正交異性鋼橋面板典型細節(jié)疲勞強度研究

王春生，翟慕賽,2，HouankpoT O N

(1. 長安大學公路學院橋梁工程研究所，陜西，西安 710064；2. 蘇州科技大學土木工程學院，江蘇，蘇州 215009)

正交異性鋼橋面板構(gòu)造復雜，連接焊縫較多，在疲勞荷載、制造缺陷及環(huán)境因素作用下容易出現(xiàn)疲勞問題。自1971 年Severn 橋檢測出大量疲勞裂紋以來，美國、日本、荷蘭等國家先后出現(xiàn)鋼橋面板疲勞開裂現(xiàn)象，在中國甚至有開通運營不到十年的鋼橋面板檢測出疲勞裂紋[1]。國內(nèi)外學者對鋼橋面板疲勞性能開展了大量的試驗研究，取得了一定的研究成果，大大提升了鋼橋面板的疲勞性能，也推動了鋼橋面板在實際工程中的應(yīng)用。然而，實際工程中鋼橋面板開裂現(xiàn)象仍然廣泛存在，如何解決正交異性鋼橋面板的疲勞開裂問題、確保結(jié)構(gòu)使用安全，已成為世界性的技術(shù)難題[2?4]。

目前，正交異性鋼橋面板抗疲勞設(shè)計和疲勞評估主要采用基于應(yīng)力-壽命曲線(S-N 曲線)的疲勞累計損傷理論，前提是根據(jù)細節(jié)構(gòu)造和受力特性確定疲勞強度及對應(yīng)的S-N 曲線。BS 5400[5]指出，在進行正交異性鋼橋面板抗疲勞設(shè)計時，需通過疲勞試驗確定各細節(jié)的疲勞強度。20 世紀七十年代，英國運輸與道路研究試驗室(Transport and road research laboratory，TRRL)根據(jù)Severn橋鋼橋面板的構(gòu)造型式進行了足尺模型疲勞試驗，給出了多個典型細節(jié)的疲勞強度。Fisher[6]和Cuninghame[7]以實際工程中的正交異性鋼橋面板為背景，開展了足尺模型試驗研究，為早期正交異性鋼橋面板抗疲勞設(shè)計提供了技術(shù)依據(jù)，也為相關(guān)規(guī)范的制定提供了數(shù)據(jù)支撐。歐洲EUROCODE規(guī)范[8]、美國AASHTO 規(guī)范[9]將正交異性鋼橋面板疲勞敏感細節(jié)進行詳細分類，并確定了相應(yīng)的疲勞細節(jié)等級及S-N 曲線型式。中國自改革開放以來，正交異性鋼橋面板在公路、鐵路橋梁中的應(yīng)用比例逐步增加，尤其是隨著鋼鐵產(chǎn)能的提高和鋼橋建設(shè)的大力推進，鋼橋面板在中國交通基礎(chǔ)設(shè)施中的應(yīng)用將進一步擴大。為提升鋼橋疲勞性能、保障實橋運營安全、促進鋼橋面板的工程應(yīng)用，中國學者先后開展了一系列的疲勞試驗研究。2015 年頒布實施的《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》(JTG D64?2015，簡稱“JTG D64”)[10]中給出了正交異性鋼橋面板典型細節(jié)的疲勞強度等級和對應(yīng)的S-N 曲線。

正交異性鋼橋面板疲勞強度與設(shè)計參數(shù)、細節(jié)構(gòu)造及制造質(zhì)量等因素密切相關(guān)，在進行抗疲勞設(shè)計或疲勞安全評估時，疲勞強度等級及S-N曲線的選取決定了設(shè)計或評估結(jié)果的可靠性?，F(xiàn)行規(guī)范中給出的疲勞強度等級，主要是基于20 世紀70 年代至21 世紀初的小尺度模型試驗結(jié)果，其能否代表細節(jié)的實際疲勞強度尚需要依據(jù)近20 年國內(nèi)外具有代表性的研究成果進行校核、改進。當前鋼結(jié)構(gòu)制造企業(yè)的生產(chǎn)水平參差不齊，焊接缺陷、制造偏差等客觀存在，加之強迫組裝引入的制造應(yīng)力，嚴重影響結(jié)構(gòu)的疲勞性能，導致典型細節(jié)疲勞強度很難達到設(shè)計要求，這也是正交異性鋼橋面板容易過早出現(xiàn)疲勞開裂、實際使用壽命較短的主要原因之一。針對當前的抗疲勞設(shè)計與鋼橋建造水平，如何合理的選取正交異性鋼橋面板疲勞強度等級，已經(jīng)成為一個迫切需要回答和解決的工程焦點問題。

為合理確定鋼橋面板典型細節(jié)疲勞強度，本文首先對國內(nèi)外主要疲勞試驗成果進行系統(tǒng)總結(jié)，確定有效的鋼橋面板疲勞試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合典型細節(jié)疲勞開裂機理，提出適應(yīng)于中國抗疲勞設(shè)計與建造水平的正交異性鋼橋面板疲勞強度等級。

1 鋼橋面板疲勞強度試驗方法

1.1 典型疲勞細節(jié)分類

圖1 正交異性鋼橋面板典型疲勞細節(jié)Fig.1 Typical fatigue details of orthotropic steel bridge deck

正交異性鋼橋面板疲勞敏感細節(jié)包括頂板與縱肋連接細節(jié)、縱肋與橫隔板連接細節(jié)、橫隔板挖孔細節(jié)和縱肋拼接細節(jié)等(圖1)。頂板與縱肋連接細節(jié)主要有4 種類型的疲勞裂紋，分別為：1)萌生于頂板焊趾、向頂板擴展的裂紋A；2)萌生于頂板焊根、向頂板擴展的裂紋B；3)萌生于縱肋腹板焊趾、向腹板擴展的裂紋C；4)萌生于頂板焊根、沿焊喉方向擴展的裂紋D?？v肋與橫隔板連接細節(jié)主要有兩種類型的疲勞裂紋：1)萌生于縱肋焊趾處、向縱肋腹板擴展的裂紋E；2)萌生于橫隔板焊趾側(cè)、向橫隔板擴展的裂紋F。橫隔板挖孔細節(jié)裂紋(裂紋G)一般萌生于工藝孔最不利截面邊緣，縱肋拼接細節(jié)裂紋(裂紋H)一般萌生于底板中心或底板弧形過渡段。此外，受制造缺陷、拼裝誤差等因素的影響，疲勞裂紋也可能萌生于頂板與橫隔板連接焊縫，頂板與縱隔板連接焊縫、橫隔板與縱隔板連接焊縫等位置。

1.2 疲勞強度試驗方法

正交異性鋼橋面板疲勞強度的影響因素較多，且具有一定的隨機性，這使得鋼橋面板疲勞問題研究具有較高的挑戰(zhàn)性。針對正交異性鋼橋面板典型細節(jié)疲勞強度，研究方法主要包括疲勞試驗和以疲勞試驗為基礎(chǔ)的理論分析法等。疲勞試驗是迄今為止研究正交異性鋼橋面板疲勞強度最為重要的方法，主要分為局部模型疲勞試驗和足尺節(jié)段模型疲勞試驗。

早期受限于加載系統(tǒng)的能力，一般采用局部試件模型進行疲勞試驗，對于邊界效應(yīng)、尺寸效應(yīng)和焊接熱效應(yīng)不太敏感的疲勞細節(jié)，能夠得到具有一定保證率的疲勞強度等級。Ya 等[11]和袁周致遠等[12]學者采用彎曲振動型疲勞試驗機進行了大量的鋼橋面板典型細節(jié)局部模型疲勞試驗(圖2(a))，榮振環(huán)等[13]和趙欣欣等[14]分別采用局部模型疲勞試驗對鋼橋面板縱肋拼接細節(jié)、頂板與縱肋連接細節(jié)進行疲勞試驗研究。足尺節(jié)段模型較局部試件模型尺寸大，模型加工和制造質(zhì)量更符合實際情況，能夠更好的代表實際工程中典型細節(jié)的受力行為。Tsakopoulos 和Fisher[15]采用大型足尺節(jié)段模型，對Williamsburg、Bronx-Whitestone 等橋梁采用的正交異性鋼橋面板進行疲勞試驗(圖2(b))，王春生等[16]和張清華等[17]也分別基于實際工程開展了鋼橋面板足尺節(jié)段模型疲勞試驗研究，獲得了多個細節(jié)的疲勞強度。

圖2 鋼橋面板疲勞試驗方法Fig.2 Fatigue test methods for steel bridge decks

國內(nèi)外開展的疲勞試驗研究成果中，受模型尺度、板件尺寸、試驗方法、加載方式等因素影響，試驗結(jié)果離散型較大。局部模型疲勞試驗具有較強的針對性，能夠靈活開展特定細節(jié)的疲勞強度試驗，且對試驗加載系統(tǒng)的能力要求較低，試驗規(guī)模小、成本低，試驗效率較高。對于局部構(gòu)造復雜，受邊界效應(yīng)、尺寸效應(yīng)和焊接熱效應(yīng)影響較大的構(gòu)造細節(jié)，局部試件模型一般無法滿足試驗要求。足尺節(jié)段模型尺寸較大，試驗時對疲勞加載系統(tǒng)的能力要求較高，相比于局部試件模型試驗效率低、試驗成本較高，但試驗結(jié)果更具代表性。因此，在開展鋼橋面板疲勞強度試驗研究時，應(yīng)根據(jù)各細節(jié)構(gòu)造受力特性選取合理的試驗方案。

本文為保證試驗數(shù)據(jù)的有效性、可靠性，選取的數(shù)據(jù)均為國內(nèi)外具有代表性的疲勞試驗，尤其是近20 年來開展的足尺疲勞試驗結(jié)果，結(jié)合中國實橋正交異性鋼橋面板使用狀況，對典型細節(jié)疲勞強度進行系統(tǒng)研究。

2 鋼橋面板疲勞強度試驗研究

2.1 縱肋與頂板連接細節(jié)

頂板與縱肋主要通過角焊縫或部分熔透焊縫連接，早期多采用角焊縫連接，將縱肋腹板邊緣切邊后與頂板密貼，采用手工焊接或半自動焊接。隨著焊接技術(shù)的進步，部分熔透焊縫被應(yīng)用于頂板與縱肋細節(jié)的連接，焊接多采用半自動或全自動控制，焊縫質(zhì)量易于保證，大大提高了該細節(jié)的疲勞強度。然而，正交異性鋼橋面板為薄壁結(jié)構(gòu)，頂板與縱肋細節(jié)在車輛輪載直接作用下局部變形較大，且焊接過程中存在著焊接殘余應(yīng)力，該細節(jié)的疲勞開裂現(xiàn)象仍然不斷出現(xiàn)。英國Severn 橋、荷蘭Van Brienenoord 橋、中國虎門大橋等鋼橋面板中均出現(xiàn)了此類疲勞開裂現(xiàn)象。頂板與縱肋連接細節(jié)疲勞裂紋多萌生于焊根或焊趾等隱秘位置，穿透頂板后會沿著縱向繼續(xù)擴展，發(fā)現(xiàn)時一般已擴展至一定長度。橋面鋪裝在頂板開裂位置會出現(xiàn)不同程度的破損，導致雨水下滲，進一步影響正交異性鋼橋面板疲勞耐久性能，因此該細節(jié)疲勞裂紋危害極大，在實際工程中必須引起足夠的重視。

頂板與縱肋連接細節(jié)疲勞裂紋共有4 類，疲勞試驗和實橋檢測中4 種裂紋形式都有存在，因此本文在總結(jié)國內(nèi)外疲勞試驗成果時僅對焊縫形式(角焊縫、部分熔透焊縫)進行區(qū)分，任意一種裂紋出現(xiàn)時即認為細節(jié)疲勞失效。已開展的疲勞試驗中，包括局部試件模型和足尺節(jié)段模型，局部試件模型主要考慮頂板的彎曲效應(yīng)，而單肋足尺模型、多肋足尺模型則可以更真實模擬實際正交異性鋼橋面板的受力行為。早期正交異性鋼橋面板頂板與縱肋連接細節(jié)采用角焊縫連接，JTG D64、EUROCODE 規(guī)定該角焊縫細節(jié)疲勞強度為50 級(即200 萬次循環(huán)荷載作用下疲勞強度為50 MPa)，AASHTO 中并未給出該細節(jié)的疲勞強度等級。Maddox[18]采用局部構(gòu)造板件模型和單肋足尺模型對該細節(jié)進行疲勞試驗，趙欣欣等[14]、Janss[19]和田洋等[20]采用單肋足尺模型對頂板與縱肋角焊縫連接細節(jié)疲勞強度進行試驗研究，試驗結(jié)果如圖3 所示。Maddox[18]和Janss[19]的疲勞試驗獲得的有效數(shù)據(jù)比較集中，角焊縫細節(jié)疲勞強度高于JTG D64規(guī)范的50 級(EUROCODE 規(guī)范的50 級、AASHTO規(guī)范的E 級)。趙欣欣等[14]和田洋等[20]采用的單肋足尺模型疲勞試驗獲得的疲勞強度較高，甚至達到JTG D64 規(guī)范的100級(EUROCODE 規(guī)范的100 級、AASHTO 規(guī)范的C 級)。

圖3 頂板與縱肋角焊縫連接細節(jié)疲勞試驗結(jié)果F ig. 3 Fatigue test results for deck-to-rib detail with fillet weld

現(xiàn)代正交異性鋼橋面板頂板與縱肋細節(jié)大多采用部分熔透焊縫連接，一般要求名義熔透率80%，最小熔透率70%，JTG D64 規(guī)范中該細節(jié)疲勞強度為70 級、EUROCODE 規(guī)范中為71 級、AASHTO 規(guī)范中為C 級。Ya 等[11]采用局部構(gòu)造板件模型對不同板件厚度、不同熔透率的頂板與縱肋連接細節(jié)進行疲勞試驗，陳一馨[21]同樣采用局部構(gòu)造板件模型對該細節(jié)熔透焊縫疲勞強度進行試驗研究。田洋等[20]、Bignonnet 等[22]、Mori等[23]、陶曉燕[24]、趙欣欣[25]和Li 等[26]分別采用單肋足尺模型對頂板與縱肋部分熔透焊縫細節(jié)進行疲勞試驗。文獻[16]采用多肋足尺節(jié)段模型對頂板與縱肋部分熔透焊縫連接細節(jié)進行疲勞試驗研究，如圖4 所示，試驗結(jié)束時在多個典型細節(jié)出現(xiàn)了疲勞裂紋，得到了頂板與縱肋連接細節(jié)的疲勞強度等級。

頂板與縱肋部分熔透焊縫連接細節(jié)疲勞試驗成果見圖5，局部構(gòu)造板件模型疲勞試驗結(jié)果均高于JTG D64 規(guī)范90 級(EUROCODE 規(guī)范90 級、AASHTO 規(guī)范C 級)。國外開展的足尺模型試驗結(jié)果中疲勞強度基本高于JTG D64 規(guī)范的90 級(EUROCODE 規(guī)范的90 級、AASHTO 規(guī)范的C 級)。中國進行的足尺模型疲勞試驗中，除田洋得出的疲勞強度較高以外，陶曉燕[24]、趙欣欣[25]和文獻[16]試驗結(jié)果中該細節(jié)疲勞強度相當于JTG D64 規(guī)范的70 級(EUROCODE 規(guī)范的71 級、AASHTO 規(guī)范的D 級)。

圖4 頂板與縱肋連接細節(jié)足尺疲勞試驗[16]Fig.4 Full-scale fatigue test for deck-to-rib detail[16]

圖5 頂板與縱肋部分熔透焊縫連接細節(jié)疲勞試驗結(jié)果Fig.5 Fatigue test results for deck-to-rib detail with partial penetration weld

頂板與縱肋連接細節(jié)疲勞試驗研究結(jié)果表明，板件模型得出的疲勞強度總體高于足尺模型，由于足尺模型，尤其是大型足尺節(jié)段模型中細節(jié)疲勞行為與實橋比較接近，因此大型足尺模型試驗結(jié)果參考價值更高。

2.2 縱肋與橫隔板連接細節(jié)

縱肋與橫隔板連接細節(jié)早期采用縱肋在橫隔板處斷開、縱肋兩端與橫隔板分別焊接的形式，后發(fā)展為橫隔板開孔、縱肋連續(xù)穿過橫隔板與之焊接相連，包括兩種構(gòu)造形式：1)橫隔板僅開槽型孔，采用縱肋與橫隔板繞焊連接；2)在槽型孔基礎(chǔ)上，擴大下部開孔面積，縱肋腹板與橫隔板焊接、釋放縱肋腹板下部及縱肋底板，現(xiàn)代正交異性鋼橋面板中一般均采用此構(gòu)造型式，本文中縱肋與橫隔板連接細節(jié)若無特殊說明時均指此構(gòu)造型式?？v肋與橫隔板連接細節(jié)在橫隔板面外變形、縱肋扭轉(zhuǎn)變形及焊接殘余應(yīng)力共同作用下，容易出現(xiàn)疲勞裂紋[27]。JTG D64、EUROCODE 規(guī)范中規(guī)定橫隔板厚度不大于12 mm 時縱肋與橫隔板連接細節(jié)疲勞強度為80 級，橫隔板厚度大于12 mm 時疲勞強度分別為70 級、71 級，AASHTO規(guī)范中為C 級。

縱肋與橫隔板連接細節(jié)的疲勞試驗基本都是以足尺模型開展的，Kolstein 等[28?29]和Lehrke[30]分別采用多肋足尺模型面外加載和面外、面內(nèi)組合加載形式進行疲勞試驗，結(jié)果表明采用面外、面內(nèi)組合加載形式更接近于實橋受力狀態(tài)，疲勞裂紋多萌生于縱肋焊趾處并在縱肋腹板內(nèi)沿縱向擴展。陳一馨[21]采用局部足尺模型和張清華等[17,31]以港珠澳大橋為背景分別對縱肋與橫隔板連接細節(jié)開展疲勞試驗研究。文獻[16]開展的疲勞試驗中，在多個位置縱肋腹板焊趾處出現(xiàn)了疲勞裂紋，根據(jù)測點應(yīng)力突變時的循環(huán)次數(shù)，確定了該細節(jié)的疲勞強度等級。對萌生于橫隔板焊趾處、向橫隔板擴展的疲勞裂紋，Beales[32]采用單肋V 型肋、Kolstein[33]采用多肋足尺模型(U 型肋)分別開展縱肋與橫隔板連接細節(jié)進行疲勞試驗研究。

國內(nèi)外疲勞試驗成果如圖6 所示，裂紋由縱肋焊趾處萌生、在縱肋腹板內(nèi)沿縱向擴展時，縱肋與橫隔板連接細節(jié)疲勞強度相當于JTG D64 規(guī)范的55 級(EUROCODE 規(guī)范的56 級、AASHTO規(guī)范的E 級)，低于現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范中該細節(jié)的疲勞強度等級，見圖6(a)?？v肋與橫隔板連接細節(jié)橫隔板焊趾處疲勞強度相當于JTG D64 規(guī)范的70 級(EUROCODE 規(guī)范的71 級、AASHTO 規(guī)范的D級)，與EUROCODE、JTG D64 規(guī)范中的規(guī)定一致，低于AASHTO 規(guī)范中該細節(jié)的疲勞強度等級，見圖6(b)。

2.3 橫隔板挖孔細節(jié)

圖6 縱肋與橫隔板連接細節(jié)疲勞試驗結(jié)果Fig.6 Fatigue test results for rib-to-diaphragm detail

為了使縱肋連續(xù)通過橫隔板、提高縱肋與橫隔板連接細節(jié)的疲勞性能，需要在橫隔板上開工藝孔，橫隔板剛度受到一定程度削弱，在荷載作用下橫隔板面外變形增大。由于挖孔邊緣在生產(chǎn)制造過程中存在一定的初始缺陷，強迫組裝易引入一定的制造應(yīng)力，在車輛荷載、殘余應(yīng)力等耦合作用下容易發(fā)展成疲勞裂紋，因此橫隔板挖孔細節(jié)是正交異性鋼橋面板重要的疲勞敏感細節(jié)之一。橫隔板挖孔細節(jié)疲勞裂紋一般出現(xiàn)在挖孔邊緣的最不利截面，由于不同孔型的構(gòu)造與受力特點差異，裂紋主要萌生于工藝孔的上弧段或下弧段。JTG D64 規(guī)范中規(guī)定橫隔板挖孔細節(jié)疲勞強度為70 級，EUROCODE 規(guī)范中該細節(jié)為71 級，AASHTO 規(guī)范中為A 級。

國內(nèi)外橫隔板挖孔細節(jié)疲勞試驗均采用單肋或多肋足尺模型進行，加載方式主要分為三種，即面內(nèi)加載、面外加載和面內(nèi)-面外組合加載。Lehrke[30]采用面內(nèi)加載方式對多肋足尺模型進行疲勞試驗，Kolstein[33]、Caramelli[34]和張敏[35]采用面外加載或面內(nèi)-面外組合加載進行疲勞試驗，試驗結(jié)果見圖7。

面內(nèi)加載疲勞試驗結(jié)果中橫隔板挖孔細節(jié)疲勞強度均達到了JTG D64 規(guī)范的125 級(EUROCODE規(guī)范的125 級、AASHTO 規(guī)范的B 級)，高于JTG D64、EUROCODE 規(guī)范中的疲勞強度等級，而低于現(xiàn)行AASHTO 規(guī)范中的規(guī)定。采用面外加載或面內(nèi)-面外組合加載形式進行的疲勞試驗，橫隔板挖孔細節(jié)疲勞強度相當于JTG D64 規(guī)范的100 級(EUROCODE 規(guī)范的100 級、AASHTO 規(guī)范的C級)，高于JTG D64、EUROCODE 規(guī)范中的疲勞強度等級，而低于現(xiàn)行AASHTO 規(guī)范中的疲勞強度等級。中國正交異性鋼橋面板橫隔板挖孔細節(jié)疲勞開裂現(xiàn)象非常嚴重，根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果分析該細節(jié)疲勞開裂誘因應(yīng)包括制造邊緣缺陷、安裝偏差、殘余應(yīng)力、面外變形等因素，在確定疲勞強度等級時應(yīng)考慮這些因素對細節(jié)疲勞性能的影響。

圖7 橫隔板挖孔細節(jié)疲勞試驗結(jié)果Fig.7 Fatigue test results for diaphragm cutout detail

2.4 縱肋拼接細節(jié)

正交異性鋼橋面板在生產(chǎn)加工過程中，為了運輸、安裝方便，通常將結(jié)構(gòu)劃分為一定長度的節(jié)段，節(jié)段之間的拼接全部在施工現(xiàn)場進行。實際工程中橋面板節(jié)段之間的拼接可通過焊接連接，在相鄰節(jié)段間預(yù)留一定長度的縱肋嵌補段，分別與相鄰節(jié)段縱肋連接實現(xiàn)拼裝。為提升節(jié)段拼裝部位的抗疲勞性能，也有采用縱肋栓接、頂板焊接的栓焊混合連接方式，如圖8 所示。對于縱肋拼接焊接細節(jié)，JTG D64 規(guī)范中規(guī)定其疲勞強度為70 級，EUROCODE 規(guī)范中為71 級，AASHTO規(guī)范中為D 級?？v肋拼接焊接細節(jié)疲勞裂紋一般由縱肋底板焊縫萌生、沿著焊縫向縱肋腹板擴展，在工程中較為常見，而高強螺栓拼接細節(jié)目前尚未有實橋疲勞開裂的報道。縱肋對接焊縫現(xiàn)場施焊時多采用仰焊，加之受現(xiàn)場施焊條件影響，焊接質(zhì)量較難保證，在實際工程中縱肋拼接焊縫是抗疲勞設(shè)計與評估的重點關(guān)注細節(jié)之一。

圖8 縱肋拼接方式Fig.8 Rib-to-rib splice types

現(xiàn)行規(guī)范中對縱肋焊接細節(jié)不同焊接方式進行疲勞強度等級分類，焊接方式主要有雙面全熔透對接焊縫和帶墊板條的單面全熔透對接焊縫。趙欣欣[25]、Kolstein[33]和Yamada 等[36]對3 mm 以下拼裝間隙的縱肋拼接細節(jié)進行試驗研究，童樂為和沈祖炎[37]采用足尺模型對拼裝間隙3 mm 的開口肋拼接細節(jié)進行疲勞試驗，試驗結(jié)果如圖9(a)所示。拼裝間隙小于3 mm 時，疲勞試驗數(shù)據(jù)比較離散，總體來說疲勞強度較低，僅相當于JTG D64規(guī)范的35 級(EUROCODE 規(guī)范的36 級、AASHTO規(guī)范E’級)，低于現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范中的疲勞強度等級。

圖9 縱肋拼接細節(jié)疲勞試驗結(jié)果Fig.9 Fatigue test results for rib-to-rib detail

榮振環(huán)等[13]、Kolstein[33]、Caramelli[34]、Yamada等[36]、Tromp[38]和黃云等[39]對拼裝間隙4 mm～6 mm 的縱肋拼接細節(jié)進行疲勞試驗，文獻[40]和文獻[41]采用多肋足尺模型對縱肋拼接細節(jié)進行疲勞試驗(圖10)，試驗結(jié)果見圖9(b)。拼裝間隙4 mm～6 mm 的縱肋拼接細節(jié)疲勞強度高于JTG D64規(guī)范的70 級(EUROCODE 規(guī)范的71 級、AASHTO規(guī)范的D 級)，與現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范中疲勞強度等級劃分基本一致。Cuninghame[7]、Kolstein 等[28]對拼裝間隙8 mm、12 mm 的縱肋拼接細節(jié)進行疲勞試驗，表明該細節(jié)疲勞強度達到JTG D64 規(guī)范的100 級(EUROCODE 規(guī)范的100 級、AASHTO 規(guī)范的C 級)，高于現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范中的疲勞強度等級，見圖9(c)。

圖10 縱肋拼接細節(jié)足尺模型疲勞試驗[40 ? 41]Fig.10 Fatigue test for rib-to-rib detail in full scale model[40 ? 41]

3 典型細節(jié)疲勞強度等級確定

根據(jù)國內(nèi)外正交異性鋼橋面板疲勞試驗研究成果，結(jié)合中國當前抗疲勞設(shè)計與建造技術(shù)水平，以提出符合實際情況的典型細節(jié)疲勞強度等級。頂板與縱肋連接細節(jié)受焊縫型式影響較大，采用角焊縫連接時，早期疲勞試驗結(jié)果中疲勞強度較低，隨著焊接技術(shù)的進步和焊接水平的提高，該細節(jié)疲勞性能總體上優(yōu)于早期的試驗結(jié)果。鑒于目前存在著一定比例的在役正交異性鋼橋面板修建年代較早，在抗疲勞設(shè)計和疲勞評估時建議該細節(jié)疲勞強度按早期試驗結(jié)果取用，建議該細節(jié)疲勞強度等級取為JTG D64 規(guī)范的50 級(EUROCODE 規(guī)范的50 級、AASHTO 規(guī)范的E 級)，與現(xiàn)行JTG D64、EUROCODE 規(guī)范中的規(guī)定一致。采用部分熔透焊縫連接時，研究成果國外學者開展的疲勞試驗結(jié)果總體高于國內(nèi)，表明中國正交異性鋼橋面板頂板與縱肋連接細節(jié)疲勞性能總體低于國外，在確定該細節(jié)疲勞強度時應(yīng)重點參考中國試驗研究成果。部分熔透焊縫連接的頂板與縱肋連接細節(jié)疲勞強度等級取JTG D64規(guī)范的60 級(EUROCODE 規(guī)范63 級、AASHTO規(guī)范D 級)，低于現(xiàn)行JTG D64、EUROCODE 和AASHTO 規(guī)范中的規(guī)定。

縱肋與橫隔板連接細節(jié)縱肋腹板焊趾處疲勞試驗成果中部分低于現(xiàn)行JTG D64、EUROCODE和AASHTO 規(guī)范中該細節(jié)的疲勞強度等級，偏于安全考慮建議該細節(jié)按JTG D64 規(guī)范的55 級(EUROCODE 規(guī)范的56 級、AASHTO 規(guī)范的E 級)取用。橫隔板焊趾處疲勞強度高于JTG D64 規(guī)范、EUROCODE 規(guī)范中的疲勞強度等級，而低于現(xiàn)行AASHTO 規(guī)范的規(guī)定，建議該細節(jié)按JTG D64 規(guī)范的70 級(EUROCODE 規(guī)范的71 級、AASHTO 規(guī)范的D 級)進行抗疲勞設(shè)計和疲勞評估。

橫隔板挖孔細節(jié)疲勞性能受制造誤差、殘余應(yīng)力及面外變形等因素影響，在實際工程中疲勞開裂現(xiàn)象較為嚴重。國內(nèi)外開展的疲勞試驗研究中，得出的該細節(jié)疲勞強度顯著高于現(xiàn)行JTG D64、EUROCODE 規(guī)范中的規(guī)定，而低于現(xiàn)行AASHTO 規(guī)范中(B 級)的規(guī)定。結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，建議橫隔板挖孔細節(jié)抗疲勞設(shè)計或疲勞評估時采用JTG D64 規(guī)范的70 級(EUROCODE 規(guī)范的71 級、AASHTO 規(guī)范的C 級)，與JTG D64、EUROCODE 規(guī)范中的疲勞強度等級一致，低于現(xiàn)行AASHTO 中的疲勞強度等級。在制造過程中，應(yīng)保證挖孔邊緣打磨光滑，安裝偏差小于設(shè)計允許值，通過提高制造質(zhì)量以提升該細節(jié)的疲勞性能。

縱肋拼接細節(jié)疲勞強度與拼裝間隙密切相關(guān)，縱肋拼接細節(jié)拼裝間隙小于3 mm 時，疲勞強度較低；拼裝間隙為4 mm～6 mm 時，疲勞強度高于JTG D64 規(guī)范的70 級(EUROCODE 規(guī)范的71級、AASHTO 規(guī)范的D 級)，拼裝間隙為8 mm～12 mm 時，疲勞強度高于JTG D64 規(guī)范的100級(EUROCODE 規(guī)范的100 級、AASHTO 規(guī)范的C 級)?？紤]構(gòu)造和施工因素，建議該細節(jié)設(shè)計時拼裝間隙取為4 mm～6 mm，在進行抗疲勞設(shè)計或疲勞評估時，疲勞強度按JTG D64 規(guī)范的70 級(EUROCODE 規(guī)范的71 級、AASHTO 規(guī)范的D 級)取用，與現(xiàn)行JTG D64、EUROCODE 和AASHTO規(guī)范中的規(guī)定一致。

4 結(jié)論

本文針對鋼橋面板典型細節(jié)疲勞強度，系統(tǒng)總結(jié)了國內(nèi)外主要疲勞試驗成果，確定了有效的疲勞試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合典型細節(jié)疲勞開裂機理，提出了適應(yīng)于中國抗疲勞設(shè)計與建造水平的鋼橋面板疲勞強度等級。主要研究結(jié)論如下：

(1)頂板與縱肋連接細節(jié)采用角焊縫連接時疲勞強度為50 級，采用部分熔透焊縫連接時為60 級；縱肋與橫隔板連接細節(jié)橫隔板焊趾處疲勞強度為70 級，縱肋腹板焊趾處為55 級；橫隔板挖孔細節(jié)疲勞強度為70 級；縱肋拼接細節(jié)疲勞強度與拼裝間隙密切相關(guān)，拼裝間隙小于3 mm 時疲勞強度為40 級，拼裝間隙為4 mm～6 mm 時疲勞強度取為70 級，拼裝間隙為8 mm～12 mm 時疲勞強度取為100 級。

(2)縱肋與橫隔板連接細節(jié)橫隔板焊趾處、橫隔板挖孔細節(jié)和縱肋拼接細節(jié)疲勞強度與現(xiàn)行JTG D64 規(guī)范中的規(guī)定一致；頂板與縱肋連接細節(jié)、縱肋與橫隔板連接細節(jié)縱肋腹板焊趾處疲勞強度低于JTG D64 規(guī)范中的疲勞強度等級。

(3)目前中國鋼橋制造企業(yè)的生產(chǎn)水平參差不齊，焊接缺陷、拼裝誤差等質(zhì)量控制技術(shù)措施不到位，加之在交通量增長快、輪載大、超載現(xiàn)象客觀存在等因素影響下，導致鋼橋面板使用過程中疲勞開裂問題較突出，在進行鋼橋面板抗疲勞設(shè)計或疲勞評估時，應(yīng)綜合考慮細節(jié)構(gòu)造、制造質(zhì)量以及實際使用狀況等因素，采用合理的疲勞強度等級。

(4)本文研究的是傳統(tǒng)制造工藝下鋼橋面板的疲勞強度，隨著鋼橋制造技術(shù)的進步，出現(xiàn)了頂板與縱肋雙面焊接或整體成型、鐓邊U 肋等正交異性板結(jié)構(gòu)，應(yīng)建立正交異性鋼橋面板疲勞強度試驗數(shù)據(jù)庫，及時補充更新國內(nèi)外最新的研究成果，為抗疲勞設(shè)計與疲勞評估提供參考。