《交通運輸科學(xué)技術(shù)新成果推廣目錄》（２０２1）—第一部分橋梁工程篇《正交異性鋼橋面板加固對策與焊縫疲勞壽命研究》

完成單位：天津市交通科學(xué)研究院、天津濱海新區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)管有限公司

主要完成人：閆燕紅、何立忠、邵兵、孫運國、劉華東、馬愛靜、劉宏偉、齊懷展、王蕊、王甫友

項目簡介

　　正交異性鋼橋面板的橋面鋪裝破損與正交異性板局部疲勞開裂問題是鋼箱梁領(lǐng)域的技術(shù)難題，嚴重影響了正交異性板大跨徑橋梁的通行功能。各國針對正交異性鋼橋面板的疲勞開裂及鋪裝破損問題的改進進行了大量理論分析與實驗。在近些年新建橋梁的正交異性板結(jié)構(gòu)體系中，隨著正交異性板體系的改進和加強，正交異性板的疲勞開裂及鋪裝破損問題得到較好的改善，但是早期建成的正交異性板鋼箱梁結(jié)構(gòu)體系存在正交異性板局部剛度偏弱的問題，隨著運營時間的增加，正交異性鋼橋面板局部遇到的問題也日趨突出，尤其是位于交通節(jié)點的大跨徑斜拉橋和懸索橋結(jié)構(gòu)。

　　針對正交異性橋面板局部疲勞開裂和橋面鋪裝破損這兩方面問題，國內(nèi)外同行進行了大量的研究，提出了多種加固處治方式，但是沒有形成一種完全解決此類問題的統(tǒng)一方法。課題針對正交異性板鋼箱梁局部剛度偏弱的特點，依托一座大跨徑斜拉橋工程，提出了基于高性能混凝土的正交異性板局部剛性加固方式，同時對焊縫的疲勞特性進行評價研究。

　?。?）結(jié)合正交異性板疲勞開裂和橋面鋪裝破損的問題，提出將超高性能混凝土剛性橋面體系應(yīng)用于大跨徑正交異性鋼橋面板加固，極大改善了正交異性板的局部受力及抗裂性能，提高了正交異性鋼橋面板體系的抗疲勞能力；

　?。?）結(jié)合正交異性板局部焊縫的形式，建立了正交異性鋼橋面板肋-面板的局部三維斷裂力學(xué)分析模型，提出了基于肋-面板焊縫疲勞裂紋的三維擴展進行鋼橋面板的疲勞壽命評估方法，提高了分析效率與精度。首次用疲勞試驗測試了不同負應(yīng)力比的拉-壓循環(huán)應(yīng)力作用下橋梁鋼焊縫的疲勞裂紋擴展特性，揭示了拉-壓循環(huán)應(yīng)力中壓應(yīng)力對疲勞裂紋的驅(qū)動作用。正交異性鋼橋面板病害機理與處置對策研究和基于斷裂力學(xué)的正交異性鋼橋面板焊縫的疲勞壽命分析，為正交異性鋼橋面板加固對策與焊縫疲勞壽命研究技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定了理論和實踐基礎(chǔ)，其技術(shù)經(jīng)濟指標具有很好的相關(guān)性和實用性，技術(shù)經(jīng)濟指標先進程度高。

項目創(chuàng)新點

　?。?）基于動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，分析確定了車輛總重及荷載效應(yīng)概率分布模型，擬合提出了實橋現(xiàn)狀通行荷載的計算活載模型；

　?。?）對斜拉橋鋼箱梁正交異性板的病害機理、強度及疲勞性能進行了專項研究，提出了斜拉橋正交異性板采用密集配筋的高性能混凝土剛性加固方法，極大改善了正交異性板的局部受力性能，降低正交異性板局部開裂和橋面鋪裝破損的風(fēng)險；

　?。?）基于Schwartz-Neuman交替法建立了高效和準確的正交異性鋼橋面板肋-面板的局部三維斷裂力學(xué)分析模型。計算結(jié)果表明，這個所建立的局部三維斷裂力學(xué)模型可以給出比目前所用二維斷裂力學(xué)模型準確的肋-面板焊縫表面裂紋的應(yīng)力強度因子。課題也探討了基于肋-面板焊縫疲勞裂紋的三維擴展進行鋼橋面板的疲勞壽命評估方法；

　?。?）首次用疲勞試驗測試了不同負應(yīng)力比的拉-壓循環(huán)應(yīng)力作用下橋梁鋼焊縫的疲勞裂紋擴展特性。所得焊縫疲勞試驗數(shù)據(jù)表明：焊縫的疲勞強度高于母材的疲勞強度；在循環(huán)應(yīng)力中的最大拉應(yīng)力相同的情況下，當應(yīng)力比R<-0.5時，疲勞裂紋擴展率明顯變大。因此，考慮拉-壓循環(huán)應(yīng)力中壓應(yīng)力對疲勞裂紋的驅(qū)動作用是十分必要的。

應(yīng)用案例

　　本課題研究成果已成功應(yīng)用于2015年海河大橋斜拉橋維修加固工程中，利用"正交異性鋼橋面板加固對策與焊縫疲勞壽命研究"的研究成果，對主橋鋼箱梁正交異性板采用高性混凝土剛性加固技術(shù)進行了評估，根據(jù)正交異性板鋼箱梁段現(xiàn)狀病害情況，及結(jié)構(gòu)整體恒載不增加的條件下，在行車道范圍內(nèi)對鋼箱梁正交異性板鋪設(shè)超高韌性混凝土進行剛性加固，在鋼箱梁拉索錨固區(qū)及人行檢修通道區(qū)鋪設(shè)橡膠磨耗層，確定了正交異性板頂鋪設(shè)高性混凝土的厚度，并進行了維修加固實施及加固后疲勞性能評估。

　　海河大橋斜拉橋于2015年對正交異性板局部采用高性混凝土加固后，于2015年9月開放交通，至今已使用超過6年，橋面鋪裝及正交異性板均未出現(xiàn)新病害和原有病害發(fā)展。該橋以往采用柔性橋面鋪裝維修和鋼箱梁局部鋼板維修方法加固后，使用的第二年開始出現(xiàn)橋面鋪裝開裂及正交異性板疲勞開裂病害的發(fā)展和新增，本次采用基于高性能混凝土的正交異性板局部剛性加固的方法成功解決了該橋橋面鋪裝和正交異性板開裂問題，對具有類似病害的正交異性板鋼箱梁橋加固具有較高的參考性。

圖1 基于高性能混凝土正交異性板局部加固結(jié)構(gòu)體系

圖2 焊縫局部疲勞性能分析

圖3 海河大橋加固實施現(xiàn)場      

圖4 海河大橋運營6年鋼橋面鋪裝狀況較好

社會效益與經(jīng)濟效益

　　課題研究成果成功應(yīng)用海河大橋?qū)崢?，具有較好的工程推廣效果，可解決正交異性板疲勞開裂和鋪裝破損加固難題及拉索的安全性評估問題，具有廣闊的應(yīng)用前景，提高同類橋梁結(jié)構(gòu)的社會服務(wù)功能和通行安全性，具有較高社會效益。

　　本項目主要的經(jīng)濟和社會效益體現(xiàn)在三方面：

　?。?）正交異性鋼橋面板病害機理與處置對策研究，可為正交異性板加固設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)；

　?。?）加固方法應(yīng)用于正交異性鋼橋面板加固中，大降低維修頻率，減少維修工程量，降低了對通行交通的斷交影響，取得較大的經(jīng)濟效益；

　?。?）對鋼橋面板病害的橋梁，利用課題研究成果應(yīng)用于鋼橋橋面板維修加固設(shè)計，為橋梁加固提供合理科學(xué)的措施，取得可觀的經(jīng)濟和社會效益。