王洪國，徐興偉，張 民，齊 麟

（1.山東高速工程檢測有限公司，山東 濟南 250002；2.橋梁結(jié)構(gòu)大數(shù)據(jù)與性能診治提升交通運輸行業(yè)重點實驗室，山東 濟南 250002）

鋼-混凝土組合梁充分利用鋼材和混凝土的力學(xué)性能特性，具有自重輕、結(jié)構(gòu)受力合理、結(jié)構(gòu)延性好、施工方便等優(yōu)點，近年來在橋梁工程領(lǐng)域開始廣泛應(yīng)用。我國自20世紀(jì)90年代開始鋼-混凝土組合梁橋的探索與實踐，已建成上海楊浦大橋、重慶觀音巖長江大橋、廈漳跨海大橋南汊橋等一批具有代表性的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁。隨著橋梁裝配式施工技術(shù)的進(jìn)步，鋼-混凝土組合橋梁在中小跨徑橋梁中將得到進(jìn)一步推廣使用。

早期鋼-混凝土組合梁橋的研究主要針對結(jié)構(gòu)的靜力行為，隨著鋼橋疲勞問題的出現(xiàn)，鋼-混凝土組合梁橋的疲勞引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[1]。鋼-混凝土組合梁橋的疲勞敏感細(xì)節(jié)主要包括鋼主梁受拉翼緣和剪力連接件，目前疲勞性能研究多是基于模型疲勞試驗開展的。Hanswille等共開展了71個栓釘推出試驗，確定裂紋萌生階段占全部疲勞壽命的10%~20%，疲勞荷載峰值大小對疲勞裂紋型式影響顯著[2]。聶建國等開展了7片鋼-混組合構(gòu)件模型疲勞試驗，提出了栓釘細(xì)節(jié)的S-N（應(yīng)力-壽命）曲線[3]。李小珍以3根鋼-混凝土組合梁抗彎疲勞試驗結(jié)果，分析了組合梁疲勞破壞過程中撓度、栓釘應(yīng)變的變化趨勢，研究了組合梁疲勞壽命的影響因素及影響規(guī)律[4]。已有研究成果基本確定了鋼-混組合梁疲勞強度及影響因素，為鋼-混組合梁橋抗疲勞設(shè)計及疲勞評估提供了有益的參考。

鋼-混組合梁橋疲勞性能影響因素較多，如交通荷載、環(huán)境因素、材料劣化等，開展運營狀態(tài)下鋼-混組合梁橋的疲勞評估是保障在役結(jié)構(gòu)使用安全的關(guān)鍵。王志宇通過波形鋼腹板－鋼管混凝土翼緣組合梁多尺度有限元模型，結(jié)合理論公式對比分析了疲勞壽命預(yù)測精度和計算分析效率[5]。張海鵬以鋼-混凝土組合梁靜力試驗和疲勞試驗結(jié)果為基礎(chǔ)，對栓釘銹蝕后負(fù)彎矩區(qū)的疲勞性能進(jìn)行研究，初步確定了栓釘銹蝕率對組合梁疲勞壽命、撓度、殘余變形的影響[6]?？飦喆ɑ跀嗔蚜W(xué)理論提出一種預(yù)測銹蝕栓釘鋼-混凝土組合梁疲勞壽命的模型，同時考慮疲勞加載幅、疲勞加載上限、栓釘極限承載力、栓釘直徑以及栓釘初始缺陷等因素對疲勞壽命的影響[7]。Alencar采用熱點應(yīng)力法和跨尺度有限元分析方法，對一座高速鐵路鋼混組合梁橋疲勞壽命進(jìn)行評估，并對子模型尺度進(jìn)行了優(yōu)化分析[8]。鄧露考慮疲勞車、交通量和環(huán)境腐蝕等因素，采用疲勞累積損傷理論對某鋼板組合梁橋鋼主梁進(jìn)行疲勞壽命評估[9]。已開展的鋼-混組合梁橋疲勞評估研究主要基于模型試驗和有限元分析，初步分析了不同因素對典型細(xì)節(jié)疲勞壽命的影響規(guī)律，而運營狀態(tài)下的鋼-混組合梁橋疲勞安全評估尚需要進(jìn)一步研究。

本文基于山東棗木高速公路某鋼箱組合梁橋健康監(jiān)測系統(tǒng)，獲取交通荷載信息和鋼主梁受拉翼緣應(yīng)力歷程曲線，利用有限元軟件平臺進(jìn)行車流模擬加載確定栓釘細(xì)節(jié)疲勞應(yīng)力譜，采用疲勞累積損傷理論和斷裂力學(xué)理論分別對鋼-混組合梁橋疲勞敏感細(xì)節(jié)進(jìn)行疲勞安全評估。

1 鋼-混組合梁橋健康監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建

山東臨棗高速至棗木高速段（棗木高速東延段）起于棗莊市嶧城區(qū)峨山鎮(zhèn)，與臨棗高速相接；止于棗莊市市中區(qū)齊村鎮(zhèn)，與棗木高速相連，采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。在跨越既有線路時采用鋼-混組合箱梁橋，跨徑分別為55 m和60 m，均為簡支梁結(jié)構(gòu)，上、下行采用分離式雙幅橋梁結(jié)構(gòu)（見圖1（a））。單幅橋?qū)?1.75+2×0.5 m（護(hù)欄），包括兩個寬3.75 m的行車道和3.5 m的緊急停車帶，兩側(cè)懸挑各1.5 m，鋪裝層采用20 mm厚的瀝青砂+80 mm瀝青混凝土，具體尺寸見圖1（b）。主梁采用雙箱單室截面，雙箱尺寸一致，箱體之間通過鋼橫梁和預(yù)制混凝土板連接，鋼主梁與混凝土板之間采用栓釘連接。中心線高度分別為2.6 m，通過變化鋼箱相對標(biāo)高實現(xiàn)橋面橫坡。鋼箱底板寬3.3 m，分離式鋼主梁之間間距3.15 m，鋼主梁底板與上翼緣厚度均為35 mm，底板采用厚20 mm的鋼板加勁肋，中心間距460 mm。腹板厚22 mm，腹板豎向加勁肋厚15 mm，橫向?qū)挾?50 mm。栓釘直徑25 mm、高度180 mm，橫橋向每排布置5個栓釘，橫向間距100 mm，縱向間距150 mm。

圖1 棗木高速東延段鋼-混組合梁橋

為實時監(jiān)測鋼-混組合梁橋工作狀態(tài)，利用山東高速工程監(jiān)測有限公司健康監(jiān)測平臺，選取60 m跨段進(jìn)行健康監(jiān)測。監(jiān)測內(nèi)容包括交通荷載、應(yīng)變、撓度、溫度、滑移等，監(jiān)測數(shù)據(jù)全部接入健康監(jiān)測系統(tǒng)，通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)云傳遞。棗木高速東延段于2019年11月通車運營，健康監(jiān)測系統(tǒng)同時開啟，對結(jié)構(gòu)的運營狀態(tài)進(jìn)行全方位的監(jiān)測與預(yù)警。為了研究鋼-混組合梁橋疲勞性能，本文重點關(guān)注交通荷載與鋼主梁疲勞敏感細(xì)節(jié)的動應(yīng)變監(jiān)測，傳感器布置如圖2所示。選取跨中截面布置光纖光柵應(yīng)變傳感器，單箱室傳感器布置方案見圖2（a），在鋼主梁上翼緣垂直焊縫方向分別布置1個傳感器（CF1、CF3、CW1、CW3），在底板受拉細(xì)節(jié)垂直焊縫方向和沿焊縫方向分別布置應(yīng)變傳感器（CF2、CF4、CW2、CW4、CL1、CL2）。單箱室共布置垂直于焊縫傳感器8個，沿焊縫方向傳感器2個，跨中截面共布置應(yīng)變傳感器20個，實橋應(yīng)變傳感器布置示意圖見圖2（b）。選取距梁端5 m截面布置壓電式高速動態(tài)稱重系統(tǒng)，監(jiān)測內(nèi)容包括速度、車軸數(shù)量、車軸間距、車型、軸重、車輛總重等，如圖2（c）所示。系統(tǒng)采用原裝進(jìn)口壓電薄膜傳感器，整車稱重精度大于90%，流量精度大于98%，具有檢測效率高、檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、操作簡便等特點。

圖2 實橋溫度傳感器布設(shè)

2 典型細(xì)節(jié)疲勞應(yīng)力譜獲取

2.1 鋼主梁受拉翼緣疲勞應(yīng)力譜

鋼主梁在制造時劃分成若干節(jié)段，現(xiàn)場安裝時采用焊縫連接，受拉翼緣焊縫在疲勞荷載作用下可能會出現(xiàn)疲勞開裂。受拉翼緣焊縫直接影響鋼主梁和組合梁整體結(jié)構(gòu)的使用安全，因此開展鋼主梁受拉翼緣疲勞評估對保證結(jié)構(gòu)安全運營十分關(guān)鍵。本文基于健康監(jiān)測系統(tǒng)的動應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)，分析鋼主梁受拉翼緣疲勞應(yīng)力譜，監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖3所示。

選取2020年6月2日24 h監(jiān)測數(shù)據(jù)，應(yīng)力歷程曲線如圖3（a）所示，可以看出白天（8:00-20:00）通行車輛顯著多于夜間（20：00-8:00），且應(yīng)力峰值大于40 MPa的數(shù)量較多。監(jiān)測數(shù)據(jù)中應(yīng)力基線基本位于0 MPa左右，最大應(yīng)力峰值為62.5 MPa，可以認(rèn)為獲取的應(yīng)力歷程曲線能夠反映交通荷載作用下鋼主梁受拉翼緣的疲勞應(yīng)力。采用雨流計數(shù)法對應(yīng)力歷程曲線進(jìn)行疲勞應(yīng)力幅統(tǒng)計，獲取能夠直接用于疲勞安全評估的實測疲勞應(yīng)力譜，2020年6月30 d內(nèi)的鋼主梁受拉翼緣疲勞應(yīng)力譜見圖3（b）。30 d內(nèi)共獲取疲勞應(yīng)力循環(huán)42 860個，其中10 MPa以下應(yīng)力循環(huán)占56.2%，10 MPa以上疲勞應(yīng)力幅呈多峰分布特點，峰值分別為11、23、41、56 MPa。獲取的最大疲勞應(yīng)力幅為68 MPa，40 MPa以上的疲勞應(yīng)力幅占比僅為2.7%。

圖3 鋼主梁受拉翼緣監(jiān)測數(shù)據(jù)

2.2 栓釘細(xì)節(jié)疲勞應(yīng)力譜

栓釘是組合梁橋最常用的剪力連接件，在疲勞荷載作用下主要出現(xiàn)栓桿剪切破壞、栓釘焊縫撕裂和栓釘?shù)撞夸摪逅毫训绕茐男问?，試驗研究表明采用剪?yīng)力幅來進(jìn)行栓釘疲勞壽命預(yù)測是合理可行的[3]。實橋健康監(jiān)測中，難以直接采用應(yīng)變傳感器對栓釘所承受的剪應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，本文采用動態(tài)稱重（WIM）數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬加載的方法以獲取運營狀態(tài)下栓釘?shù)膽?yīng)力歷程及疲勞應(yīng)力譜。

選取WIM系統(tǒng)30 d（2020年3月）的交通荷載信息，共獲取單方向76 992組交通荷載信息，日均交通量2 566輛。既有研究表明[10]，總重30 kN以下的車輛造成的疲勞損傷可以忽略，因此在進(jìn)行疲勞損傷分析時認(rèn)為總重大于30 kN的為疲勞車輛。30 d內(nèi)通行的疲勞車輛共37 896輛，占單方向交通量49.2%，疲勞車輛具體分布如表1所列。疲勞車輛中六軸貨車最多，占疲勞車輛的72.2%，二軸貨車比例次之，五軸貨車最少，僅占0.6%。疲勞致傷車輛在內(nèi)、外側(cè)車道通行比例分別為3.4%、96.6%，其中二軸貨車行駛在內(nèi)側(cè)車道的比例最高，六軸貨車比例最少。因此，采用外側(cè)車道交通荷載進(jìn)行模擬加載能夠反映栓釘細(xì)節(jié)在運營狀態(tài)下的疲勞應(yīng)力歷程。疲勞車輛載重分布如圖4所示，最大載重為61 t，按照六軸貨車最大載重55 t考慮，超載車輛占比不足1%。載重峰值分別位于3、13、22、35 t，峰值中3 t、13 t明顯高于其他峰值，結(jié)合車輛型式分布特點得出該方向六軸貨車中有一定比例的空車通過。

圖4 疲勞車輛總重分布

表1 疲勞車輛分布

基于Abaqus軟件建立鋼-混組合梁橋有限元模型（見圖5），底部為焊接槽形鋼主梁，頂部為混凝土板，鋼主梁與混凝土板間通過栓釘連接。鋼梁和混凝土板采用solid單元，不同構(gòu)件的單元間通過共用節(jié)點連接。栓釘與混凝土之間采用面面接觸，即在栓釘與混凝土受力面的法向方向設(shè)置為硬接觸，該接觸面之間能夠傳遞的接觸壓力大小不受限制，受力面的切向方向設(shè)置庫侖摩擦系數(shù)。鋼材彈性模量為206 GPa、泊松比為0.3，橋梁的一端約束鋼梁下翼緣的x、y、z向位移，另一端約束其x、y向位移，兩端均不約束其轉(zhuǎn)動。模擬加載主要關(guān)注栓釘縱向剪切應(yīng)力，縱橋向在跨中20 m區(qū)域內(nèi)加載步距為500 mm，其他位置加載步距1 m，共設(shè)置76個加載工況。

圖5 鋼-混組合梁橋有限元模型

根據(jù)等效損傷理論將監(jiān)測獲取的WIM數(shù)據(jù)按照軸數(shù)進(jìn)行軸間距和軸重簡化，將不同軸數(shù)的簡化車輛模型按照車道加載至鋼-混凝土組合梁橋有限元模型，確定栓釘細(xì)節(jié)剪應(yīng)力歷程曲線，通過雨流計數(shù)法得到栓釘細(xì)節(jié)的疲勞剪應(yīng)力譜，見圖6。共獲取疲勞剪應(yīng)力循環(huán)45 254個，最大剪應(yīng)力幅為85 MPa，高于鋼主梁受拉翼緣最大應(yīng)力幅。栓釘細(xì)節(jié)疲勞剪應(yīng)力譜與交通荷載分布特點相似，呈現(xiàn)出多峰分布狀態(tài)，峰值分別位于1 MPa、22 MPa、56 MPa。栓釘細(xì)節(jié)疲勞剪應(yīng)力幅10 MPa以下應(yīng)力循環(huán)占42.2%，40 MPa以上的疲勞應(yīng)力幅占比為19.9%，總體高于鋼主梁受拉翼緣疲勞應(yīng)力幅。

圖6 栓釘細(xì)節(jié)模擬加載疲勞剪應(yīng)力譜

3 基于健康監(jiān)測的疲勞安全評估

3.1 基于疲勞損傷累積理論的疲勞安全評估

疲勞累積損傷理論，又稱為Palmgren-Miner準(zhǔn)則[11]，認(rèn)為交通荷載產(chǎn)生的疲勞損傷可以線性累積

式中，Di為疲勞應(yīng)力幅σi造成的疲勞損傷；ni表示疲勞應(yīng)力幅σi的循環(huán)次數(shù)；Ni為疲勞應(yīng)力幅σi單獨作用下構(gòu)件發(fā)生疲勞破壞的循環(huán)次數(shù)。當(dāng)累積疲勞損傷度達(dá)到1.0時，則發(fā)生疲勞破壞。在確定疲勞應(yīng)力幅σi單獨作用下構(gòu)件發(fā)生疲勞破壞時的循環(huán)次數(shù)Ni時，需確定不同構(gòu)造細(xì)節(jié)的應(yīng)力-壽命曲線（S-N曲線）。根據(jù)文獻(xiàn)[12]規(guī)定，鋼主梁受拉翼緣疲勞強度等級為90 MPa，即應(yīng)力循環(huán)2.0×106次對應(yīng)的疲勞應(yīng)力幅為90 MPa，栓釘細(xì)節(jié)的疲勞強度等級為剪應(yīng)力幅90 MPa，且栓釘細(xì)節(jié)S-N曲線斜率取為m=8。鋼主梁受拉翼緣和栓釘細(xì)節(jié)對應(yīng)的S-N曲線表達(dá)式為

其中，式（2）為鋼主梁受拉翼緣細(xì)節(jié)的S-N曲線（三折線），式（3）為栓釘細(xì)節(jié)S-N曲線（雙折線），當(dāng)應(yīng)力幅循環(huán)次數(shù)大于1.0×108時采用直線段，即認(rèn)為細(xì)節(jié)疲勞壽命趨于無限。

基于疲勞累積損傷理論對鋼-混組合梁橋進(jìn)行疲勞安全評估，鋼主梁受拉翼緣采用基于健康監(jiān)測獲取的實測疲勞應(yīng)力譜，栓釘細(xì)節(jié)采用基于WIM的模擬加載獲取的疲勞應(yīng)力譜，評估結(jié)果如表2所列。受拉翼緣細(xì)節(jié)30 d內(nèi)產(chǎn)生的疲勞損傷7.46×10-5，栓釘細(xì)節(jié)疲勞損傷12.6×10-5，栓釘細(xì)節(jié)的疲勞損傷顯著高于鋼主梁受拉翼緣，計算得兩個細(xì)節(jié)疲勞壽命分別為1 117.3 a、663.2 a。由于棗木高速東延段通車不久，通行的車輛較少，單方向日交通量約為2 500輛，且疲勞車輛所占比例低于50%。若交通量增加或交通荷載提高，鋼-混組合梁橋的疲勞壽命將會大大縮短，未來應(yīng)重點關(guān)注交通荷載變化對結(jié)構(gòu)疲勞安全的影響。

表2 基于疲勞累積損傷理論的疲勞安全評估結(jié)果

3.2 基于斷裂力學(xué)的疲勞安全評估

斷裂力學(xué)理論認(rèn)為所有構(gòu)件均存在初始缺陷，在疲勞荷載作用下微觀的初始缺陷會發(fā)展成宏觀的疲勞裂紋，根據(jù)疲勞裂紋擴展至構(gòu)件發(fā)生脆性斷裂所經(jīng)歷的周期確定結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的疲勞壽命。前人在試驗的基礎(chǔ)上提出了適用于裂紋擴展的計算公式[13]

式中：a為裂紋尺寸；N為循環(huán)次數(shù)；ΔK為應(yīng)力強度因子幅，即ΔK=Kmax-Kmin；C和m為材料常數(shù)，對于Q345鋼材，C=6.9×10-12，m=3。應(yīng)力強度因子K反映了裂紋尖端應(yīng)力場強度，與應(yīng)力大小、裂紋尺寸等因素有關(guān)，I型裂紋應(yīng)力強度因子表達(dá)式為

其中：Y為結(jié)構(gòu)參數(shù)，對于中心穿透裂紋取1.0，對于邊緣裂紋取1.12[14]；σ為名義應(yīng)力。疲勞壽命可由式（6）計算求得

式中：ΔKthm為應(yīng)力強度因子門檻值，可以取為2.0，當(dāng)時，疲勞裂紋將會擴展；acr為臨界裂紋尺寸，根據(jù)式（5）得出

式中：KIC為材料斷裂韌性，一般取50 MPa·m0.5。根據(jù)斷裂K準(zhǔn)則，當(dāng)時裂紋將發(fā)生失穩(wěn)擴展，結(jié)構(gòu)在較短的疲勞荷載周期內(nèi)出現(xiàn)斷裂破壞。在進(jìn)行疲勞壽命計算時，若計算得到acr大于板件厚度，則認(rèn)為臨界裂紋尺寸為板件厚度。

將獲取的鋼主梁受拉翼緣和栓釘細(xì)節(jié)的疲勞應(yīng)力譜，根據(jù)疲勞壽命計算式（6）編制基于斷裂力學(xué)計算程序，對疲勞裂紋擴展進(jìn)行迭代計算。監(jiān)測獲取的鋼主梁受拉翼緣和栓釘細(xì)節(jié)最大應(yīng)力幅分別為68 MPa和85 MPa，計算得acr遠(yuǎn)大于板件厚度，則臨界裂紋尺寸取為受拉翼緣板厚度35 mm和栓釘直徑24 mm。由于該橋剛通車運營一年多，目前尚未發(fā)現(xiàn)初始裂紋，根據(jù)文獻(xiàn)[15]初始裂紋尺寸取為0.1 mm?；跀嗔蚜W(xué)的疲勞安全評估結(jié)果如表3所列，在當(dāng)前的交通荷載作用下受拉翼緣裂紋由0.1 mm擴展至35 mm需要時間767.2 a，栓釘則需要425.5 a，疲勞壽命低于基于疲勞累積損傷理論的評估結(jié)果。需要注意的是，隨著裂紋擴展截面的有效面積減小，可能會導(dǎo)致應(yīng)力集中，從而加快裂紋的擴展速率。在運營過程中應(yīng)結(jié)合交通量和結(jié)構(gòu)檢測結(jié)果，定期開展鋼-混組合梁橋疲勞安全評估工作。

表3 基于斷裂力學(xué)的疲勞安全評估結(jié)果

4 結(jié)論

本文基于山東棗木高速公路鋼箱組合梁橋健康監(jiān)測系統(tǒng)，獲取交通荷載信息和鋼主梁受拉翼緣應(yīng)力歷程曲線，利用有限元軟件平臺進(jìn)行車流模擬加載確定栓釘細(xì)節(jié)疲勞應(yīng)力譜，采用疲勞累積損傷理論和斷裂力學(xué)理論分別對鋼-混組合梁橋疲勞敏感細(xì)節(jié)進(jìn)行疲勞安全評估，主要結(jié)論如下：

（1）監(jiān)測獲取的交通荷載和疲勞應(yīng)力譜呈多峰分布特征，其中總重30 kN以上的疲勞車輛占49.2%，鋼主梁受拉翼緣最大疲勞應(yīng)力幅68 MPa，模擬加載獲取的栓釘細(xì)節(jié)最大剪應(yīng)力幅85 MPa；

（2）基于疲勞累積損傷理論的鋼主梁受拉翼緣和栓釘細(xì)節(jié)疲勞壽命分別為1117.3 a、663.2 a，基于斷裂力學(xué)的疲勞壽命評估結(jié)果分別為767.2 a、425.5 a，栓釘細(xì)節(jié)疲勞損傷顯著大于鋼主梁受拉翼緣，在當(dāng)前交通荷載作用下結(jié)構(gòu)疲勞性能夠滿足設(shè)計需求；

（3）采用健康監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠快速、高效的對鋼-混組合梁橋進(jìn)行疲勞安全評估，在運維期間應(yīng)重點關(guān)注交通量變化和結(jié)構(gòu)檢測結(jié)果，定期開展鋼-混組合梁橋疲勞安全評估工作。