桥面铺装温度对正交异性钢桥面板疲劳的影响

吴冲¹，刘海燕¹，张志宏²，孙一鸣³

（1.同济大学桥梁工程系，上海 200092；2.宁波天意钢桥面铺装技术有限公司，宁波 315042；3.上海市政工程设计研究院总院(集团)有限公司，上海 200092）

摘    要：国内外许多学者都对正交异性钢桥面板的疲劳性能进行了研究，取得了丰硕的成果。但到目前为止，鲜有学者研究桥面铺装温度对钢桥面板疲劳的影响。本文通过带桥面铺装的正交异性钢桥面板足尺模型疲劳试验，实测了不同桥面铺装温度条件下钢桥面板的受力情况，分析研究了桥面铺装温度对钢桥面板疲劳损伤度的影响。结果表明：沥青混合料钢桥面铺装刚度会随着温度升高迅速降低，导致铺装层下的正交异性钢桥面板受力迅速增加；在相同的荷载条件下，高温（55℃）条件下钢桥面板疲劳损伤度约为常温（10℃）的21倍。

关键词：正交异性钢桥面板；疲劳试验；损伤度；桥面铺装温度

中图分类号：U443.3      文献标识码：A

Influence of temperature of pavements on fatigue life of orthotropic steel bridge deck

WU Chong¹, LIU Haiyan¹, ZHANG Zhihong², Sun Yiming³

（1. Dep. of Bridge Engineering, Tongji University, Shanghai200092, China;

     2. Tian yi Steel Deck Pavement Technology Co., Ltd, Ningbo315042, China;

3. Shanghai Municipal Engineering Design Institute(Group) Co. Ltd. Shanghai, 20092, China）

Abstract: Many scholars have studied the fatigue performance of orthotropic steel bridge decks and got fruitful achievements, but so far, few scholars have discussed the influence of pavements’ temperature on fatigue life of steel bridge deck. In this paper, actual stresses of the steel bridge deck were measured through fatigue test with full-scale model in different temperature conditions. The results showed that stiffness of the asphalt mixture reduced quickly with the increasing of temperature, and resulting in rapid increasing of stresses of orthotropic steel bridge deck under the pavement. The fatigue damage of the steel bridge deck at high temperature(about 55℃) condition is approximately 21 times at room temperature(about 10℃) under the same load conditions.

Key Words: Orthotropic Steel Bridge Deck; Fatigue Test; Fatigue Damage; Temperature of Pavement

1 概述

正交异性钢桥面板是由纵、横互相垂直的加劲肋连同桥面盖板所组成的共同承受车轮荷载的结构，以其自重轻、承载能力强和整体性好等优点在国内外大跨度桥梁中得到广泛应用，如日本的明石海峡大桥、法国的诺曼底大桥和中国的苏通长江大桥等都采用了正交异性钢桥面板的形式^[1]。但正交异性钢桥面板由于构造复杂、焊缝多、焊接残余应力大等原因，在车轮荷载反复作用下容易出现疲劳破坏^[2]。自1971年英国Seven Bridge首次发现正交异性钢桥面板焊接疲劳裂缝后，美国的Bronx-Whitestone Bridge、巴西的Rio-Niteroi Bridge、荷兰的Van Brienenoord Bridge、日本的Kinuura Bridge以及中国的虎门大桥等都相继发现了疲劳裂纹^[3]。

3 试验模型与试验方法

3.1 试验模型

设计了如图3所示的带桥面铺装的正交异性钢桥面板足尺试验模型，桥面板构造以及铺装厚度与实桥完全相同。桥面顶板厚度为16mm，U肋上开口宽300mm，下宽170mm，高300mm，U肋间距600mm，U肋厚度为8mm，横隔板厚度10mm，横隔板间距为3.75m，侧腹板厚16mm。整个试验模型长为8.0m，宽度为1.7m，高0.75m。桥面铺装厚度为60mm，为了对比不同铺装使用性能，试验模型其中一跨采用的树脂沥青组合体系钢桥面铺装（ERS），另一跨采用浇注式沥青混凝土铺装结构（GA+SMA），本文只研究不同温度条件下钢桥面板的受力性能，不对铺装使用性能做详细研究。

3.2 加载及数据采集设备

实验采用南非MLS测试系统责任有限公司生产的MLS66加载设备，如图4所示，MLS66是一个足尺铺面加速加载车，他可以模拟真实轮载作用到桥面铺面结构上。该加载车由刚性主框架、六组轮架及内部的配有双轮胎（305/70 R22.5）组成，轮架在垂直环形导轨中运行。当轨道运行到底部时，轮架上的轮胎与铺面接触施压。一般的双轮胎荷载为7.5 吨 (75 kN)。轮架的最大速度可达到6米/秒（22千米/小时），每小时可加载6000次。

3.3 试验测点布置

本文只研究树脂沥青组合体系钢桥面铺装（ERS）下正交异性钢桥面板的受力情况，因此，在这里只给出了铺装为ERS桥面板跨中位置应变片布置图，如图6所示，顺桥向和横桥向各三个应变片，共六个应变片，其中111-1、112-1和113-1用于测试顺桥向应变，111-2、112-2和113-2用于测试横向应变。111和113为靠近U肋与桥面板焊接位置，

3.4 试验加载方案

本次疲劳试验一共加载了250万次，其中0-50万次双轮试验荷载为50KN，50万次以后试验荷载为75KN，试验加载方案如表1所示，本次试验详细研究了温度和水对桥面铺装以及钢桥面板受力的影响，但本文只讨论温度对钢桥面桥面板受力的影响。由于170万次以前温度补偿片损坏，因此170万次以前所测得的加温时的应变是不准确的，170万次以后，重新布置了温度补偿片。

表1 试验加载方案

Table 1 Loading program of the fatigue test

4 试验结果及分析

4.1 不同温度下钢桥面板的应力对比

沥青混合料是温度敏感性材料，材料的弹性模量会随着温度的增加而减小，从而会影响钢桥面板的受力状态。本节对比研究了不同温度条件下钢桥面板的受力情况，实验230万次后钢桥面板动态采集是在室温下进行的，240万次后加温到40℃，250万次后加温到55℃。图7-图12为各测点不同温度条件下10s内的应力历程对比，从图中可以看出，在室温条件下，钢桥面板的应力最小，当加温到40℃时，桥面板的应力急剧增加，当加温到55℃时，铺装进一步软化，钢桥面板的应力继续增加。据此可以推断，在夏季高温季节，正交异性钢桥面板的受力比冬季寒冷季节高出许多，钢桥面板的疲劳损伤主要是在夏季高温季节积累的。4.2 不同温度条件钢桥面板损伤分析

4.2.1 疲劳细节及S-N曲线

U肋与桥面顶板焊接位置顶板沿着焊缝疲劳开裂是正交异性钢桥面板的一种典型疲劳破坏形式，如图13所示，其主要是由局部轮压作用下焊缝位置桥面顶板横向正应力产生的，本文以该疲劳细节（测点113-2）作为研究对象分析不同温度条件下桥面板的疲劳损伤情况。

Fig.13 Fatigue detail of top deck at the welding position of U-rib and top deck

U肋与桥面顶板焊接位置顶板沿着焊缝疲劳破坏细节的疲劳强度曲线（S-N曲线）采用丁文俊在《正交异性钢桥面板顶板细节疲劳寿命研究》中推荐的S-N曲线，如式（1）所示。

4.2.2 损伤度分析

钢桥面板的疲劳损伤度根据测点113-2动采应力计算分析，车轮加载轮压为75KN，加载频率为6000转/小时，由于车轮加载速度和轴重都是确定的，因此可以认为加载过程是一个平稳过程，数据分析时每加载10万次取其中的1分钟所采集的应变数据作为样本进行分析计算，图14—图16为各加载阶段1分钟的应力历程，试验中170万次到230万次为常温条件下进行加载，230万次到240万次为40℃条件下加载，240万次到250万次为55℃条件下加载。

Fig.16 Stress history for on minute between 2.4 million and 2.5 million loaded with temperature of 55℃

通过雨流计数法对应力历程进行计数处理，可以得到相应的应力幅频值谱，然后采用Miner累积损伤准则计算不同温度条件下桥面板的损伤度，计算分析结果如表2所示。从分析结果可以看出，常温条件下加载60万次钢桥面板的损伤度为0.002677，高温条件下20万次桥面板产生的损伤度为0.018811，换而言之，相同的车辆荷载情况下，高温环境下钢桥面板产生的疲劳损伤是常温条件下的21倍。

表2 不同温度条件下钢桥面板的损伤度

Table 1 Fatigue damage of the steel bridge deck under different temperature conditions

5 结论

本文通过正交异性钢桥面板足尺模型疲劳试验研究了不同铺装层温度条件下钢桥面板的受力情况，主要得到以下结论：

1）沥青混合料钢桥面铺装刚度会随着温度的升高而迅速降低，会导致在铺装层温度高的条件下钢桥面板的受力要比温度低时高；

2）在相同的荷载条件下，铺装层温度在高温（55℃）条件下钢桥面板疲劳损伤度约为常温（10℃）的21倍，正交异性钢桥面板的疲劳损伤主要是在夏季高温季节产生的。

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