前 言

随机性特性、多模式特性和多尺度特性是正交异性钢桥面板疲劳问题的本质属性，从问题的本质特性出发，采用结构体系方法进行相关研究有助于深化对于正交异性钢桥面板疲劳失效机理的认识。此处以典型的正交异性钢桥面板结构体系为研究对象，通过实例讨论在保持结构体系设计参数不变的条件下，分别采用传统纵肋与顶板焊接细节、新型镦边纵肋与顶板焊接细节以及新型双面焊纵肋与顶板焊接细节时，正交异性钢桥面板结构体系的疲劳失效模式和结构体系的疲劳抗力问题。研究结果表明：传统和新型镦边纵肋与顶板焊接细节的主导疲劳失效模式均为疲劳裂纹萌生于焊根并沿顶板厚度方向扩展，二者的疲劳抗力基本相同，新型镦边纵肋与顶板焊接细节不能提升构造细节的疲劳抗力；相对于上述两类纵肋与顶板焊接细节，新型双面焊纵肋与顶板焊接细节的主导疲劳失效模式为萌生于纵肋焊缝焊趾并向顶板扩展的疲劳开裂，即其构造细节疲劳失效模式的迁移，从而实现疲劳抗力的显著提高；对于结构体系而言，结构体系的主导疲劳失效模式由纵肋与顶板焊接细节焊根疲劳开裂迁移至焊趾疲劳开裂或纵肋与横隔板焊接细节疲劳开裂。

研究对象

《疲劳纵论-1：正交异性钢桥面板的疲劳特性》中，关于正交异性钢桥面板疲劳问题的既有文献的系统性统计和分析表明：纵肋与顶板焊接细节和纵肋与横隔板交叉构造细节的疲劳开裂案例分别占30.2%和61.0%，二者总比例达91.2%，两类构造细节是正交异性钢桥面板最为重要的疲劳易损细节，两类构造细节的疲劳失效机理和疲劳抗力存在显著差异，其重要疲劳失效模式如图1所示。《疲劳纵论-10：正交异性钢桥面板的疲劳问题的再认识：构造细节vs.结构体系》指出正交异性钢桥面板的疲劳问题属于典型的构造细节层面和结构体系层面的多尺度、多模式问题，构造细节层面下各疲劳失效模式的疲劳抗力和结构体系层面下各疲劳失效模式的疲劳累积损伤共同决定了正交异性钢桥面板的主导疲劳失效模式和疲劳抗力。在构造细节层面，构造细节设计、焊缝几何尺寸和初始制造缺陷等关键影响因素决定了各疲劳失效模式的实际疲劳抗力；在结构体系层面，顶板板厚、横隔板板厚和间距等结构体系设计参数共同决定了构造细节的实际受力状态，进而结构体系设计参数直接影响各疲劳失效模式的疲劳损伤累积过程。因此，同时进行构造细节和结构体系两个层面的研究，才能准确确定正交异性钢桥面板结构体系的主导疲劳失效模式及其实际疲劳抗力。此处以一座典型的采用正交异性钢桥面板的大跨度斜拉桥为研究对象，由结构体系疲劳抗力的角度入手，在对纵肋与顶板焊接细节和纵肋与横隔板交叉构造细节的重要疲劳失效模式研究的基础上，探讨正交异性钢桥面板结构体系的疲劳失效模式和抗力评估问题。

图1 正交异性钢桥面板典型疲劳失效模式

某长江公路大桥为大跨度斜拉桥，主梁采用钢箱梁，桥跨布置为98m+120m+132m＋938m＋132m+120m+98m，钢箱梁高4.5m，宽47m，双向8车道设计，钢箱梁标准断面如图2（a）所示；主跨桥面板采用典型的正交异性钢桥面板，钢材为Q370qE，顶板厚18mm、横隔板厚14mm，纵肋尺寸为300mm×280mm×8mm，纵肋中心距为600mm，横隔板间距2500mm，详细参数如图2（b）-（c）所示。该桥具有大跨、宽幅、交通量特别大和重载车辆比例高等特点，对正交异性钢桥面板的疲劳性能提出了较高的要求，拟通过在纵肋与顶板焊接细节引入新型构造细节提高该桥正交异性钢桥面板的疲劳性能。研究表明：构造细节局部刚度突变导致的应力集中和制造过程中不可避免的初始制造缺陷是导致正交异性钢桥面板疲劳开裂问题突出的主要原因；对于纵肋与顶板焊接细节而言，车辆荷载作用下纵肋与顶板之间的面外变形导致局部产生较高的弯曲应力；对于纵肋与横隔板交叉构造细节而言，车辆荷载作用下横隔板不仅承受面内竖向弯曲变形产生的弯剪复合应力，还承受面外变形和纵肋扭转产生的弯曲应力；同时，初始制造缺陷将进一步放大应力集中效应。从改善焊缝几何形态、增大局部刚度和控制初始制造缺陷等途径出发，相关学者提出多种新型构造细节以提高正交异性钢桥面板的疲劳性能。以纵肋与顶板焊接细节为例，新型构造细节主要有：①新型镦边纵肋与顶板焊接细节；②新型双面焊纵肋与顶板焊接细节，如图2（d）-（e）所示。

图2 关键设计参数（单位：mm）

分析模型的建立

正交异性钢桥面板结构体系涵盖多个主要疲劳失效模式，为在同一尺度下进行正交异性钢桥面板结构体系疲劳失效模式和疲劳抗力评估研究，可采用基于单一S-N曲线的相关方法，如切口应力法、结构应力法等，此处采用网格不敏感性的结构应力法进行体系疲劳抗力研究。结构应力法基于断裂力学原理而提出，将焊接细节开裂断面高度非线性应力分解为膜应力σ_m、弯曲应力σ_b和局部切口效应产生的非线性峰值应力σ_nl。由于σ_nl沿板厚分布属于自平衡应力，而膜应力σ_m和弯曲应力σ_b之和与外荷载平衡，因此将焊接细节沿板厚方向的非线性应力简化为线性应力，结构应力计算图示如图3所示。膜应力σm和弯曲应力σ_b可根据式（1）和式（2）通过ANSYS应力积分计算，考虑厚度效应和加载模式效应，等效结构应力ΔS_eq根据式（3）和式（4）确定。

图3 结构应力计算图示

（4）

式中：t为板厚；σ_x(y)和τ_xy(y)分别为沿B–B截面的正应力和剪应力；δ为开裂截面与参考截面的距离；Δσ_s是为结构应力幅；裂纹扩展指数m=3.6；I(r)为荷载弯曲比r的无量纲常数，r=|Δσ_b|/(|Δσ_m|+|Δσ_b|)。

如图4所示，采用ANSYS建立含有多个疲劳易损部位的钢桥面板节段模型，其中，有限元节段模型纵桥向4个横隔板和横桥向7个纵肋以满足正交异性钢桥面板疲劳性能研究需要；纵肋间距、横隔板间距及其板厚等关键参数与实桥一致。有限元模型采用高阶实体单元（SOLID95）建立，纵肋与顶板焊接细节沿顶板厚度方向划分6层网格，纵肋与横隔板交叉构造细节沿纵肋腹板厚度方向划分4层网格，以满足等效结构应力法的计算精度。为真实模拟钢桥面板在实际结构的受力特征，有限元模型边界条件按如下方式设置：节段模型面板横向两侧约束横向自由度（X方向）以模拟整体桥面板结构对节段模型的横向约束；在横隔板底部约束竖向自由度（Y方向）以模拟钢箱梁对横隔板的竖向约束；顶板及纵肋腹板纵向两端约束纵向自由度（Z方向）以模拟整体桥面结构对非端横隔板的纵向约束。

图4 有限元节段模型（单位：mm）

疲劳荷载分别采用《公路钢结构桥梁设计规范》和《Eurocode 1：Actions on Structures》中的标准疲劳车模型III，单轮荷载60kN，轮载作用面积分别为200mm×600mm和400mm×400mm。由于两类构造细节横向影响线小于标准疲劳车轮距2.0m，此处进行结构体系疲劳抗力评估时忽略横向轮载的影响效应，采用单轮荷载计算三种横向典型加载工况下重要疲劳失效模式的应力历程，即两纵肋间加载（LCI）、跨纵肋腹板加载（LCII）、纵肋正上方加载（LCIII），模型加载如图5所示。

（a）横向加载示意图 （b）纵向加载示意图

图5 荷载工况（单位：mm）

结构体系的疲劳抗力评估

根据单轮荷载作用下的应力历程，通过影响线叠加计算标准疲劳车荷载作用下各重要疲劳失效模式的等效结构应力历程。此处仅以正交异性钢桥面板的重要疲劳失效模式I、II和V为例进行该桥结构体系疲劳抗力评估（参见《疲劳纵论-10：正交异性钢桥面板的疲劳问题的再认识：构造细节vs.结构体系》图2）。研究表明，正交异性钢桥面板焊接细节局部存在较高的焊接残余拉应力，拉-压循环荷载作用下也会发生疲劳开裂，因此，正交异性钢桥面板结构体系疲劳抗力评估时计入压应力幅。此处将结构体系疲劳抗力评估的疲劳致损效应简化为疲劳累积损伤度，基于线性累积损伤准则，通过式（5）计算正交异性钢桥面板上述三种重要疲劳失效模式在典型荷载工况下每万辆标准疲劳车模型III作用下的疲劳累积损伤度，如表1所示。通过对比各重要疲劳失效模式的疲劳累积损伤度，确定疲劳累积损伤度首先达到1.0的疲劳失效模式，进而评估正交异性钢桥面板结构体系的主导疲劳失效模式。

式中：Dn为损伤度；Ni为常幅应力幅对应的疲劳开裂次数。

表1 重要疲劳失效模式的疲劳累积损伤度

研究表明：（1）在采用传统纵肋与顶板焊接细节的正交异性钢桥面板结构体系多个重要疲劳失效模式中，相同车辆荷载和交通量作用下疲劳失效模式I（即顶板与纵肋焊接细节中萌生于焊根沿顶板开裂的疲劳失效模式）在三种典型工况下疲劳累积损伤度均高于其他疲劳失效模式，表明疲劳失效模式I是该桥正交异性钢桥面板结构体系主导疲劳失效模式；（2）新型镦边纵肋与顶板焊接细节的引入对于萌生于焊趾或焊根的失效模式的疲劳累积损伤度降低有限，从结构体系角度出发，结构体系的主导疲劳失效模式未发生迁移且结构体系疲劳抗力基本没有提高，与疲劳试验现象基本一致；（3）纵肋与顶板新型双面焊细节的引入促使结构体系的疲劳失效模式均发生迁移，采用《公路钢结构桥梁设计规范》计算时，结构体系主导疲劳失效模式迁移至顶板外侧焊趾开裂，采用《Eurocode 1：Actions on Structures》计算时，结构体系主导疲劳失效模式迁移至纵肋与横隔板交叉构造细节，迁移后结构体系主导疲劳失效模式的累积损伤度降低，结构体系的疲劳抗力显著提高；（4）由于上述规范的标准疲劳车轮载作用面积不同，导致正交异性钢桥面板各重要疲劳失效模式的疲劳累积损伤度差异较大，尤其对于纵肋与顶板焊接细节疲劳失效模式的影响颇为显著，表明不同的车辆荷载对各重要疲劳失效模式的疲劳致损效应影响机制不同。

结 语

基于正交异性钢桥面板的疲劳问题的多尺度、多模式属性，由结构体系主导疲劳失效模式出发探讨了引入镦边纵肋和双面焊等新型构造细节条件下正交异性钢桥面板结构体系的疲劳抗力问题。研究表明：纵肋与顶板焊接细节的主导疲劳失效模式是焊根开裂并沿顶板厚度方向扩展，在三种典型荷载作用工况下，该桥正交异性钢桥面板结构体系主导疲劳失效模式是焊根开裂并沿顶板厚度方向扩展，新型镦边纵肋与顶板焊接细节的引入对正交异性钢桥面板结构体系的疲劳抗力基本没有提高；纵肋与顶板新型双面焊细节的引入使结构体系的疲劳失效模式发生迁移，正交异性钢桥面板结构体系的疲劳失效模式由焊根疲劳开裂迁移至焊趾疲劳开裂或纵肋与横隔板焊接细节疲劳开裂，结构体系的疲劳抗力显著提高。在构造细节层面，初始制造缺陷导致疲劳抗力的降低或失效模式的迁移；在结构体系层面，不同的车辆荷载对各重要疲劳失效模式的疲劳致损效应的影响机制不同。因此，量化初始制造缺陷对正交异性钢桥面板疲劳抗力的劣化效应和引入随机车辆等实际交通荷载，基于结构体系可靠度的正交异性钢桥面板疲劳失效模式和疲劳抗力评估的研究是下一阶段的重点。

部分内容来自：

[1] 张清华，李俊，郭亚文，等. 正交异性钢桥面板结构体系的疲劳失效模式和抗力评估[J]. 土木工程学报（已录用，待发表）

[2] 李俊, 张清华, 袁道云, 等. 基于等效结构应力的正交异性钢桥面板体系疲劳抗力评估方法[J]. 中国公路学报（已录用，待发表）

[3] 张清华, 罗鹏军，徐恭义, 等. 新型镦边纵肋与顶板焊接构造细节疲劳性能试验研究[J]. 中国公路学报, 2018, 31(5): 42-52