付誠俊，劉耀榮，吳 峰，封 偉

(西安市政設計研究院有限公司，陜西 西安 710068)

0 引 言

鋼結構是土木工程的主要結構種類之一，具有強度高、重量輕、可靠性高、材料韌性及延性好，抗震性能優(yōu)良，造型美觀、工業(yè)化程度高、施工安裝速度快等諸多優(yōu)點，被廣泛應用于橋梁等結構中。鋼蓋梁就是鋼結構在橋梁下部結構中的應用，蓋梁設計是橋墩設計一個關鍵部分，目前專門針對鋼蓋梁受力性能的研究還較少，以陜西省工程建設標準項目為依托，對城市高架橋鋼蓋梁疲勞性能進行研究。

城市橋梁鋼蓋梁大多采用鋼箱梁，充分利用了鋼箱梁整體性好，抗彎、抗扭剛度大，穩(wěn)定性好，便于施工等優(yōu)點。蓋梁是將上部結構荷載傳遞到墩柱的重要構件，往往承受著高應力且具有反復循環(huán)的特點，在反復荷載作用下，疲勞損傷逐漸累積并最終造成鋼蓋梁構造細節(jié)的破壞。由于活載偏心加載作用以及輪載直接作用在鋼蓋梁的頂板上，使得鋼蓋梁截面發(fā)生畸變和橫向彎曲變形，為保持箱形斷面的形狀，增加整體剛度，防止過大的局部應力需要在箱梁的支點位置與跨間設置橫隔板。支點橫隔板還將承受支座處的局部荷載，起到分散支座反力的作用，在反復荷載作用下，鋼蓋梁支承橫隔板及其與中腹板連接位置應力狀態(tài)復雜，是結構疲勞破壞的危險位置，疲勞損傷的積累將成為影響鋼蓋梁結構安全的潛在隱患。

1 鋼蓋梁疲勞分析

基于安全壽命設計方法研究鋼蓋梁的抗疲勞性能，研究流程如下：(1)通過Midas Civil整體有限元模型分析，得到鋼蓋梁支點位置的各車道影響線；(2)使用我國鋼橋設計規(guī)范疲勞荷載模型Ⅱ對蓋梁支點影響線加載，得到鋼蓋梁疲勞細節(jié)處的內力歷程；(3)建立橋墩Midas Fea有限元仿真模型，將內力歷程作為疲勞荷載加載，得到蓋梁疲勞細節(jié)處的應力歷程，使用雨流法(Rain flow counting)統(tǒng)計應力歷程得到應力幅值譜；(4)確定鋼蓋梁疲勞細節(jié)部位的疲勞強度S-N曲線，并通過Goodman損傷程度修正方法，依據Miner線性累積損傷理論，計算鋼蓋梁疲勞細節(jié)處的疲勞損傷度與疲勞壽命；(5)調整橫隔板人孔的構造形式，研究提高鋼蓋梁抗疲勞性能的有效方法。

1.1 背景工程概況

以一座城市高架橋為依托，該橋上部結構采用3 m×30 m鋼混組合梁，下部結構采用T型橋墩，墩柱采用鋼管混凝土墩柱，矩形鋼管內填充C40微膨脹混凝土，蓋梁采用鋼蓋梁，承臺采用方形鋼筋混凝土承臺，基礎采用鉆孔灌注樁。

本橋蓋梁采用箱形截面，鋼材采用Q345qD，蓋梁長10.35 m，寬2.0 m，高1.4 m，設三道腹板，蓋梁頂板厚18 mm，腹板、底板厚16 mm；蓋梁縱向加勁肋采用板肋，板肋高150 mm，厚16 mm，支座位置設置于中腹板與支承橫隔板相交處，支承橫隔板厚16 mm。

1.2 疲勞荷載的獲得

通過Midas Civil整體有限元模型分析，得到鋼蓋梁支點位置的各車道影響線。使用我國鋼橋設計規(guī)范疲勞荷載計算模型Ⅱ對蓋梁支點影響線加載，得到鋼蓋梁疲勞細節(jié)位置的內力歷程。我國鋼橋梁設計規(guī)范疲勞荷載模型Ⅱ如圖1所示，雙車模型加載時兩輛模型車的距離需要大于40 m，且只按單車道布載。

疲勞荷載計算模型Ⅱ加載得到的豎向力FN的內力歷程如圖2所示，該內力歷程就是鋼蓋梁進行疲勞分析的疲勞荷載。

圖2 鋼蓋梁支承位置豎向力歷程圖(單位：kN)

1.3 疲勞應力譜的獲得

建立橋墩Midas FEA有限元仿真模型。鋼蓋梁模型采用板單元，材料采用Q345，墩底各節(jié)點采用固結邊界條件。將疲勞荷載加載到鋼蓋梁，得到各疲勞細節(jié)處的應力歷程，使用雨流法(Rain flow counting)分析應力歷程圖形，統(tǒng)計應力歷程得到應力幅值譜。

1.4 確定疲勞曲線

通過鋼蓋梁疲勞細節(jié)處損傷度與疲勞壽命分析，支承橫隔板人孔邊緣拐角位置及其與中腹板連接位置處是疲勞破壞危險位置，確定我國鋼橋規(guī)范中對應該疲勞細節(jié)的疲勞強度曲線。如圖3所示，其計算方程如下

圖3 疲勞強度曲線

1.5 疲勞分析結果

疲勞分析后，鋼蓋梁疲勞損傷云圖如圖4所示。從損傷云圖可以看出，鋼蓋梁支承橫隔板及其與腹板連接位置是疲勞破壞危險位置。一次荷載歷程下，支承橫隔板疲勞細節(jié)位置損傷度為3.06×10-5%，在循環(huán)荷載反復作用下，人孔邊緣拐角處形成微裂紋并擴展產生宏觀裂紋，宏觀裂紋隨著循環(huán)次數的不斷累積，經3.28×106次荷載循環(huán)，支承橫隔板發(fā)生破壞。

圖4 鋼蓋梁疲勞損傷云圖

鋼蓋梁支承橫隔板受力復雜，承受更大的荷載與沖擊，往往是疲勞破壞的薄弱位置。為了改善支承橫隔板的疲勞性能，取消支承橫隔板人孔設計，經疲勞分析后，無人孔鋼蓋梁疲勞損傷云圖如圖5所示。

圖5 鋼蓋梁疲勞損傷云圖(無人孔)

從分析結果可以得出，一次疲勞荷載歷程下，支承橫隔板疲勞細節(jié)位置疲勞損傷為1.62×10-5%，可承受6.16×106次疲勞荷載循環(huán)。改變橫隔板人孔構造形式有效提高了鋼蓋梁的抗疲勞性能。

2 結 論

(1)基于安全壽命設計方法，提出了對鋼蓋梁進行疲勞分析的方法，該方法可應用于同類鋼蓋梁的計算分析。

(2)研究結果表明鋼蓋梁支承橫隔板及其與腹板連接位置是疲勞破壞危險位置。

(3)城市高架橋鋼蓋梁支承橫隔板取消人孔設計，能有效提高鋼蓋梁的抗疲勞性能。