正交異性鋼橋面板U肋足尺靜力荷載試驗(yàn)研究

1、PAGE 14 -正交異性鋼橋面板U肋足尺靜力荷載試驗(yàn)研究孔丹丹孫全勝刁萬(wàn)民胡丹丹于瑩林鐵摘要：針對(duì)正交異性橋面板自重輕、承載能力大以及施工周期短等優(yōu)點(diǎn)，本文以某城市連續(xù)鋼箱梁橋中U肋設(shè)計(jì)參數(shù)作為研究對(duì)象，通過(guò)足尺模型試驗(yàn)，研究橋面板易出現(xiàn)開(kāi)裂的位置和有限元模擬鋼箱梁橋U肋截面變化對(duì)全橋豎向位移、應(yīng)力的影響。研究結(jié)果表明，在實(shí)際工程中常用的連續(xù)鋼箱梁橋細(xì)部U肋處容易產(chǎn)生開(kāi)裂，但鋼箱梁并未發(fā)生破壞，只在局部焊縫和弧形缺口處發(fā)生開(kāi)裂和應(yīng)力集中;進(jìn)而通過(guò)有限元模擬U肋的參數(shù)值（U肋高度、U肋厚度），對(duì)U肋的參數(shù)進(jìn)行改變，與足尺模型中的設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行撓度和應(yīng)力對(duì)比，對(duì)比結(jié)果顯示，U肋高度越高，主要截面的

2、應(yīng)力和撓度值越小，但不成線性關(guān)系，U肋高度為0.28m和0.30m時(shí)，受力性能最優(yōu);隨U肋厚度增加，主要截面也呈現(xiàn)應(yīng)力和撓度值減小的情況，下降最大的截面厚度為12mm。本試驗(yàn)研究結(jié)論可為同類型連續(xù)鋼箱梁橋中U肋的設(shè)計(jì)提供思路。關(guān)鍵詞：正交異性鋼橋面板;U肋;足尺模型試驗(yàn);參數(shù)化分析;應(yīng)力;撓度中圖分類號(hào)：U446.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-8023（2022）01-0145-07ExperimentalAnalysisonMechanicalPerformanceofU-ribonOrthotropicSteelBridgeDeckKONGDandan1，SUNQuansheng1*

3、，DIAOWanmin2，HUDandan1，YUYing1，LINTie1（1.SchoolofCivilEngineering，NortheastForestryUniversity，Harbin150040，China;2.HeilongjiangHighwayConstructionCenter，Harbin150081，China）Abstract：Inviewoftheadvantagesoflightweight，largebearingcapacityandshortconstructionperiodoforthotropicbridgedeck，thispapertakes

4、thedesignparametersofU-ribinacontinuoussteelboxgirderbridgeinacityastheresearchobject.Throughfull-scalemodeltest，thelocationwherethebridgedeckispronetocrackandtheinfluenceofthechangeofU-ribsectionofthesteelboxgirderbridgeontheverticaldisplacementandstressofthewholebridgearestudiedbyfiniteelementsimu

5、lation.TheresultsshowthattheU-ribofthecontinuoussteelboxgirderbridgecommonlyusedinpracticalengineeringiseasytocrack，butthesteelboxgirderisnotdamaged，andonlycracksandstressconcentrationoccuratthelocalweldandarcdefects.ThenthroughthefiniteelementsimulationoftheparametersoftheU-rib（U-ribheight，U-ribthi

6、ckness），theparametersoftheU-ribarechanged，andthedeflectionandstressofthedesignsizeinthefullscalemodelarecompared.ThecomparisonresultsshowthatthehighertheheightoftheU-rib，thesmallerthestressanddeflectionofthemainsection，butthereisnolinearrelationship.WhentheheightoftheU-ribis0.28mand0.30m，themechanic

7、alperformanceisthebest.WiththeincreaseofU-ribthickness，thestressanddeflectionofthemainsectionalsodecrease，andthethicknessofthesectionwiththelargestdecreaseis12mm.TheconclusionsofthisstudycanprovideideasforthedesignofU-ribsinthesametypeofcontinuoussteelboxgirderbridges.Keywords：Orthotropicsteelbridge

8、deck;U-rib;full-scaletest;parametricanalysis;stress;deflection0引言在鋼箱梁橋面板結(jié)構(gòu)形式中，正交異性的橋面板因?yàn)樽灾剌p、承載能力大和施工周期短等優(yōu)點(diǎn)，成為世界各國(guó)在大跨徑鋼橋建設(shè)中首選的橋面板形式1。從改革開(kāi)放以來(lái)，正交異性橋面板在我國(guó)大跨度跨江、跨海大橋上進(jìn)行了迅速的推廣及應(yīng)用。國(guó)內(nèi)近些年建成的江陰長(zhǎng)江大橋、青馬大橋以及港珠澳大橋等用的都是此類橋面板2-4。正交異性鋼橋面板雖然有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但因其構(gòu)造復(fù)雜、焊縫數(shù)量多、瀝青鋪裝層剛度低，且隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展出現(xiàn)交通量越來(lái)越大，超重車長(zhǎng)期反復(fù)碾壓，以虎門大橋、severn橋（連接

9、威爾士和英格蘭的跨河大橋）等為代表的正交異性鋼橋面板，反復(fù)出現(xiàn)鋪裝性損壞和鋼橋面疲勞開(kāi)裂等問(wèn)題，這類問(wèn)題已經(jīng)成為阻礙正交異性鋼橋面板發(fā)展的世界性難題5。通過(guò)眾多試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，橫隔板弧形缺口處受力復(fù)雜，加上在焊接時(shí)不易控制，該處產(chǎn)生多個(gè)應(yīng)力循環(huán)，容易導(dǎo)致開(kāi)裂6。根據(jù)文獻(xiàn)資料顯示，位于橫隔板弧形缺口的開(kāi)裂可分為3類：U肋與橫隔板交叉部位U肋腹板裂紋;U肋與橫隔板連接焊縫端部弧形缺口自由邊的橫隔板母材裂縫;U肋與橫隔板連接焊縫豎向裂縫7。正交異性鋼橋面板設(shè)計(jì)過(guò)程中仍有許多不確定的因素影響橋梁工程的質(zhì)量。目前我國(guó)針對(duì)正交異性鋼橋面板中出現(xiàn)的病害處理方法，主要參照日本以及美國(guó)的鋼橋設(shè)計(jì)規(guī)范，且大多參數(shù)的設(shè)置

10、都使用半理論半經(jīng)驗(yàn)的方法8-10。為此本文針對(duì)改變加勁肋高度、加勁肋厚度來(lái)分析對(duì)鋼箱梁橋受力性能的影響，研究在靜力荷載作用下連續(xù)梁橋中局部構(gòu)造細(xì)節(jié)處的受力情況，并對(duì)各種參數(shù)變化情況下，連續(xù)鋼箱梁橋內(nèi)力、應(yīng)力和變形等靜力特征進(jìn)行深入研究，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)發(fā)現(xiàn)易發(fā)生破壞的位置。進(jìn)而通過(guò)有限元軟件對(duì)改變構(gòu)件的參數(shù)進(jìn)行模擬，得出優(yōu)化后的局部設(shè)計(jì)尺寸，為優(yōu)化連續(xù)鋼箱梁橋中U肋尺寸設(shè)計(jì)提供一定指導(dǎo)。1足尺靜力荷載試驗(yàn)1.1試驗(yàn)概況本試驗(yàn)依托某跨徑（43+64+43）m的城市連續(xù)分離式鋼箱梁橋進(jìn)行足尺模型設(shè)計(jì)。箱梁高1.634m，標(biāo)準(zhǔn)段寬27.5m，為單箱雙室，橋面板為正交異性鋼橋面板，縱向加勁肋為U肋。試驗(yàn)

11、采用2個(gè)加勁肋的足尺模型，足尺模型的尺寸為：模型長(zhǎng)0.7m，寬1.5m，高0.9m，設(shè)置1個(gè)橫隔板、1個(gè)中筋板、4個(gè)腹板、2個(gè)支座板和1個(gè)底板，其中，橫隔板高0.65m、中筋板高0.35m、腹板高0.854m。模型主體結(jié)構(gòu)（頂板，U肋，橫隔板）的設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)相同。具體數(shù)值為：頂板厚度16mm、U型加勁肋版厚8mm、橫隔板厚度14mm。足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ途捎肣345qe鋼。1.2試驗(yàn)研究方法試驗(yàn)用PLS-500型電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，應(yīng)力采用日本TML靜態(tài)應(yīng)變儀-數(shù)據(jù)采集儀TDS-540。本試驗(yàn)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)共15個(gè)，測(cè)點(diǎn)試件是直接錨固在實(shí)驗(yàn)室地錨上，作動(dòng)器觸頭下布置一個(gè)0.2m0.6m0

12、.06m的鋼板和一個(gè)0.2m0.6m0.06m橡膠板，鋼板可以實(shí)現(xiàn)荷載均勻布置，橡膠墊板模擬車輪荷載。試驗(yàn)機(jī)布置如圖2所示。試驗(yàn)步驟：預(yù)壓50kN的荷載，反復(fù)加載3次，以保證各個(gè)部位都能安裝就位，連接緊密;待應(yīng)變片完全粘貼，并將導(dǎo)線與采集儀連接好之后，采集并記錄數(shù)據(jù)，為空載數(shù)據(jù);施加第一級(jí)荷載80kN，待荷載穩(wěn)定后，采集并記錄數(shù)據(jù);施加第2級(jí)荷載180kN，待荷載穩(wěn)定后，采集并記錄數(shù)據(jù);施加第3級(jí)荷載280kN，待荷載穩(wěn)定后，采集并記錄數(shù)據(jù);施加第4級(jí)荷載380kN，待荷載穩(wěn)定后，采集并記錄數(shù)據(jù);施加第5級(jí)荷載480kN，待荷載穩(wěn)定后，采集并記錄數(shù)據(jù);待荷載完全卸去并穩(wěn)定后，采集并記錄數(shù)據(jù)，作

13、為殘余應(yīng)力。本次試驗(yàn)采用動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)，共有60個(gè)通道，為保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用半橋連接形式，并增加溫度補(bǔ)償。靜力荷載作用下U肋敏感部位（重點(diǎn)考察U肋與橫隔板連接部位、弧形開(kāi)孔邊緣應(yīng)力集中部位及U肋與頂板連接部位）主應(yīng)力或正應(yīng)力大小及應(yīng)力分布規(guī)律的測(cè)試，以及靜力荷載作用下的撓度。加載工況分為：中載加載位置為U肋之間的位置，偏載加載位置為U肋左側(cè)上方150mm。通過(guò)有限元軟件進(jìn)行足尺模型的理論數(shù)據(jù)分析。有限元模型如圖3所示。具體測(cè)點(diǎn)布置如下：撓度測(cè)試選擇位于跨中位置的U肋底板，采用百分表進(jìn)行測(cè)試，6個(gè)測(cè)點(diǎn)的位置如圖4所示，位移測(cè)點(diǎn)間距為66mm。應(yīng)變測(cè)點(diǎn)是距離焊縫左右10mm位置處，如圖5所示

14、。2結(jié)果與分析2.1U肋撓度分析按照試驗(yàn)步驟進(jìn)行5次加載和5次卸載，此次試驗(yàn)是10萬(wàn)次疲勞后的靜載試驗(yàn)，此次數(shù)據(jù)下的位移與初次加載比較，鋼材特性較穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由圖6（a）分析可知，各測(cè)點(diǎn)的撓度-荷載曲線基本是線性關(guān)系，加載過(guò)程中的數(shù)據(jù)分析可知屬于線性關(guān)系，在卸載過(guò)程中，從480kN降到380kN時(shí)，撓度值比后面的卸載過(guò)程撓度變化大;通過(guò)理論計(jì)算，均布荷載作用時(shí)，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的豎向撓度應(yīng)是一致的，從試驗(yàn)的數(shù)據(jù)中可知，荷載壓到鋼板上傳到橡膠板上分散均布荷載力時(shí)，發(fā)生扭轉(zhuǎn)造成M5為最大位移測(cè)點(diǎn)，實(shí)測(cè)值為1.36mm，最小值M6位移為0.92mm。6個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)基本是對(duì)稱關(guān)系，對(duì)稱測(cè)點(diǎn)撓度值相

15、比，相差0.08%，屬于誤差范圍之內(nèi)。理論值為1.31mm，校驗(yàn)系數(shù)為0.96。由圖6（b）分析可知，偏載布載時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的撓度值與荷載值大致呈線性關(guān)系，撓度最大值為M2測(cè)點(diǎn)，撓度為1.67mm，偏載卸載從480kN降到380kN時(shí)，撓度值變化更大，說(shuō)明在偏載加載時(shí)，構(gòu)件屬于彈性階段，可承受更大的荷載，滿足荷載效率。偏載加載過(guò)程中出現(xiàn)2個(gè)測(cè)點(diǎn)呈現(xiàn)非線性關(guān)系，出現(xiàn)這種情況可能是因?yàn)樵囼?yàn)應(yīng)變片經(jīng)過(guò)中載加載試驗(yàn)后，偏載試驗(yàn)時(shí)應(yīng)變片或者連接線出現(xiàn)松動(dòng)，造成數(shù)據(jù)未呈現(xiàn)線性關(guān)系。但其他數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定，撓度實(shí)驗(yàn)值與理論值最大值和最小值均滿足校驗(yàn)系數(shù)。2.2測(cè)點(diǎn)應(yīng)力分析選擇測(cè)點(diǎn)N1N4進(jìn)行應(yīng)力變化情況分析，10萬(wàn)

16、次疲勞后的不同靜載作用下各個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力的變化情況如圖7所示。由圖7可知，當(dāng)靜力荷載為480kN時(shí)，N3測(cè)點(diǎn)應(yīng)力最大為206MPa，N2和N4測(cè)點(diǎn)應(yīng)力基本一致，弧形缺口容易破壞點(diǎn)為N3、N2、N4這3個(gè)點(diǎn)，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可知測(cè)點(diǎn)應(yīng)力與荷載之間基本是線性關(guān)系，也說(shuō)明加載過(guò)程結(jié)構(gòu)處于彈性階段，但卸載過(guò)程中大致呈線性，卸載完畢穩(wěn)定后，存在殘余應(yīng)力。U肋跨中撓度和U肋附近弧形缺口處的應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，通過(guò)試驗(yàn)的逐級(jí)加載，橋面板整體未出現(xiàn)破壞，但U肋處發(fā)生應(yīng)力集中問(wèn)題，為優(yōu)化正交異性鋼橋面板受力性能，通過(guò)改變U肋的高度、厚度進(jìn)行分析正交異性鋼橋面板受力性能的影響。3有限元分析使用有限元法對(duì)連續(xù)分離式鋼箱梁橋進(jìn)

17、行空間分析時(shí)，主梁的形式大致有單主梁形式、雙主梁形式以及多主梁形式，該橋主梁為分離式鋼箱梁橋，為了模擬更加準(zhǔn)確的橋梁實(shí)際受力情況，本模型采用雙主梁模型。橋面板采用正交異性鋼橋面板。結(jié)構(gòu)自重計(jì)入時(shí)，按照鋼材、鋼絞線、鋼筋和鋼絲容重=78.5kN/m3計(jì)入。對(duì)于橋梁的二期恒載，瀝青混凝土鋪裝90mm;容重=23kN/m3，鋼筋混凝土鋪裝厚度100mm，容重25kN/m3，護(hù)欄按單側(cè)11.0kN/m計(jì)入。3.1U肋高度對(duì)靜力性能影響為研究U肋高度對(duì)正交異性鋼橋面板的靜力性能的影響，通過(guò)改變U肋高度，即U肋高度為0.22、0.24、0.26、0.28、0.30、0.32m共6種情況下的偏載工況，計(jì)算出

18、撓度、應(yīng)力，這里著重說(shuō)明，U肋高度對(duì)全橋整體影響均不大，故只考慮其中的主要受力截面進(jìn)行研究。由圖8（a）可知，當(dāng)U肋高度在0.240.32m，U肋高度每提高2cm，2#跨跨中橋梁的豎向撓度減小幅度為0.60%，墩支點(diǎn)對(duì)于改變參數(shù)，結(jié)果幾乎沒(méi)有影響，從這幾種情況來(lái)看，當(dāng)加勁肋高度0.28、0.30、0.32m時(shí)橋梁的整體剛度增強(qiáng)明顯。偏載加載過(guò)程中撓度變化遍布于整個(gè)橫橋向范圍，在荷載較遠(yuǎn)處也產(chǎn)生了距離呈減小的撓度。由圖8（b）和圖8（c）可知，改變U肋的高度對(duì)于本次有限元分析中的1#跨幾乎沒(méi)有影響，對(duì)于2#跨中影響較大，上緣最大應(yīng)力平均降低1.61%，在同等情況下緣最大應(yīng)力平均降低了0.30%。

19、對(duì)于U肋高度的改變主梁上的最大應(yīng)力值影響較大的為墩支點(diǎn)和2#跨跨中，改變U肋高度對(duì)于主梁下緣應(yīng)力沒(méi)有太大改變。通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知，改變U肋高度對(duì)于應(yīng)力的改變基本影響不大，但對(duì)于2#跨的測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值可能會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的點(diǎn)，造成局部開(kāi)裂破壞。3.2U肋厚度對(duì)主要受力截面的影響本文試驗(yàn)中U肋高度為0.28m，故用此高度進(jìn)行控制變量，改變U肋厚度。設(shè)置加勁肋厚度分別為8、10、12、14、16mm共5種情況的偏載工況，全橋主要受力截面撓度變化以及橋梁1.0倍恒載+1.0倍車道荷載工況時(shí)，對(duì)主要受力截面上緣最大應(yīng)力、下緣最大應(yīng)力變化和主梁最大彎矩變化進(jìn)行分析。如圖9所示，當(dāng)U肋厚度在816mm時(shí)，U厚度每提

20、高2mm，橋梁的豎向撓度值平均降幅2.03%，上緣最大應(yīng)力平均降低了5.23%，在相同情況下，下緣最大應(yīng)力平均增加1.61%，綜上所述，U肋厚度為8、10、12mm時(shí)較好。由圖9可知，改變U肋的厚度對(duì)于墩支點(diǎn)的撓度影響不大，但對(duì)于墩支點(diǎn)的應(yīng)力影響較大，與原設(shè)計(jì)的U肋厚度14mm相比，U肋厚度為16mm時(shí)應(yīng)力減少了4.63%。主梁上翼緣最大應(yīng)力比下翼緣最大應(yīng)力受影響大，與U肋的高度結(jié)果相似，都對(duì)于1#跨影響小。通過(guò)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)橋梁跨徑越大，改變U肋參數(shù)時(shí)受力性能影響越大。4結(jié)論本文通過(guò)進(jìn)行U肋足尺靜力荷載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)連續(xù)剛箱梁橋容易發(fā)生破壞的位置。進(jìn)而利用有限元軟件建立全橋有限元模型分析，分析了連續(xù)

21、分離式鋼箱梁橋在U肋高度、U肋厚度改變對(duì)連續(xù)鋼箱梁橋受力特性的影響，同時(shí)分析了各種參數(shù)變化情況下連續(xù)分離式鋼箱梁橋內(nèi)力、應(yīng)力以及變形等參數(shù)的變化，對(duì)所研究的連續(xù)鋼箱梁橋進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化。得到的主結(jié)論如下。（1）通過(guò)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)足尺試驗(yàn)，在靜力荷載從80kN到480kN逐步加載時(shí)，撓度值和應(yīng)力值呈現(xiàn)線性關(guān)系，但卸載過(guò)程撓度和應(yīng)力值開(kāi)始變化大，后期呈線性關(guān)系。（2）連續(xù)梁發(fā)生破壞一般是構(gòu)造細(xì)節(jié)發(fā)生破壞，U肋破壞的點(diǎn)一般為U肋弧形切口和焊縫位置。在靜力加載過(guò)程弧形切口位置發(fā)生應(yīng)力集中，應(yīng)力陡然增加。（3）在不改變橋梁其他設(shè)計(jì)參數(shù)的情況下，選取U肋高度為0.28m，綜合考慮全橋的豎向位移和受力情況，U肋厚

22、度為8、10、12mm時(shí)較好;改變U肋厚度時(shí)對(duì)截面第一跨撓度影響較小，應(yīng)力幾乎無(wú)影響，對(duì)第2跨的撓度影響較大，墩支點(diǎn)處應(yīng)力影響明顯。（4）在不改變橋梁其他設(shè)計(jì)參數(shù)的情況下，綜合考慮全橋的豎向位移、應(yīng)力，當(dāng)U肋高度為0.28、0.30m時(shí)對(duì)橋梁的受力較好;對(duì)主要截面上翼緣應(yīng)力影響突出，但對(duì)于主要截面彎矩值未出現(xiàn)明顯變化?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1吳麗麗，安麗佩，孫天明.正交異性鋼橋面板受力性能的研究進(jìn)展綜述J.工業(yè)建筑，2022，46（S1）：390-395.WULL，ANLP，SUNTM.Reviewofresearchprogressonmechanicalpropertiesoforthotropic

23、steelbridgedeckJ.IndustrialBuildings，2022，46（S1）：390-395.2王迎軍，朱桂新，陳旭東.虎門大橋鋼橋面鋪裝的使用和維護(hù)J.公路交通科技，2022，21（8）：64-67.WANGYJ，ZHUGX，CHENXD.TheusingandmaintenanceofthesteeldeckpavementinHumenbridgeJ.JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment，2022，21（8）：64-67.3曾志斌.正交異性鋼橋面板典型疲勞裂紋分類及其原因分析J.鋼結(jié)構(gòu)，2022

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