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正交异性钢桥面板疲劳验算
正交异性钢桥面板疲劳验算
国内外已得到广泛应用的正交异性钢桥面板在车辆荷载的作用下容易疲劳开裂,可是目前各国公路桥规还没有其疲劳验算的细则.本文对钢桥疲劳验算所涉及的诸如荷载、结构分析、低应力幅处理、焊接节点的疲劳强度、验算方法等问题进行了探讨,并通过一个实例来加以说明.
作者：童乐为沈祖炎 Tong Lewei Shen Zuyan 作者单位：同济大学刊名：土木工程学报 ISTIC EI PKU 英文刊名： CHINA CIVIL ENGINEERING JOURNAL 年，卷(期)：2000 33(3) 分类号：U44 关键词：钢桥面板结构分析焊接节点疲劳强度疲劳验算。
正交异性钢桥面板制造施工关键技术摘要：在九江长江大桥（一桥）公路正桥加固改造项目施工过程中，我们针对项目特点，采用焊接反变形控制、纵横梁铣边等工艺方法保证单元件制造精度及效率，总拼施工中采用反拼法施工、主焊缝贴陶瓷衬垫单面焊双面成形工艺、全站仪监测定位制孔方法保证成品质量和栓孔精度。
此项技术研究解决了工厂制造及总拼施工存在的难题，为以后正交异性钢桥面板施工项目提供了参考意义。
关键词：九江长江大桥公路正桥加固改造；制造精度；栓孔精度；总拼方案0引言九江长江大桥加固改造项目是国内首座公铁两用大型桥梁加固改造项目，公路正桥采用正交异性钢桥面板结构，区别于普通桥梁的受力要求，受力复杂，制造精度和质量标准高，给成品梁制造、焊接变形控制、制孔精度以及安装匹配精度都带来了很大的难度。
改造后的正桥主桁结构不变，如何在保证精度质量的情况下，尽快完成本项目制造是本文阐述的主要内容。
1工程概况九江长江大桥是国道G109和京九铁路的重要过江通道，公路正桥改造采用正交异性钢桥面板整体置换公路横梁以上部分，减少恒载重量，消除正桥公路桥面系目前存在的病害，保证公路及铁路运营安全，提高行车舒适性。
正桥位于两桥头堡之间，由四联组成，共11孔钢梁，全长1806.712米。
桥面板采用纵横向分块、整体制造、运输和安装，现场采用栓焊结合的方式连接。
1.跨径布置正桥共11孔，自北向南为：两联3*162M连续钢桁梁，一联180M+216M+180M 用柔性拱加劲的钢桁梁和一联2*126M连续钢桁梁，正桥全长为1806.712M,全桥钢桥面板有200个节间（节间长9M）,共有204片。
图1-2 正桥总体布置/M1.结构形式正交异性钢桥面板整体桥面结构由纵梁、横梁及其加劲的钢桥面板组成，纵横梁为T形梁结构，桥面结构的纵梁布置及纵梁间距与原设计一致。
纵梁孔群须与原设计钢桁梁支座孔群相匹配。
图1-2底面平面图及横断面图2关键施工技术2.1 构件制造精度控制九江长江大桥正交异性钢桥面面板、纵梁10M长，下料切割会有旁弯影响、构件拼焊过程中焊接变形、板面板U肋拼装精度不高都会。
新型镦边U肋正交异性钢桥面板疲劳设计参数研究黄懋科;罗雪峰【摘要】传统正交异性钢桥面板疲劳问题突出,为提高其疲劳性能,对传统桥面板的细节设计进行改进,提出新型镦边U肋钢桥面板结构;通过建立基于BP神经网络的多目标优化模型进行该新型疲劳细节的优化设计,最终确定合理的构造细节.研究表明:所提出的新型镦边U肋正交异性钢桥面板,显著降低了顶板与U肋间焊缝的局部应力集中程度,该细节处疲劳性能得到明显改善,从细节优化角度为改善正交异性钢桥面板此处疲劳细节的疲劳性能提供了较好的解决方案,是具有良好发展前景的构造细节.【期刊名称】《四川建筑》【年(卷),期】2017(037)003【总页数】4页(P153-156)【关键词】正交异性钢桥面板;新型镦边U肋;疲劳性能;BP神经网络;多参数优化设计【作者】黄懋科;罗雪峰【作者单位】西南交通大学土木工程学院,四川成都 610031;西南交通大学土木工程学院,四川成都 610031【正文语种】中文【中图分类】U441+.4正交异性钢桥面板因为其自重轻、传力整体性好、承载能力大、施工速度快等优点被广泛应用于现代桥梁的设计建造中。
但是正交异性钢桥面板在具有诸多突出优点的同时，构造复杂，焊缝较多，应力集中问题突出，在局部轮载的反复作用下，其疲劳问题十分突出[1-3]，已成为现在桥梁发展的重要制约因素，是当下研究的重点与难点问题。
正交异性钢桥面板顶板与纵肋连接构造及横肋与纵肋连接构造作为正交异性钢桥面板的疲劳病害最为突出的部位，国内外学者对其优化设计进行了大量研究，但仍然存在较高的疲劳开裂风险[4-6]。
发展新型桥面板结构是正交异性钢桥面板疲劳研究的发展趋势和方向，改进传统桥面板的细节设计是解决正交异性钢桥面板疲劳问题的重要途径。
为此引入新型镦边U肋构造细节，以改善顶板与纵肋处的疲劳性能。
此处采用参数化的有限元实体仿真分析，针对新型U肋与面板连接构造各关键疲劳细节的耦合影响，建立基于BP神经网络的多目标优化模型，提出一种多参数、多细节的优化设计方案。
河南建材201812021年第4期[6]WANG J,TSE N C F,CHAN J Y C.Wi-Fi based occu-pancy detection in a complex indoor space under discon-tinuous wireless communication:A robust filtering based on event-triggered updating.Building and Environment,2019,151:228-239.[7]TARZIA S P,DICK R P,DINDA P A,et al.Sonar-basedmeasurement of user presence and attention[C]∥Proceed-ings of International Conference on UbiquitousComputing.Florida,2009:89-92.[8]CHEN Z,ZHU Q,MASOOD M,et al.EnvironmentalSensors based Occupancy Estimation in Buildings via IH-MM-MLR.2017,17(5):13-21.[9]CANDANEDO L M,FELDHEIM V.Accurate occupancydetection of an office room from light,temperature,humidity and CO2measurements using statistical learning models.En-ergy and Buildings,2016,112:28-39.[10]KLEIMINGER W,BECKEL C,SATTKE T,et al.Occu-pancy etection from electricty consumtion data[C]∥Pro-ceedings of the5th ACM Workshop on Embedded Systems for Energy-Efficient Buildings.Italy,ACM,2013:1-8.浅谈正交异性钢桥面板的发展王玉娇1韩阿慧21甘肃省公路航空旅游投资集团有限公司（730030）2西安长安大学工程设计研究院有限公司（710061）摘要:正交异性钢桥面板在国内外大中跨度的现代钢桥中已得到广泛应用。
钢桥面板接头构造细节及其试验分析大型公路钢箱梁正交异性桥面板工地接头即箱梁节段之间的连接，过去均采用全焊或高强度螺栓连接。
各国实桥运营经验表明，这两种连接方式各有不足。
所以，随着施工技术的不断进步，钢桥面板工地接头构造细节也在演变。
本文介绍了大型公路钢箱梁正交异性桥面板工地接头构造细节的演变，并通过两个足尺试件的静载和疲劳试验，以及有限元分析，证明正交异性桥面板工地接头采用焊栓连接具有足够的刚度、承载力和耐久性。
标签：钢箱梁正交异性桥面板工地接头试验1 钢桥面板工地接头构造细节的演变历程1.1 钢桥面板的构造细节对于大跨度悬索桥和斜拉橋，钢箱梁自重约为PC 箱梁自重的1/5～1/6.5。
正交异性钢板结构桥面板的自重约为钢筋混凝土桥面板或预制预应力混凝土桥面板自重的1/2～1/3。
所以，受自重影响很大的大跨度桥梁，正交异性板铜箱梁是非常有利的结构形式。
制造时，全桥分成若干节段在工厂组拼，吊装后在桥上进行节段间的工地连接。
通常所有纵向角焊缝（纵向肋和纵隔板等）贯通，横隔板与纵向焊缝、纵肋下翼缘相交处切割成弧形缺口与其避开。
1.2 正交异性钢桥面板的疲劳及其工地接头构造细节的改进钢桥面板作为主梁的上翼缘，同时又直接承受车辆的轮载作用。
如上所述，钢桥面板是由面板、纵肋和横助三种薄板件焊接而成，在焊缝交叉处设弧形缺口，其构造细节很复杂。
当车辆通过时，轮载在各部件上产生的应力，以及在各部件交叉处产生的局部应力和变形也非常复杂，所以钢桥面板的疲劳问题是设计考虑的重点之一。
改进后的构造细节既克服了工地接头纵向U形肋嵌补段的仰焊对接，从而改善了疲劳性能，又避免了面板栓接拼接对桥面铺装层的不利影响。
2 试件设计和制造根据《美国公路桥梁设计规范》，用于计算正交异性钢桥面板刚度和恒载引起的弯曲效应时，与纵肋共同作用的钢桥面板的有效宽度取纵肋间距。
钢箱梁工地接头处桥面板采用单面焊双面成型焊接工艺，面板内侧需贴陶瓷衬垫，因此焊缝下面的U形肋侧壁须开缺口以便衬垫通过。
第51卷第7期2020年7月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University(Science and Technology)V ol.51No.7Jul.2020正交异性钢桥面板的疲劳裂纹扩展规律汪珍，王莹(东南大学江苏省工程力学分析重点实验室，江苏南京，211189)摘要：为了研究正交异性钢桥面板U肋−横隔板的连接部位的疲劳问题，基于扩展有限元方法分析典型疲劳裂纹的扩展机理，并引入U肋−横隔板焊缝的残余应力，分析残余应力对疲劳裂纹扩展的影响。
研究结果表明：萌生于横隔板开孔处的疲劳裂纹未考虑残余应力时不会扩展，加入残余应力后会改变裂纹的应力状态，裂尖应力可以驱动横隔板开孔处的裂纹扩展，裂纹扩展类型为Ⅰ型裂纹；萌生于U肋焊趾处的疲劳裂纹为Ⅰ型主导的Ⅰ−Ⅱ−Ⅲ复合型裂纹，残余应力会影响裂纹扩展角度；对于萌生于横隔板焊趾处的裂纹，相比于不考虑残余应力的情况，考虑残余应力的裂纹扩展规律与实桥开裂规律相符，说明对于焊缝疲劳裂纹，在疲劳评估时应考虑焊接过程中残余应力对评估结果的影响。
关键词：正交异性钢桥面板；扩展有限元法；疲劳裂纹；残余应力；应变能释放率中图分类号：U441.4文献标志码：A文章编号：1672-7207（2020）07-1873-10Analysis of fatigue crack propagation on orthotropic steel bridgedeckWANG Zhen,WANG Ying(Jiangsu Key Laboratory of Engineering Mechanics,Southeast University,Nanjing211189,China)Abstract:In order to study the fatigue problem of the welded joint of U-rib-to-diaphragm in orthotropic steel bridge deck,the propagation mechanism of the typical fatigue crack was analyzed based on the extended finite element method,and the residual stress of the U-rib-to-diaphragm weld was introduced to qualitatively analyze the impact of the residual stress on the fatigue crack propagation.The results show that fatigue crack initiating from free edge of cutout in the diaphragm can not propagate without residual stress,and the stress state of crack details will be changed when residual stress is added,then the stress of crack tip can drive the crack at the cutout in the diaphragm to grow,and the crack extension type is modeⅠcrack;fatigue crack initiating from U-rib weld toe is modeⅠdominant with modeⅠ-Ⅱ-Ⅲ,and residual stress can affect the crack propagation angle.For cracks arising at the toe of diaphragm welding,compared with the case without residual stress,the crack propagation rule of residual stress is more consistent with the test results,which indirectly indicates that the impact of residual stress on the evaluation results of welding seam fatigue crack should be considered in the fatigue evaluation of welding DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2020.07.013收稿日期：2019−09−06；修回日期：2019−11−06基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51678135)；江苏省自然科学基金资助项目(BK20171350)(Project (51678135)supported by the National Natural Science Foundation of China;Project(BK20171350)supported by the Natural Science Foundation of Jiangsu Province)通信作者：王莹，博士，副教授，从事结构健康监测、状态评估、疲劳、损伤与断裂研究；E-mail：**********************.cn第51卷中南大学学报(自然科学版)seam.Key words:orthotropic bridge deck;extended finite element method;fatigue crack;residual stress;strain energy release rate正交异性钢桥面板作为大跨钢桥首选的桥面板结构形式，被广泛应用于现代桥梁结构。
“正交异性钢桥面板”资料汇编目录一、正交异性钢桥面板疲劳设计参数和构造细节研究二、正交异性钢桥面板的疲劳研究综述三、正交异性钢桥面板弧形切口及其CFRP补强的疲劳性能四、正交异性钢桥面板疲劳性能研究五、港珠澳大桥正交异性钢桥面板疲劳特性研究六、正交异性钢桥面板疲劳问题的研究进展正交异性钢桥面板疲劳设计参数和构造细节研究随着交通事业的快速发展，桥梁作为重要的交通基础设施，其安全性和耐久性备受。
正交异性钢桥面板作为一种常见的桥梁结构形式，具有重量轻、承载力强、疲劳性能优良等优点，被广泛应用于各类桥梁工程中。
然而，在车辆载荷、环境因素等作用下，正交异性钢桥面板易出现疲劳损伤，严重影响桥梁的安全性和使用寿命。
因此，对正交异性钢桥面板疲劳设计参数和构造细节进行研究，具有十分重要的意义和实际应用价值。
本文采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，对正交异性钢桥面板疲劳设计参数和构造细节进行深入研究。
通过文献综述和市场调查，了解正交异性钢桥面板的疲劳性能及影响因素；运用有限元分析软件，建立正交异性钢桥面板的精细化模型，并对不同构造细节进行模拟分析；基于实验研究，对不同疲劳设计参数和构造细节的正交异性钢桥面板进行疲劳性能测试，以验证理论分析和数值模拟的正确性。
通过对正交异性钢桥面板疲劳设计参数和构造细节的深入研究，我们得出以下主要结果：疲劳设计参数分析：疲劳设计参数对正交异性钢桥面板的疲劳性能具有重要影响。
研究表明，采用适当的疲劳设计参数能够有效提高正交异性钢桥面板的疲劳寿命和抗疲劳性能。
例如，适当增加面板厚度、优化焊缝尺寸及分布等措施可显著改善钢桥面板的疲劳性能。
构造细节优化：构造细节对正交异性钢桥面板的疲劳性能具有重要影响。
研究表明，通过对构造细节进行优化设计，如采用双边肋板、优化主梁连接构造等措施，可以有效提高正交异性钢桥面板的疲劳寿命和抗疲劳性能。
为验证理论分析和数值模拟的正确性，我们对不同疲劳设计参数和构造细节的正交异性钢桥面板进行了疲劳性能测试。
基于名义应力的城市钢桥面板疲劳寿命分析*摘要：正交异性钢桥面板承受着车辆动荷载的反复作用，容易造成疲劳累计损伤，出现钢桥面板的疲劳开裂现象。
为研究某城市桥梁钢桥面板的疲劳寿命，建立钢桥面板三维有限元模型，选取钢桥面板4种典型的疲劳细节，确定最不利加载方式，并根据实测得到的城市车辆荷载频值谱，计算相应的应力历程和应力谱，从而评估各个疲劳细节的疲劳寿命。
结果表明：在城市车辆荷载频值谱作用下，某城市钢桥4种疲劳细节的最大应力幅值均小于常幅疲劳极限，即钢桥面板具有无限寿命。
关键词：正交异性钢桥面板；城市车辆荷载；疲劳寿命分析；疲劳强度由相互垂直的纵、横向加劲板和桥面顶板焊接而成的正交异性钢桥面板具有轻质、高强、施工快等优点，已广泛应用于大中跨度的现代公路钢桥中［1］。
20世纪后期为满足我国城市发展的需求，正交异性钢桥面板得到了迅猛的发展。
然而由于承受着车辆动载的反复作用而造成的疲劳累积损伤，钢桥面板易出现疲劳开裂现象，这种现象已在英国、德国、法国等钢桥面板应用较早国家的许多实桥中出现［2］。
因此，在钢桥面板设计过程中需要重视疲劳分析所涉及到的钢桥面板结构分析、应力计算、疲劳强度、车辆荷载谱等问题［3］。
由于城市桥梁的疲劳荷载与公路桥梁的疲劳荷载有较大不同，本文对城市钢桥面板在车辆荷载作用下的疲劳寿命进行了研究，为城市钢桥疲劳分析提供参考。
1 城市桥梁疲劳荷载从已有的文献看，童乐为［4］、陈惟珍［5］和王春生［6］等对上海市进行了城市道路桥梁疲劳荷载的研究，华南理工大学的王荣辉［7］对广州市进行了城市道路桥梁疲劳荷载的研究。
虽然我国城市道路桥梁疲劳荷载的研究取得了一些成就，但是相对公路疲劳荷载谱，城市道路桥梁疲劳荷载的研究还是比较缓慢。
在2012年期间，通过对某城市钢桥的交通量、车辆轴重、车辆轴距等参数的调查和统计分析，得出相应的车辆荷载频值谱。
进一步根据等效疲劳损伤原理将其简化为由6辆疲劳荷载模型组成的具有实用性的车辆荷载频值谱，如表1所示。
UHPC铺装正交异性钢桥面板纵肋−面板焊缝构造细节的疲劳研究祝志文;文鹏翔;李健朋;李积泉;麦鹏【摘要】为研究UHPC组合桥面铺装下纵肋-面板构造细节的疲劳性能,开展随机车流作用下的佛陈扩建西桥疲劳试验.研究结果表明:纵肋?面板构造细节面板侧应力幅显著小于纵肋侧,说明UHPC桥面铺装显著增大了桥面刚度,减小了面板的局部应力响应,并显著减少了通行货车对面板的疲劳加载次数.纵肋?面板构造细节能清晰地分辨每个单轴,也即货车每个轴均能产生一个应力幅.在当前随机车流作用下,纵肋?面板构造细节的最大应力幅都小于其常幅疲劳极限,可知佛陈扩建西桥纵肋?面板构造细节具有无限疲劳寿命.%In order to study the fatigue performance of rib-to-deck welding detail at orthotropic steel bridge deck with UHPC composite overlay, field tests were carried out on the Fochen West Extension Bridge under random traffic flow. The research found that the stress level at deck side is clearly lower than the rib side at rib-to-deck detail, which indicates that the UHPC composite structure significantly increases the stiffness of the deck plate system, and hence not only reduces the stress level, but also decreases the fatigue loading cycles at deck plate side. It is also found that the rib-to-deck detail can clearly identify each truck axis when directly loading on it, which means each passing truck axis can product one loading cycle. It is concluded that under the current traffic flow, the monitored maximum stress range at all locations is lower than the constant amplitude fatigue limit of the detail,therefore the infinite life at the rib-to-deck welding detail is expected on the Fochen West Extension Bridge.【期刊名称】《铁道科学与工程学报》【年(卷),期】2018(015)004【总页数】7页(P926-932)【关键词】疲劳;正交异性桥面板;组合铺装;应力监测【作者】祝志文;文鹏翔;李健朋;李积泉;麦鹏【作者单位】湖南大学土木工程学院,湖南长沙 410082;湖南大学土木工程学院,湖南长沙 410082;湖南大学土木工程学院,湖南长沙 410082;佛山市路桥养护有限公司,广东佛山 528000;佛山市路桥养护有限公司,广东佛山 528000【正文语种】中文【中图分类】U443.31正交异性钢桥面板因其优良的受力特性和经济性能，在现代桥梁工程中得到了广泛应用。
桥面铺装对正交异性钢桥面板疲劳性能的影响王占飞;程浩波;程志彬;张敏江【摘要】目的研究沥青混凝土桥面铺装对正交异性钢桥面板疲劳性能的影响,提出合理的铺装层厚度与弹性模量.方法建立正交异性钢桥的有限元模型,并与试验结果进行对比,验证正交异性钢桥有限元模型及其边界条件的有效性;选取易产生疲劳裂缝4个典型位置的构造细节进行有限元分析,从而找到桥面铺装层厚度、弹性模量等铺装层参数对正交异性钢桥面板疲劳细节处应力幅的影响趋势;验算疲劳细节应力幅值是否小于《公路钢结构桥梁设计规范》(JTGD64-2015)中疲劳S-N曲线中相应疲劳细节的200万次循环疲劳强度35 MPa.结果当铺装层厚度自60 mm增加到100 mm时,疲劳细节的等效应力幅值逐渐下降,且呈线性递减趋势;铺装层厚度为70 mm时,其弹性模量应不小于5000 MPa为宜;当其模量自1 000 MPa增加到10 000 MPa时,不同疲劳细节的等效应力幅值呈非线性下降趋势.当其模量增加到8000 MPa时,疲劳细节的等效疲劳应力幅趋于稳定;铺装层材料的模量为3000 MPa时,其铺装层厚度应不小于80 mm为宜.结论 4种疲劳细节中,与钢桥面板接触的疲劳细节其疲劳性能受铺装层厚度、铺装层模量影响比其他疲劳细节大.桥面铺装层能有效地降低疲劳细节的等效疲劳应力幅,改善正交异性钢桥面板的疲劳性能.【期刊名称】《沈阳建筑大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(034)002【总页数】10页(P257-266)【关键词】桥面铺装;正交异性钢桥面板;疲劳细节;疲劳性能;应力幅【作者】王占飞;程浩波;程志彬;张敏江【作者单位】沈阳建筑大学交通工程学院,辽宁沈阳110168;沈阳建筑大学交通工程学院,辽宁沈阳110168;郑州市交通规划勘察设计研究院,河南郑州450000;沈阳建筑大学交通工程学院,辽宁沈阳110168【正文语种】中文【中图分类】TU997正交异性钢桥面板作为目前大、中跨径钢桥桥面板的一种重要结构形式，由于其具有自重轻、极限承载能力大、施工周期短等特点，受到了各国桥梁设计者的青睐[1-4].由于正交异性钢桥面板结构构造与受力较复杂，随着使用时间的延续，正交异性钢桥面结构出现了多种病害[5-7].实际工程经验表明，钢桥面铺装层损坏与焊接细节处疲劳裂纹的萌生扩展是正交异性钢桥面板结构的2个典型病害.钢桥面铺装是直接铺设在钢桥面板上，与钢桥面结构共同承重，既是桥面板的保护层也是直接对用户提供服务的功能层，对桥梁的耐久性，保证行车安全和舒适性以及经济和社会效益有着重要的作用，因而随着钢桥建设水平的发展而逐渐成为桥梁建设中研究的一个关键点[7].我国常用的钢桥面铺装形式比较丰富，铺装层材料从最早的氯丁橡胶沥青混合料等改性沥青混凝土逐渐过渡到沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)、浇筑式沥青混凝土和环氧沥青混凝土[9].其弹性模量不仅与材料有关还受到外界气温的影响，随外界温度的变化而变化，弹性模量一般在1 000～10 000 MPa.由于钢桥面板厚度通常在12～16 mm，远小于铺装层一般厚度50～100 mm，所以铺装层的相对刚度较大，因而钢桥面板疲劳设计时，应考虑铺装层与钢桥面板的共同作用[10-11].目前国内学者对正交异性钢桥面板铺装层自身的力学响应进行了相关研究，并取得了一定成果[12-13]，但关于桥面铺装层对正交异性钢桥面板疲劳性能的影响研究较少.因此，笔者根据正交异性钢桥试验[14]建立有限元模型，通过有限元分析结果与试验结果对比进行有效性验证;对带有不同参数铺装层的正交异性钢桥有限元模型进行分析，从而找到桥面铺装层厚度、弹性模量等铺装层参数对正交异性钢桥面板疲劳性能的影响;通过验算疲劳细节应力幅值是否小于钢桥疲劳S-N曲线中作用200万次所对应的应力幅值要求，提出合理的铺装层参数.1 正交异性钢桥裸板有限元模型的有效性验证笔者采用大型通用非线性有限元软件ABAQUS进行建模分析[15]，为验证所建立的正交异性钢桥有限元模型的有效性，以参考文献[14]的试验为基础，建立了正交异性钢桥裸板有限元模型.模型具体参数如表1所示.钢材的弹性模量为200 GPa，泊松比为0.3，其本构关系如图1所示.表1 试件参数Table 1 Parameters of test specimen钢桥面板厚度/mmU形肋主梁横隔梁垂直钢板尺寸/mm数量/个间距/mm肋板厚/mm数量/片间距/mm 肋板厚/mm数量/片间距/mm宽度/mm厚度/mm间距/mm12320×230×64620922 8301031 375,2 75016012917图1 钢材的应力-应变关系Fig.1 Stress-stain relationship of steel图2为加载工况及钢桥有限元模型.正交异性钢桥裸板有限元模型各部件均采用二次减缩积分六面体实体单元(C3D20R)，各部分钢构件采用MEGRE连接[16]，主梁底部为完全固定的边界条件.加载方式采用以肋R3和R4之间的中线为轴线的双轮移动加载形式，荷载移动方向见图2(a)，横向加载位置如图2(b)所示.参考文献[14]的试验在加载设备和模型之间增加了橡胶垫，其长宽高为200 mm×200 mm×22 mm，有限元加载时对加载面进行45°扩展，其扩展形式及加载等效尺寸如图3所示.图2 加载工况及钢桥有限元模型Fig.2 Loading conditions and finite-elementmodel of steel bridge图3 考虑扩散角等效的加载方式Fig.3 Equivalent loading modes considering diffusion angle通过图2(b)荷载工况下的有限元分析，以R3肋为研究对象，将其与中横隔板结合部位末端的应力影响线与文献[14]试验结果进行对比(见图4、图5).从图4与图5可以看出，有限元结果无论是影响线趋势还是数值上均与文献[14]中的试验结果吻合较好，从而验证了正交异性钢桥裸板有限元模型的有效性.图4 U形肋与横隔板结合末端焊缝垂直方向的应力影响线Fig.4 Stress influence line in the vertical direction of joint region end’s weld betwee n U rib and transverse diaphragm图5 U形肋与横隔板结合末端焊缝平行方向的应力影响线Fig.5 Stress influence line in the parallel direction of joint region end’s weld between U rib and transverse diaphragm2 正交异性钢桥面板疲劳易损细节的选取与加载形式根据曾志斌[17]对正交异性钢桥面板典型疲劳裂纹分类及其原因分析，张允士等[18]以某实体桥梁为例对正交异性钢桥面板疲劳裂缝成因的分析，按照《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64—2015)中规定的疲劳细节，选取易产生疲劳裂缝4个典型位置的构造细节为笔者有限元分析的疲劳细节(见图6).疲劳细节A：横隔板处U形肋与钢桥面板结合部位焊缝处；疲劳细节B：U形肋与钢桥面板结合部位焊接缺陷处；疲劳细节C：U形肋嵌补段接缝处；疲劳细节D：U形肋与横隔板焊缝焊趾处.实际工程中钢桥面铺装是直接铺设在钢桥面板上，因而带有铺装层的正交异性钢桥有限元模型以正交异性钢桥裸板为基础，在顶板加铺沥青混凝土铺装层.正交异性钢桥裸板模型各部分钢构件的单元类型、边界条件不变，沥青混凝土铺装层假设为各向同性的均匀实体，采用8节点线性减缩积分实体单元(C3D8R)模拟[19]；沥青混凝土铺装层与桥面板之间采用摩擦连接，摩擦系数为0.068.图6 疲劳细节示意图Fig.6 Fatigue detail diagram笔者以欧洲钢结构规范(Eurocode3 Design of Steel Structures)中疲劳荷载计算模型3(单车模型)为原型，结合我国货车超载情况较严重这一交通实情，偏安全考虑乘以约1.2的系数，即采用轴重2×140k N的车辆荷载作为验算模型疲劳性能的疲劳荷载(见图7).由于模型车前后轴轴距较大，对笔者研究的内容影响较小，因而可以忽略车轴之间的相互影响，即只采用后轴单轮加载.模型车横向加载位置如图8所示，采用移动加载，车轮作用面为600 mm×200 mm的矩形，其中600 mm为沿着加载方向，200 mm为横向.图7 疲劳加载车辆Fig.7 Fatigue loading vehicle图8 车轮加载位置Fig.8 Position of wheel loading3 铺装层对桥面板疲劳细节的影响3.1 铺装层厚度的影响目前，国内外各类桥梁的桥面铺装通常采用沥青混凝土作为铺装材料.但是各类桥梁所利用的沥青混凝土的材料类型以及厚度各不相同[20].基于各类桥梁的铺装层厚度不同以及沥青路面设计规范中有关桥面铺装层厚度的规定，笔者选用60 mm、70 mm、80 mm、90 mm和100 mm厚度进行对比分析，铺装层模量取3 000 MPa.采用图8疲劳车按图9荷载工况进行移动加载.统计分析5种桥面铺装层厚度的情况下得到不同疲劳细节的应力影响线(见图9).图9 正交异性钢桥面板不同疲劳细节的应力影响线Fig.9 Stress influence line of fatigue details of orthotropic steel deck通过泄水计数法计算图9中应力历程的疲劳应力幅和相应的循环次数，然后根据Miner线性累积损伤准则的变换式将变幅疲劳应力和循环次数换算成相应的等效应力幅[21],变换式为(1)式中：Δσeq为等效应力幅；pi为第i级应力幅作用的次数；Δσi为第i级应力幅；m为S-N曲线斜率参数,m=5.桥面铺装厚度与各疲劳细节的等效应力幅的关系如图10所示，由图10可知，4种疲劳细节的等效应力幅均随着铺装层厚度增加而以线性变化趋势逐渐减小.当铺装层厚度自60 mm增加到100 mm时，疲劳细节A的等效应力幅值自25.6 MPa下降到19.77 MPa，减少了22.77%；疲劳细节B的等效应力幅值从38.14 MPa减少到27.78 MPa，减小了27.16%；疲劳细节C的等效应力幅值从17.97 MPa减少到13.28 MPa，减小了26.1%；疲劳细节D的等效应力幅值从24.3 MPa减少到18.39 MPa，减小了24.32%.图10 应力幅随铺装层厚度变化趋势Fig.10 Stress amplitude variation trend with pavement thickness3.2 铺装层弹性模量的影响沥青桥面铺装所用主要材料是沥青混合料，由于沥青材料属于粘弹塑性材料，其对温度的变化十分敏感，随温度的变化其路用性能不断变化.因此，根据我国常用的沥青混合料以及《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)上沥青混合料模量的变化范围，笔者选用1 000 MPa、3 000 MPa、5 000 MPa、8 000 MPa、10 000 MPa，5种弹性模量的沥青混凝土进行对比，桥面铺装层厚度选用70 mm，计算不同弹性模量下得到不同疲劳细节的应力影响线(见图11).图11 正交异性钢桥面板不同疲劳细节的应力分布Fig.11 Stress distribution of different fatigue details in orthotropic steel deck按式(1)进行等效应力幅值的计算，桥面铺装材料的弹性模量与各疲劳细节的等效应力幅的关系如图12所示.图12 应力幅随铺装层弹性模量变化趋势图Fig.12 Stress amplitude variation trend with pavement elasticity modulus由图12可知，随着桥面铺装层弹性模量的增加，4种疲劳细节的等效疲劳应力幅值逐渐减小，且呈非线性变化的趋势.当桥面铺装层弹性模量增加到6 000 MPa时，疲劳细节A、疲劳细节B以及疲劳细节C的等效应力幅值下降逐渐趋于平缓；当桥面铺装层弹性模量增加到8 000 MPa时，4种疲劳细节等效应力幅值下降均趋于平缓.桥面铺装层弹性模量从1 000 MPa增加到10 000 MPa，疲劳细节A的等效应力幅值自27.12 MPa下降至19.84 MPa，减少了26.84%；疲劳细节B的等效应力幅值从42.43 MPa减少到26.41 MPa，减少了37.76%；疲劳细节C的等效应力幅值从20 MPa减少到12.72 MPa，减小了36.4%；疲劳细节D的等效应力幅值从27.02 MPa减少到16.89 MPa，减小了37.49%.即不同沥青材料以及温度对其影响较大，对不同功能的桥梁应适当选用沥青材料，且在夏季选择铺装时应不考虑铺装对正交异性钢桥面板疲劳性能的影响.4 桥面铺装层设计参数分析《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64—2015)规定“钢桥在正常使用状态下，允许的疲劳应力的作用次数是200万次”，因此，通过查得本规范的疲劳S-N曲线中相应疲劳细节的200万次循环疲劳强度为35 MPa.将不同铺装层厚度及弹性模量下的正交异性钢桥面板的等效应力幅汇总于表2.由表2可知，当桥面铺装材料的弹性模量为3 000 MPa、铺装层厚度小于80 mm 时，疲劳细节B的等效应力幅值大于35 MPa；当铺装层厚度为70 mm、铺装层材料的弹性模量小于5 000 MPa时，疲劳细节B的等效应力幅值大于35 MPa.表2 不同桥面铺装参数下各疲劳细节的等效应力幅Table 2 Equivalent stressamplitude of fatigue details under bridge deck pavement parameters铺装层厚度/mm铺装层弹性模量/MPa等效应力幅值/MPa疲劳细节A疲劳细节B疲劳细节C疲劳细节D603 00025.6038.1417.9724.3070300024.1036.2316.6322.66803 00022.5233.5515.3321.0590300021.1130.2414.2419.661003 00019.7727.7813.2818.3970100027.1242.4320.0027.02703 00024.1036.2316.6322.6670500022.3632.3314.9320.26708 00020.6628.3413.4017.67701000019.8426.4112.7216.895 结论(1) 桥面铺装层能有效地降低疲劳细节的等效疲劳应力幅，改善正交异性钢桥面板的疲劳性能.(2) 桥面铺装层厚度对疲劳细节的等效应力幅影响较大，当铺装层厚度自60 mm增加到100 mm时，疲劳细节的等效应力幅值逐渐下降，且呈线性递减趋势. (3) 桥面铺装层模量对疲劳细节的等效应力幅也有较大影响，当其模量自1 000 MPa增加到10 000 MPa时，不同疲劳细节的等效应力幅值呈非线性下降趋势.当其模量增加到8 000 MPa时，疲劳细节的等效疲劳应力幅趋于稳定.(4) 4种疲劳细节中，与钢桥面板接触的疲劳细节其疲劳性能受铺装层厚度、铺装层模量影响比其他疲劳细节大.(5) 通过铺装层不同参数对正交异性钢桥受力影响分析，得出铺装层材料的模量为3 000 MPa时，其铺装层厚度应不小于80 mm为宜；铺装层厚度为70 mm时，其弹性模量应不小于5 000 MPa为宜.参考文献[1] TSAKOPOULOS P A,FISHER J W.Fatigue performance and design refinements of steel orthotropic deck panels based on full-scale laboratorytests[J].Steel structures,2005(5):211-223.[2] WANG C S,FENG Y C,DUAN L.Fatigue damage evaluation and retrofit of steel orthotropic bridge decks[J].Key engineeringmaterials,2009,413/414:741-748.[3] ONO S,HIRABAYASHI Y,SHIMOZATO T,et al.Fatigue properties and retrofitting of existing orthotropic steel bridge decks[J].Doboku gakkai ronbunshuu A,2009,65(2):335-347.[4] KONDA N,NISHIO M,ICHIMIYA M,et al.Development of fatigue test method and improvement of fatigue life by new functional steel plates for welding of trough rib and deck plate of orthotropic decks[J].International journal of steel structures,2013,13(1):191-197.[5] 《中国公路学报》编辑部.中国公路交通学术研究综述·2012[J].中国公路学报,2012,25(3):2-50.(Editorial Department of China Journal of High Way and Transport.An academic research summary on China highway and transport:2012[J].China journal of highway and transport,2012,25(3):2-50.)[6] 王春生,付炳宁,张芹,等.正交异性钢桥面板足尺疲劳试验[J].中国公路学报,2013,26(2):69-76.(WANG Chunsheng,FU Bingning,ZHANG Qin,et al.Fatigue test on full-scale orthotropic steel bridge deck[J].China journal of highway and transport,2013,26(2):69-76.)[7] 《中国公路学报》编辑部.中国桥梁工程学术研究综述·2014[J].中国公路学报,2014,27(5):1-96.(Editorial Department of China Journal of High Way and Transport.Reviewon China’s bridge engineering research:2014[J].China journal of highway and transport,2014,27(5):1-96.)[8] LIU R,WANG B,LIU Y.Distortion induced fatigue of deck plate at rib intersection with diaphragm in orthotropic steel deck[J].International journal of steel structures,2015,15(3):623-632.[9] 王甫友.钢桥桥面铺装研究综述[J].河北交通科技,2008,5(4):34-36.(WANG Fuyou.A research overview on steel bridge pavement [J].Hebei jiaotong science and technology,2008,5 (4):34-36.)[10]刘小旭.FBR-沥青混凝土钢桥面铺装结构静力特性研究[D].重庆：重庆交通大学，2010.(LIU Xiaoxu.Innovative research on FBR-steel bridge deck asphalt concrete pavement structure[D].Chongqing:Chongqing Jiaotong University,2010.) 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钢桥面板的设计、制造、安装与疲劳史永吉方兴王辉白玲（中国铁道科学研究院）内容摘要近十几年中，我国建设了许多大跨度钢箱梁悬索桥、斜拉桥，然而，服役不久，正交异性钢桥面板即产生了不同程度的早发性、多发性、再现性裂纹。
这给我们留下了二大课题：①今后新建桥梁，如何正确设计、制造和现场安装钢桥面板，确保其疲劳耐久性；②现已产生疲劳裂纹的钢桥面板，如何正确进行加固，恢复其运营功能。
本文概要介绍了钢桥面板的发展，实桥疲劳裂纹事例，以及德国、日本等国关于钢桥面结构设计、制造、现场安装最新理念和要求，供我国各方面参考。
1引言近十几年来，我国建成了许多采用钢箱梁的悬索桥、斜拉桥。
然而，这些钢桥服役不久，钢桥面板即产生了不同程度的疲劳裂纹，并呈现早发性、多发性、再现性状态。
这给我们留下了两大课题：(1)、今后新建桥梁中，如何正确的设计、制造、安装钢桥面板，避免疲劳裂纹的发生，确保其耐久性。
(2)、现已产生疲劳裂纹的钢桥面板，如何进行正确加固，消除裂纹病害，恢复其运营功能。
本文从钢桥面板的研发、应用出发，到产生许多疲劳裂纹，然后经过长期不间断的研究、改进和实桥检验，直到现在，特别是德国和日本，把钢桥面板的结构设计、制造和安装与疲劳综合考虑，这与通常用疲劳检算来确保结构耐久性的思路有很大的不同。
我国钢桥面板应用稍晚，但一下子用量很大，尤其需要研究这方面的经验和教训，使我国钢桥面板的设计、制造安装更健康的发展。
2.钢桥面板的发展上世纪30年代，德国首先开始研发用钢桥面板代替混凝土桥面板，谋求减轻自重、延伸跨长和经济性。
1934年建成了世界上第一座钢桥面板连续板梁桥——Feldcoeg桥，跨长8.0m+2×12.5m+8.0m，该桥桥面板结构如图1所示。
图1 德国Feldcoeg桥钢桥面板二次世界大战后，德国正式把钢桥面板既作为主梁翼缘的一部分而参与主梁共同工作，又作为桥面板直接承受交通荷载，于1950年建成了kurpfalz桥，三跨连续钢板梁桥，跨长56.1m+74.8m+56.1m，见图2。
总630期第二期2018年2月河南科技Henan Science and Technology正交异性钢桥面板主要受力特点及设计尺寸对其疲劳性能的影响刘源（兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州730070）摘要：基于工程实例背景通过ANSYS软件建立模型，分析正交异性钢桥面板主要构件的受力特点，为后文简化模型的建立提供依据。
建立简化模型，通过改变横隔板厚度设计尺寸，来研究设计尺寸的改变对正交异性钢桥面板疲劳的影响。
研究结果表明：纵桥向方向，横隔板上应力主要受其前后两个横隔板间距范围内的荷载影响，其余处的荷载对其影响较小；桥宽方向，荷载只影响与它左右相邻的两个U肋上的应力。
通过改变构造设计尺寸，正交异性钢桥面板的疲劳性能受到一定程度的影响，合理的设计尺寸对提高正交异性钢桥面板的疲劳性能很有帮助。
关键词：横隔板；疲劳；正交异性钢桥面板中图分类号：U443.32；U441.5文献标识码：A文章编号：1003-5168（2018）04-0101-03The Main Stress Characteristics of Orthotropic Steel Bridge Deck and the Effect of Design Size on Its Fatigue PerformanceLIU Yuan（School of Civil Engineering,LanZhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu730070）Abstract:Based on the background of engineering example,building entity model through ANSYS software, analysis of the stress characteristics of the main members of the orthotropic steel bridge deck,provide the basis for the establishment of the later simplified model.Set up a simplified model,by changing the thick⁃ness of the diaphragm,to study the effect of design size change on the fatigue of orthotropic steel bridge deck.The results of the study showed that:Direction of longitudinal bridge,the stress on the diaphragm is mainly affected by the load within the two diaphragm,the rest of the load has little effect on it;Bridge width direction,the load only affects the stress on the two U ribs adjacent to it.By changing the design size of the structure,the fatigue performance of the orthotropic steel bridge deck is affected by varying de⁃grees,when the design was used,the reasonable design size is helpful to improve the fatigue performance of the orthotropic steel bridge deck.Keywords:diaphragm；fatigue；orthotropic steel bridge deck因具有自重轻、跨越能力大、承载能力强等优点，在当今国内外的桥梁建设中，正交异性钢桥面板得到了大量的使用［1］。
正交异性钢桥面板疲劳细节优化
摘要：作为早期公路钢桁梁桥破损桥面板更新的主要选择，正交异性钢桥面板已得到应用。
为了适应近年来日益增长和加重的车辆轮载，需要对钢桥面板进行疲劳细节的优化。
本文采用montecarlo方法模拟50年的疲劳荷载作用，借助三维有限元模型获得两种闭口肋的疲劳细节影响面，运用经典的雨流计数法研究其疲劳损伤度。
结果表明相同尺寸下，u形截面常见疲劳细节的受力优于v形截面，疲劳寿命大于v形截面。
关键词：栓焊桁梁桥；钢桥面板；疲劳细节优化；闭口肋
abstract: as the early highway steel truss bridge damage the main selection panel update, orthotropic steel bridge panel has been applied. in order to meet the increasing in recent years and aggravation of the vehicle wheel load, need to steel bridge panel fatigue of the detail of the optimization. in this article, the method of 50 years of simulation montecarlo fatigue load, with the aid of the three dimensional finite element model for two silent ribs fatigue details the extent, using the classical rain flow count method to study the fatigue degree. the results show that under the same size, u shape section of the detail of the stress fatigue common better than v section, fatigue life than v section.
keywords: bolt welding truss; bridge steel plate; fatigue
details optimization; silent rib
中图分类号：u448.36 文献标识码：a文章编号：
引言
正交异性钢桥面板结构复杂，存在大量焊接构造，制造施工要求较高，疲劳问题显著，在车轮荷载长期反复作用下，焊缝易开裂。
本文根据正交异性钢桥面板中闭口纵肋常用的两种截面形式：u形截面、v形截面，选取四个横梁间距建立正交异性钢桥面板局部有限元模型，计算单轮荷载作用下常见疲劳细节的影响面，用雨流法进行疲劳损伤度计算，对两种不同截面形式的闭口纵肋进行对比分析。
由于历史局限性，我国早期公路栓焊桁梁桥的设计荷载等级普遍较低，其桥面系构造为钢纵横梁其上叠加预制砼桥面板，由于使用分布数量较少的刚性剪力键固定，纵横梁与混凝土板之间的叠合作用较弱。
近十几年来，大部分栓焊钢桁梁桥所通行的车辆载重及流量均远超原设计水平，而且桥梁结构深受各种形式病害的侵扰，主要表现在桥面板破损导致的钢结构锈蚀、纵横梁不当连接导致的疲劳裂纹等。
（1）桥面板的破损导致防水失效，雨水及垃圾聚集形成恶劣的锈蚀环境，使得下承式桁梁的h型下弦、纵横梁、人行托架根部及下平联节点处遭受严重的锈蚀。
图 1给出了因桥面板破损渗漏水严
重形成纵横梁恶劣的锈蚀环境。
（2）栓焊桁梁桥的钢结构裂纹主要由疲劳产生，且疲劳裂纹多发生在桥面系纵横梁连接处的连接角钢和纵梁腹板切口处，原因有两方面：一方面，纵梁在横梁处断开，并采用柔性的角钢连接，纵梁间不设置鱼形板，假定此处仅传递竖向剪力。
然而，纵梁栓接接头总是存在一些抵抗力矩，梁端转动使连接角钢发生了畸变。
因此连接角钢较容易撕裂；另一方面，工字形截面的纵梁与横梁连接时，上端的翼缘被切除以避让横梁翼缘，这样大大减小了纵梁的截面模量，这部分纵梁的抗弯能力被显著削弱，出现很大的应力幅，造成纵梁腹板切口处出现裂纹。
栓焊钢桁梁桥的主桁、联结系和桥面系组成了近似箱形截面的空间受力分布特性，具备较强的承载潜力，其更新加固工程主要包括两方面：砼桥面板的更换与钢结构的除锈涂装维修。
鉴于正交异性钢桥面板具有重量轻、强度高、安装迅速、可根除现有钢桁梁桥病害的细节构造等优势，在桁梁桥桥面板更新加固中成为强有力的推荐方案。
本文介绍了正交异性钢桥面板在某桁梁桥桥面板更新加固中的应用与相关的问题。
通过建立三维有限元模型，并结合实桥试验，考察了钢桥面板与原纵横梁的协同工作状况。
不同加载工况的对比分析表明更新的钢桥面板与原纵横梁叠合作用明显，增强了结构刚度，降低了纵横梁结构的应力，有效增强了既有桥梁的承载能力。
钢桥面板疲劳分析流程
正交异性钢桥面板的疲劳特性主要体现在，其疲劳细节分析流程如图 1所示。
疲劳细节及分级
钢桥面板容易开裂的部位主要是焊接连接点，即钢桥面板各部件连接处的焊缝。
当然也有因应力集中导致易开裂的部位，如横梁腹板的开孔处。
结合国外文献中已经报道的疲劳裂纹位置，绘制了典型的闭口纵肋正交异性钢桥面板易于产生疲劳裂纹的关键部位。
本文选取计算的疲劳细节如表 1所示。
疲劳性能分析
有限元模型
局部有限元模型纵桥向取四个横梁间距，相邻横梁间距2米，横桥向共计15个纵肋，相邻纵肋间距0.6米，总宽度9.5米。
纵肋、横梁采用shell63单元，桥面铺装采用solid64单元。
将跨中横梁与最外侧两个横梁下翼缘的平动与转动位移全部约束，为了模拟纵梁对正交异性板真实的支撑作用，将梁单元与正交异性板横梁下翼缘底部位移耦合，使其位移一致。
影响面计算
以轮迹带中心线为中心，影响面计算范围在横桥向为一个轮迹带分布宽度，即1.1m。
根据先前计算横桥向影响线的精度来看，横桥向50mm间距一个工况即可保证计算精度。
因此确定每个纵桥向
影响线的间距50mm，总共计算23条纵桥向影响线。
影响面纵桥向长度为6m，纵桥向影响线上每隔100mm为一个计算工况，每条纵桥向影响线共61个工况。
疲劳寿命
将钢桥面板各疲劳细节的抗力按照eurocode中相关规定执行，为保持一致，在疲劳寿命分析中选用eurocode规范中的疲劳曲线。
利用抽样法计算轮载作用下钢桥面板各细节的疲劳寿命，并利用简化法计算eurocode等效轴重作用下钢桥面板各细节的疲劳寿命。
根据图 1的疲劳寿命计算流程分布计算u型肋和v型肋钢桥面板的疲劳细节寿命，并将疲劳分析计算结果列于表 2中。
通过以上表中数据对比可知，相同尺寸的u形闭口肋累积损伤小于v形闭口肋，疲劳特性优于v形纵肋，具有更长的疲劳寿命。
两种闭口肋常见疲劳细节的疲劳寿命都有很大的富余，能够满足使用要求。
结论
通过有限元模型计算结果的对比分析可以发现，当闭口肋开口宽度、高度、厚度相同时，u形肋常见疲劳细节的疲劳性能要优于v形肋，具有更长的疲劳寿命，能够满足使用年限的要求。
在大跨度栓焊结构中u形闭口肋可以比v形闭口肋更好地改善正交异性钢桥面板的疲劳开裂问题，增强疲劳细节的耐久性。
参考文献
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注：文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。
