. The comparison results show that the higher the height of the U-rib， the smaller the stress and deflection of the main section， but there is no linear relationship. When the height of the U-rib is 0.28 m and 0.30 m， the mechanical performance is the best. With the increase of U-rib thickness， the stress and deflection of the main section also decrease， and the thickness of the section with the largest decrease is 12 mm. The conclusions of this study can provide ideas for the design of U-ribs in the same type of continuous steel box girder bridges.

Keywords：Orthotropic steel bridge deck; U-rib; full-scale test; parametric analysis; stress; deflection

0 引言

在钢箱梁桥面板结构形式中，正交异性的桥面板因为自重轻、承载能力大和施工周期短等优点，成为世界各国在大跨径钢桥建设中首选的桥面板形式[1]。从改革开放以来，正交异性桥面板在我国大跨度跨江、跨海大桥上进行了迅速的推广及应用。国内近些年建成的江阴长江大桥、青马大桥以及港珠澳大桥等用的都是此类桥面板[2-4]。正交异性钢桥面板虽然有其独特的优点，但因其构造复杂、焊缝数量多、沥青铺装层刚度低，且随着经济的快速发展出现交通量越来越大，超重车长期反复碾压，以虎门大桥、severn桥（连接威尔士和英格兰的跨河大桥）等为代表的正交异性钢桥面板，反复出现铺装性损坏和钢桥面疲劳开裂等问题，这类问题已经成为阻碍正交异性钢桥面板发展的世界性难题[5]。通过众多试验发现，横隔板弧形缺口处受力复杂，加上在焊接时不易控制，该处产生多个应力循环，容易导致开裂[6]。根据文献资料显示，位于横隔板弧形缺口的开裂可分为3类：U肋与横隔板交叉部位U肋腹板裂纹;U肋与横隔板连接焊缝端部弧形缺口自由边的横隔板母材裂缝;U肋与横隔板连接焊缝竖向裂缝[7]。

正交异性钢桥面板设计过程中仍有许多不确定的因素影响桥梁工程的质量。目前我国针对正交异性钢桥面板中出现的病害处理方法，主要参照日本以及美国的钢桥设计规范，且大多参数的设置都使用半理论半经验的方法[8-10]。为此本文针对改变加劲肋高度、加劲肋厚度来分析对钢箱梁桥受力性能的影响，研究在静力荷载作用下连续梁桥中局部构造细节处的受力情况，并对各种参数变化情况下，连续钢箱梁桥内力、应力和变形等静力特征进行深入研究，通过现场试验来发现易发生破坏的位置。进而通过有限元软件对改变构件的参数进行模拟，得出优化后的局部设计尺寸，为优化连续钢箱梁桥中U肋尺寸设计提供一定指导。

1 足尺静力荷载试验

1.1 试验概况

本试验依托某跨径（43+64+43）m的城市连续分离式钢箱梁桥进行足尺模型设计。箱梁高1.634 m，标准段宽27.5 m，为单箱双室，桥面板为正交异性钢桥面板，纵向加劲肋为U肋。试验采用2个加劲肋的足尺模型，足尺模型的尺寸为：模型长0.7 m，宽1.5 m，高0.9 m，设置1个横隔板、1个中筋板、4个腹板、2个支座板和1个底板，其中，横隔板高0.65 m、中筋板高0.35 m、腹板高0.854 m。模型主体结构（顶板，U肋，横隔板）的设计参数与实际桥梁结构相同。具体数值为：顶板厚度16 mm、U型加劲肋版厚8 mm、横隔板厚度14 mm。足尺试验模型均采用Q345qe钢。

1.2 试验研究方法

试验用PLS-500型电液伺服疲劳试验机进行试验，应力采用日本TML静态应变仪-数据采集仪TDS-540。本试验应力测点共15个，测点试件是直接锚固在实验室地锚上，作动器触头下布置一个0.2 m×0.6 m×0.06 m的钢板和一个0.2 m×0.6 m×0.06 m橡胶板，钢板可以实现荷载均匀布置，橡胶垫板模拟车轮荷载。试验机布置如图2所示。

试验步骤：①预压50 kN的荷载，反复加载3次，以保证各个部位都能安装就位，连接紧密;②待应变片完全粘贴，并将导线与采集仪连接好之后，采集并记录数据，为空载数据;③施加第一级荷载80 kN，待荷载稳定后，采集并记录数据;④施加第2级荷载180 kN，待荷载稳定后，采集并记录数据;⑤施加第3级荷载280 kN，待荷载稳定后，采集并记录数据;⑥施加第4级荷载380 kN，待荷载稳定后，采集并记录数据;⑦施加第5级荷载480 kN，待荷载稳定后，采集并记录数据;⑧待荷载完全卸去并稳定后，采集并记录数据，作为残余应力。

本次试验采用动态采集系统，共有60个通道，为保证测试数据的准确性，采用半桥连接形式，并增加温度补偿。静力荷载作用下U肋敏感部位（重点考察U肋与横隔板连接部位、弧形开孔边缘应力集中部位及U肋与顶板连接部位）主应力或正应力大小及应力分布规律的测试，以及静力荷载作用下的挠度。加载工况分为：中载加载位置为U肋之间的位置，偏载加载位置为U肋左侧上方150 mm。

通过有限元软件进行足尺模型的理论数据分析。有限元模型如图3所示。具体测点布置如下：挠度测试选择位于跨中位置的U肋底板，采用百分表进行测试，6个测点的位置如图4所示，位移測点间距为66 mm。应变测点是距离焊缝左右10 mm位置处，如图5所示。

2 结果与分析

2.1 U肋挠度分析

按照试验步骤进行5次加载和5次卸载，此次试验是10万次疲劳后的静载试验，此次数据下的位移与初次加载比较，钢材特性较稳定。试验结果如图6所示。

由图6（a）分析可知，各测点的挠度-荷载曲线基本是线性关系，加载过程中的数据分析可知属于线性关系，在卸载过程中，从480 kN降到380 kN时，挠度值比后面的卸载过程挠度变化大;通过理论计算，均布荷载作用时，3个测点的竖向挠度应是一致的，从试验的数据中可知，荷载压到钢板上传到橡胶板上分散均布荷载力时，发生扭转造成M5为最大位移测点，实测值为1.36 mm，最小值M6位移为0.92 mm。6个挠度测点基本是对称关系，对称测点挠度值相比，相差0.08%，属于误差范围之内。理论值为1.31 mm，校验系数为0.96。

由图6（b）分析可知，偏载布载时，各测点的挠度值与荷载值大致呈线性关系，挠度最大值为M2测点，挠度为1.67 mm，偏载卸载从480 kN降到380 kN时，挠度值变化更大，说明在偏载加载时，构件属于弹性阶段，可承受更大的荷载，满足荷载效率。偏载加载过程中出现2个测点呈现非线性关系，出现这种情况可能是因为试验应变片经过中载加载试验后，偏载试验时应变片或者连接线出现松动，造成数据未呈现线性关系。但其他数据基本稳定，挠度实验值与理论值最大值和最小值均满足校验系数。

2.2 测点应力分析

选择测点N1—N4进行应力变化情况分析，10万次疲劳后的不同静载作用下各个测点应力的变化情况如图7所示。

由图7可知，当静力荷载为480 kN时，N3测点应力最大为206 MPa，N2和N4测点应力基本一致，弧形缺口容易破坏点为N3、N2、N4这3个点，通过试验结果可知测点应力与荷载之间基本是线性关系，也说明加载过程结构处于弹性阶段，但卸载过程中大致呈线性，卸载完毕稳定后，存在残余应力。

U肋跨中撓度和U肋附近弧形缺口处的应力试验结果说明，通过试验的逐级加载，桥面板整体未出现破坏，但U肋处发生应力集中问题，为优化正交异性钢桥面板受力性能，通过改变U肋的高度、厚度进行分析正交异性钢桥面板受力性能的影响。

3 有限元分析

使用有限元法对连续分离式钢箱梁桥进行空间分析时，主梁的形式大致有单主梁形式、双主梁形式以及多主梁形式，该桥主梁为分离式钢箱梁桥，为了模拟更加准确的桥梁实际受力情况，本模型采用双主梁模型。桥面板采用正交异性钢桥面板。

结构自重计入时，按照钢材、钢绞线、钢筋和钢丝容重γ=78.5kN/m3计入。对于桥梁的二期恒载，沥青混凝土铺装90 mm;容重γ=23 kN/m3，钢筋混凝土铺装厚度100 mm，容重25 kN/m3，护栏按单侧11.0 kN/m计入。

3.1 U肋高度对静力性能影响

为研究U肋高度对正交异性钢桥面板的静力性能的影响，通过改变U肋高度，即U肋高度为0.22、0.24、0.26、0.28、0.30、0.32 m共6种情况下的偏载工况，计算出挠度、应力，这里着重说明，U肋高度对全桥整体影响均不大，故只考虑其中的主要受力截面进行研究。

由图8（a）可知，当U肋高度在0.24～0.32 m，U肋高度每提高2 cm，2#跨跨中桥梁的竖向挠度减小幅度为0.60%，墩支点对于改变参数，结果几乎没有影响，从这几种情况来看，当加劲肋高度0.28、0.30、0.32 m时桥梁的整体刚度增强明显。偏载加载过程中挠度变化遍布于整个横桥向范围，在荷载较远处也产生了距离呈减小的挠度。

由图8（b）和图8（c）可知，改变U肋的高度对于本次有限元分析中的1#跨几乎没有影响，对于2#跨中影响较大，上缘最大应力平均降低1.61%，在同等情况下缘最大应力平均降低了0.30%。对于U肋高度的改变主梁上的最大应力值影响较大的为墩支点和2#跨跨中，改变U肋高度对于主梁下缘应力没有太大改变。通过数据分析可知，改变U肋高度对于应力的改变基本影响不大，但对于2#跨的测点应力值可能会出现应力集中的点，造成局部开裂破坏。

3.2 U肋厚度对主要受力截面的影响

本文试验中U肋高度为0.28 m，故用此高度进行控制变量，改变U肋厚度。设置加劲肋厚度分别为8、10、12、14、16 mm共5种情况的偏载工况，全桥主要受力截面挠度变化以及桥梁1.0倍恒载+1.0倍车道荷载工况时，对主要受力截面上缘最大应力、下缘最大应力变化和主梁最大弯矩变化进行分析。

如图9所示，当U肋厚度在8～16 mm时，U厚度每提高2 mm，桥梁的竖向挠度值平均降幅2.03%，上缘最大应力平均降低了5.23%，在相同情况下，下缘最大应力平均增加1.61%，综上所述，U肋厚度为8、10 、12 mm时较好。

由图9可知，改变U肋的厚度对于墩支点的挠度影响不大，但对于墩支点的应力影响较大，与原设计的U肋厚度14 mm相比，U肋厚度为16 mm时应力减少了4.63%。主梁上翼缘最大应力比下翼缘最大应力受影响大，与U肋的高度结果相似，都对于1#跨影响小。通过对比，发现桥梁跨径越大，改变U肋参数时受力性能影响越大。

4 结论

本文通过进行U肋足尺静力荷载试验，发现连续刚箱梁桥容易发生破坏的位置。进而利用有限元软件建立全桥有限元模型分析，分析了连续分离式钢箱梁桥在U肋高度、U肋厚度改变对连续钢箱梁桥受力特性的影响，同时分析了各种参数变化情况下连续分离式钢箱梁桥内力、应力以及变形等参数的变化，对所研究的连续钢箱梁桥进行了设计优化。得到的主结论如下。

（1）通过实验室现场足尺试验，在静力荷载从80 kN到480 kN逐步加载时，挠度值和应力值呈现线性关系，但卸载过程挠度和应力值开始变化大，后期呈线性关系。

（2）连续梁发生破坏一般是构造细节发生破坏，U肋破坏的点一般为U肋弧形切口和焊缝位置。在静力加载过程弧形切口位置发生应力集中，应力陡然增加。

（3）在不改变桥梁其他设计参数的情况下，选取U肋高度为0.28 m，综合考虑全桥的竖向位移和受力情况，U肋厚度为8、10、12 mm时较好;改变U肋厚度时对截面第一跨挠度影响较小，应力几乎无影响，对第2跨的挠度影响较大，墩支点处应力影响明显。

（4）在不改变桥梁其他设计参数的情况下，综合考虑全桥的竖向位移、应力，当U肋高度为0.28、0.30 m时对桥梁的受力较好;对主要截面上翼缘应力影响突出，但对于主要截面弯矩值未出现明显变化。

【参 考 文 献】

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