轮载作用下正交异性钢桥面板构造细节受力特征及机理研究_祝志文.pdf

文章编号：1000-4750(2023)03-0163-12轮载作用下正交异性钢桥面板构造细节受力特征及机理研究祝志文1,2，李健朋2，汤琴1(1.汕头大学土木与环境工程系，广东，汕头515063；2.湖南大学土木工程学院，湖南，长沙410082)摘要：为明确正交异性钢桥面板(OSD)构造细节的轮载局部应力效应及受力特征，开展了横桥向 3 个典型工况的货车加载试验和有限元分析，记录了货车低速通行下 OSD 构造细节的应力时程，研究了构造细节轮载应力行为和机理。研究表明：OSD 构造细节轮载局部应力效应显著，构造细节的明显加载效应局限在横桥向轮载中心两侧各 1 倍纵肋中心距范围，表明 OSD 疲劳研究无须考虑货车左右轮或相邻车道货车并行的叠加效应。在显著局部应力范围内，货车每个车轴在纵肋-面板(RD)构造细节产生一个应力循环；跨肋式是 RD、纵肋-横隔板(RF)焊缝和弧形切口(Cutout)构造细节横桥向最不利轮载位置。轮载作用下沿横桥向，RD 面板侧以面板受纵肋腹板支承的连续梁受力为机理，纵肋侧以 RD 两侧面板和纵肋的弯矩平衡受力为机理；纵肋-横隔板纵肋侧(RF-R)构造细节以横隔板支承的连续梁支点负弯矩受力为机理；纵肋-横隔板横隔板侧(RF-F)构造细节以位于横隔板腹板上方受压为机理；弧形切口细节以空腹桁架竖杆受压为机理。明确的轮载应力局部范围和机理，能简化 OSD 结构疲劳有限元分析，有助于改善 OSD 结构抗疲劳设计。关键词：疲劳；正交异性钢桥面板；构造细节；局部应力效应；应力机理；轮载试验；有限元分析中图分类号：U441+.5文献标志码：Adoi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0722STRESSBEHAVIORSANDMECHANISMOFDETAILSOFORTHOTROPICSTEELDECKUNDERWHEELLOADSZHUZhi-wen1,2,LIJian-peng2,TANGQin1(1.DepartmentofCivilandEnvironmentalEngineering,ShantouUniversity,Shantou,Guangdong515063,China;2.SchoolofCivilEngineering,HunanUniversity,Changsha,Hunan410082,China)Abstract:Inordertoclarifythestresslocaleffectsandstressbehaviorsatdetailsoftheorthotropicsteeldeck(OSD)under wheel loads,truck loading tests and finite element analysis were carried out at three typicaltransverseloadinglocations.Stress-timehistorieswererecordedatthedetailsoftheOSDtoinvestigatetheirstressbehaviorsandmechanismunderthepassageofatruckwithaverylowspeed.TheresearchfindsthatthedetailsoftheOSDimposesignificantstresslocaleffectsunderwheelloads,whichislimitedtotherangeofonecenter-to-centerribspaceonbothsidesofwheelcenterinbridgetransversedirectionislimitedinazoneoftwocenter-to-center rib spaces in the transverse direction.Hence,the stress superimposition at the details,simultaneouslyproducedbytheleftandrightwheelsofatruckorproducedbytruckstravelingside-by-sideonadjacentlanes,canbeignored.Fortheareawithsignificantstresslocaleffects,oneaxleproducesanindividualstresscycleattherib-to-deck(RD)detail.Theriding-rib-wallloadingisthemostcriticalloadinglocationsinbridgetransversedirectionfortheRD,rib-to-floorbeam(RF)weldsandcutoutdetails.Underthewheelloads,themechanismofstressatRDdetailisthatthedeckplateactsasacontinuousbeamsupportedbytheribwall,andthatthemomentontheribwallsatisfiesthemomentequilibriumconditionamongbothsidesofdeckplateandthe收稿日期：2021-09-17；修改日期：2022-01-01基金项目：国家自然科学基金项目(51878269，52278509)通讯作者：祝志文(1968)，男，湖南人，教授，博士，主要从事钢结构桥梁研究(E-mail:).作者简介：李健朋(1993)，男，江苏人，博士生，主要从事钢桥疲劳研究(E-mail:);汤琴(1995)，女，湖南人，硕士生，主要从事钢结构桥梁研究(E-mail:).第40卷第3期Vol.40No.3工程力学2023 年3月Mar.2023ENGINEERINGMECHANICS163ribwall.ThemechanismofstressattheRFweldattheribside(RF-Rdetail)isthenegativemomentactingonribsatitssupportsprovidedbyfloorbeam.ThemechanismofstressattheRFweldatthefloorbeamside(RF-Fdetail)isduetoitslocationattheupperportionoffloorbeamweb,whilethemechanismofstressatcutoutdetailisthecompressiveforceintheverticalelementintheVierendeeltrussmodel.UnderstandingthestresslocaleffectsandtheirmechanismcansimplifyfatigueinvestigationoftheOSDusingthefiniteelementanalysis,whichfacilitatesthedesignoftheOSDagainstfatiguedamage.Keywords:fatigue;orthotropic steel deck;connection detail;stress local effect;stress mechanism;wheelloadingtest;finiteelementanalysis正交异性钢桥面板(OSD)由面板、纵肋和横隔板通过焊接形成，目前在国内外桥梁工程中得到了极为广泛的应用13。由于该结构焊缝数量多、构造和受力复杂，在随机集中轮载特别是超载车的反复作用下，可能出现构造细节的疲劳裂纹的萌生和扩展45。特别是早期建设的 OSD 桥梁，因基于强度设计，面板、纵肋和横隔板均设计较薄，更易出现早期疲劳病害67。这些疲劳开裂的主要构造细节，包括纵肋-面板(RD)、纵肋-横隔板(RF)、弧形切口(Cutout)和纵肋对接焊等89。经多年研究和工程应用，在 OSD 设计和制造上提出了一些新的细节设计和制造工艺，如增大面板厚度、纵肋对接采用高强螺栓、改进的弧形切口形状10、钢-UHPC 组合结构桥面11、降低构造细节的焊接残余应力12、纵肋-面板双侧焊13等，使得 OSD 构造细节的疲劳性能有较大的改善。但钢箱梁桥 OSD 疲劳开裂时有报道，并导致铺装层破坏，严重影响了桥梁的通行舒适性和结构耐久性14。模型试验和有限元分析表明，OSD 结构的应力局部效应显著3，但至今为止，应力局部效应只有定性而无定量的研究结果。另外，模型试验和有限元分析能一定程度获得 OSD 构造细节的荷载应力行为，但这两种方法均只能建立一定数量纵肋和横隔板的模型，无法反映钢桥面的真实边界条件和 OSD 在货车通行下的整体和局部应力行为；实际轮载应力大小和分布，以及铺装层的动态模量难以准确模拟15，现场控制加载试验能真实反映 OSD 结构、构造细节及边界条件16，完全获知并准确定位轮载，是研究 OSD 疲劳敏感构造细节应力行为和机理的最有效方法17。本文通过某大跨度 OSD 桥梁上横桥向 3 个典型工况的货车加载试验，获得了轮载横桥向不同位置OSD 多个构造细节的应力响应，定量研究了OSD构造细节的应力局部效应特征。同时通过有限元分析，进一步明确了各构造细节的受力特征与受力机理，为正交异性钢桥面板桥梁的合理结构设计和简化有限元疲劳分析模型提供参考。1桥梁概况与试验布置某主跨 820m 的大跨度双塔混合梁斜拉桥，其主桥北边跨采用混凝土主梁，中跨和南边跨采用钢主梁。中跨主梁标准节段为 PK 断面钢箱梁，横断面如图 1(a)所示。主梁含风嘴全宽 38.5m，桥面设计双向 33.75m 行车道和 3.75m 右路肩，中间带宽度 2.5m，桥面宽度为 33.5m，钢箱梁中心线处内轮廓高 3.8m。桥梁设计车速为 100km/h，设计荷载为公路-I 级。桥面采用 OSD，上铺 70mm环氧沥青混凝土。OSD 采用桥梁用结构钢 Q345qD，弹性模量为 2.11011Pa。30030016R34R115桥梁中心线3800E695056706630R1R12R11R13W150033 500/2100018090(a)1/2钢箱梁(b)OSD构造图1钢箱梁和 OSD 布置/mmFig.1LayoutofsteelboxgirderandOSD典型节段钢箱梁 OSD 如图 1(b)所示，其中面板厚 16mm、纵肋厚 8mm。箱内、外横隔板均采用实腹式，其腹板由上连接板和下横隔板组成，164工程力学其中上连接板厚 20mm，下横隔板在斜拉索锚箱处厚 16mm，非锚箱处厚 12mm，横隔板间距3m；纵肋和面板焊缝为全熔透双侧焊。试验断面位于大桥主跨跨中偏北第 2 个横隔板，横桥向位于西侧半幅(南向车道)，横桥向从西往东对纵肋编号，并用 R11 代表 11 号纵肋，其他类推。试验采用温度自补偿应变片，其基底尺寸为7.1mm4.1mm，敏感栅尺寸为 3.2mm2.54mm，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，工作温度最高达 80。应变片布置在紧靠车道设计轮迹线下方的 R11R13 两侧的构造细节，如图 2 所示。参考名义应力法，全部应变片布设在垂直于构造细节焊趾或平行于自由边 6mm 位置处1819，其中 RD 构造细节测点位于两横隔板的跨中位置。图 3(a)是 RD 构造细节应变片的粘贴位置示意图；图 3(b)和图 3(c)分别是布置在实桥RD、RF 焊缝和 Cutout 构造细节上的应变片。经测量合格的应变片接入 DH3820 动态应变采集系统，试验当日多云转晴，最高温度 33，最低21。车道标志线1-111-121-101-16 2-42-21-71-81-62-52-82-61-5 1-31-42-102-121-21-1R