桥面铺装对钢桥面板疲劳应力幅的影响-中国工程科学

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1、桥面铺装对钢桥面板疲劳应力幅的影响１１２３１吴冲，刘海燕，张胜利，崔冰，丁文俊（１．同济大学桥梁工程系，上海２０００９２；２．浙江省舟山连岛工程建设指挥部，浙江舟山３１６０００；３．中交公路规划设计院有限公司，北京１０００８８）［摘要］　钢桥面板厚度小，铺装层的相对刚度较大，钢桥面板疲劳设计时，应该考虑铺装层与钢桥面板的共同作用。假设桥面铺装与顶板没有相对滑移，采用有限元方法探讨了桥面铺装弹性模量和厚度对正交异性钢桥面板疲劳应力幅的影响。［关键词］　桥梁；钢桥面板；桥面铺装；疲劳；应力幅［中图分类号

2、］　ＴＥ１１　［文献标识码］　Ａ　［文章编号］　１００９－１７４２（２０１０）０７－００３９－０４缝；③为Ｕ肋下缘对接焊缝的裂缝；④为Ｕ肋上端1前言过焊孔处Ｕ肋的裂缝；⑤为Ｕ肋下端过焊孔处横隔正交异性钢桥面板以其强度高、自重轻、整体性板裂缝。选取如图２所示的疲劳损伤出现最多的强等优点广泛应用于大跨径斜拉桥和悬索桥中。随４个典型构造细节进行分析。其中，疲劳细节Ａ为着交通量和车辆荷载的增加，国内外许多桥梁的正Ｕ肋与横隔板交叉处顶板纵向裂缝；疲劳细节Ｂ为［１］交异性钢桥面板都发现了疲劳损伤现象，如英国横隔

3、板之间Ｕ肋与桥面板焊接处顶板纵向裂缝；疲的ＳｅｖｅｎＢｒｉｄｇｅ，美国的Ｂｒｏｎｘ－ＷｈｉｔｅｓｔｏｎｅＢｒｉｄｇｅ，劳细节Ｃ为纵向加劲肋对接焊缝；疲劳细节Ｄ为过巴西的Ｒｉｏ－ＮｉｔｅｒｏｉＢｒｉｄｇｅ，荷兰的ＶａｎＢｒｉｅｎｅｎｏｏｒｄ焊孔处横隔板裂缝。Ｂｒｉｄｇｅ，日本的ＫｉｎｕｕｒａＢｒｉｄｇｅ等。目前钢桥面板常用铺装有浇注式沥青、ＳＭＡ（沥青玛蹄脂碎石混合料）改性沥青混合料以及环氧沥青［２，３］混合料３种形式，一般厚度大致在５０～８０ｍｍ，弹性模量不仅与材料有关，而且受温度的影响很大，通常在

4、５００～１００００ＭＰａ。由于钢桥面板厚度不大，通常仅１２～１６ｍｍ，铺装层的相对刚度较大，钢桥面板疲图1钢桥面板疲劳损伤典型构造细节Fig．1Typicalfatiguedamageoforthotropicsteeldeck劳设计时，应该考虑铺装层与钢桥面板的共同作用。以南京长江四桥为例，采用ＡＢＡＱＵＳ有限元程笔者采用有限元方法探讨桥面铺装弹性模量和厚度序进行分析，计算模型如图３所示，顺桥向取对正交异性钢桥面板疲劳应力幅的影响。１２．５ｍ，横隔板间距３．１２ｍ；横桥向取４．５ｍ，Ｕ型2桥面板构

5、造细节与计算方法加劲肋间距６００ｍｍ，Ｕ肋尺寸为３００ｍｍ×２８０ｍｍ×８ｍｍ；顶板厚度为１４ｍｍ，横隔板厚度为１２ｍｍ；根据国内外正交异性钢桥面板的疲劳损伤调查［１］钢材的弹性模量为E＝２１００００ＭＰａ，泊松比结果，桥面板发生疲劳裂纹的构造细节可以归纳γ＝０．３。钢桥面板采用Ｓ４Ｒ单元模拟；桥面铺装假为如图１所示的５种类型：①为顶板与Ｕ肋焊缝处设为各向同性均匀的实体，采用Ｃ３Ｄ８Ｒ单元模拟；的顶板纵向裂缝；②为Ｕ肋与顶板焊缝的纵向裂［收稿日期］　２０１０－０４－２２［基金项目］　国家科技支撑计划

6、课题（２００８ＢＡＧ０７Ｂ０４）［作者简介］　吴冲（１９６２－），男，福建宁化县人，同济大学教授，主要研究方向为桥梁工程；Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｗｕ＠ｔｏｎｇｊｉ．ｅｄｕ．ｃｎ２０１０年第１２卷第７期39图4疲劳车模型Fig．4Fatiguevehicleloadmodel图5车轮加载位置图2疲劳细节示意图Fig．5LoadingpositionofwheelloadFig．2Constructionaldetailsoforthotropic3铺装层弹性模量对桥面板疲劳应力幅的steeldeckfati

7、gue影响假设桥面铺装与桥面顶板无相对滑移。计算荷载采用由江阴大桥、虎门大桥、南京二桥根据国内外相关研究表明，沥青混凝土桥面铺装及南京三桥的调查统计得到的如图４所示的简化疲弹性模量对温度非常敏感，其变化范围为在５００～劳设计车辆荷载模型，车辆横向加载位置如图５所１００００ＭＰａ，因此，选用如下铺装弹性模量值进行对示。荷载影响线采用移动面荷载加载，车轮作用面比分析：５００ＭＰａ，１０００ＭＰａ，１５００ＭＰａ，３０００ＭＰａ，积为０．６ｍ×０．２ｍ。５０００ＭＰａ，１００００ＭＰａ，铺装层厚度取为６０

8、ｍｍ。计算得到各疲劳细节的影响线如图６所示。采用图４所示的疲劳车对影响线加载，由于车轴之间距离较大，可以忽略车轴之间的相互响应，而将１００ｋＮ的单轴和９０ｋＮ＋９０ｋＮ的双联轴单独加载。得到的应力历程采用雨流计数法计算疲劳应力幅及其图3应力幅计算模型相应的循环次数，然后采用Ｍｉｎｅｒ线性累积损伤准则计Fig．3Analysismodelofstressrange算等效应力幅，计算公式如式（１）所示：图6不同铺装模量时各疲劳细节影响线Fig．6Influenceline