1．1 新建背景工程（背景工程 ）

某新建独塔斜拉桥双向八车道，主梁采用 PK断面钢箱梁，其标准断面高 ，宽 ，顶3．58m 40．54m板厚 ，底板厚 ，横隔板厚 ，加强16mm 14mm 12mm横隔板厚 ，中纵腹板厚 ，边纵腹板厚16mm 14mm，横隔板间距为 。正交异性桥面系的纵14mm 3m向 U 肋断面尺寸为 ，中300mm×280mm×8mm心距为 。 肋、横隔板、顶板两两相交的焊600mm U缝喉高 。

1．2 服役背景工程（背景工程2）

某悬索桥双幅十车道，主跨钢箱梁高3．5m，单幅宽20．468m（不含风嘴）；标准断面的顶板厚16mm，底板厚14mm，边腹板厚16mm，实腹式纵隔板厚16mm。正交异性桥面系的纵向 U肋断面尺寸为300mm×280mm×10mm中心距 为600mm。横隔板间距为3．0m，非吊点处横隔板厚10mm（全桥单幅90道），吊点处横隔板厚12mm（全桥单幅共27道）。U肋、横隔板、顶板两两相交的焊缝喉高6mm。横隔板与U肋交界处的弧形切口。

该桥于2006年建成通车。通车后交通量大，双幅达9．18×10veh·d（以2013年8月6日～15日连续10d观测结果为样本）；超载超限车辆相对较多，许多车单轴重超过25．5t，样本周期内右幅桥（北行方向）实测最大车重为132．7t。重车道和快车道均存在超载现象（车道位置见图3），其中重车道2超载现象最为明显，6．3%的车辆超载。

下面针对工程背景2，仅研究第1类病害的产生原因与补强方案。针对背景工程2第1类疲劳病害，根据经验和定性分析，拟定下列6种补强方案进行比较，以选择最优方案。方案 A：弧形切口优化，优化半径为35mm；方案B：弧形切口优化 双面补强钢板，钢板上部距离顶板65mm，厚度10mm；方案C：弧形切口优化 双面补强钢板，钢板上部距离顶板85mm，厚度10mm；方案D：直接双面加补强钢板，钢板上部距离顶板85mm，厚度10mm，补强钢板两侧边缘到U肋的距离由方案C的30mm变更为10mm；方案E：将方案B的补强钢板厚度改为4mm；方案F：将方案B的补强钢板厚度改为2mm。补强钢板与横隔板之间采用高强螺栓连接，螺栓之间的容许间距均满足《公路钢桥规》中不小于3d₀的要求（d₀为螺栓孔直径），且顺内力方向或沿螺栓对角线方向至边缘的最小距离不小于1．5d₀。经检验，摩擦面抗滑移系数均满足规范要求，能有效保证接触良好且无滑移。

该桥经过9年左右的运行，发现了4类疲劳病害：横隔板弧形切口处母材开裂，左幅箱梁（南行方向）82处，右幅箱梁（北行方向）39处，主要集中于重车道，位于车道轮迹线下方；纵隔板竖向加劲肋与桥面板的水平焊缝处开裂，全桥共12处。该病害由构造不合理造成，较合理的构造是将纵隔板竖向加劲肋上端切除（切除4～8cm长），使竖向加劲肋不与桥面板接触； U肋与横隔板连接焊缝处开裂，全桥共计5处。其中，下端围焊焊趾处4处，竖向裂纹1处（发源于下端围焊焊趾）；U肋间桥面板与横隔板焊接处开裂，全桥共计3处。后两类病害数量少，发展慢，且与焊接质量有关，采取开坡口补焊或打磨重熔法处理即可。

正交异性桥面板钢箱梁在国内外应用广泛，但疲劳问题突出。其常见病害有6种顶板与纵肋焊缝位置开裂； 纵肋接头位置焊缝开裂；肋间桥面板与横隔板焊缝开裂； 腹板垂直加劲肋与面板连接焊缝开裂； U 肋与横隔板连接焊缝处开裂； 远离 U 肋焊缝下端的弧形切口起弧点附近区域横隔板母材开裂。随着疲劳研究的不断深入、制造技术的不断进步，疲劳细节的设计与规范规定得到了不断改进。如：闭口纵肋与面板的焊接由 “贴面焊接”逐渐改进为熔透深度达到纵肋壁厚的75%或80%的焊接；取消纵肋与面板连接焊缝通过横肋时的过焊孔；改进闭口纵肋连接嵌补段的钢衬垫板的平整契合度；取消主梁腹板竖向加劲肋与顶板的连接等；顶板厚由（如虎门大桥 ）增加到 14mm （如西堠门大桥），甚至16mm（如嘉绍大桥）或18mm（港珠澳大桥） 。上述方案使得产生前5种疲劳裂纹的概率大大减小，有的甚至完全消除。第6种疲劳病害位置（即与 U 肋邻近的弧形切口处）横隔板母材轮载应力为压应力界传统认知认为：压－压循环不会引起疲劳，也无需疲劳验算形（或称次应力）所致 。但横隔板厚度薄、面外变形应力幅小，横隔板弧形切口处母材疲劳不考虑膜压应力幅影响，仅为面外反复变形所致的结论难以令人信服。相关规范打折（如6折）计算，而压－压循环时可不验算疲劳 ”也存在逻辑上的不足。与“循环荷载下压应力较大，拉应力接近0与不出现拉应力2种情形的疲劳性能不应存在突变”的常识相悖。疲劳验算压应力幅打折（如6折）考虑应可拓展应用到压－压循环。

事实上，机械工程领域已对金属材料进行了压－压循环的疲劳试验，发现了压－压疲劳现象和压－压对疲劳寿命的影响规律，并认为，压缩塑性区（微小）的形成是产生压－压疲劳的必要条件 [9]。这或许从另一角度说明，压－压循环疲劳验算，压应力幅打折具有合理性。新颁布的《公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD64—2015）（以下简称 《公路钢桥规》）的正交异性桥面板疲劳验算采用损伤效应系数、交通流量系数、设计寿命影响系数等，其取值未见严格论证，是否合理或在合理区间值得检验。前5种病害处治相对简单和成熟，一般采用开坡口补焊或者打磨重熔或者切除连接，严重者再进行局部补强或改进铺装层。第6种病害即横隔板弧形缺口疲劳裂纹，则可采用“弧形切口优化”（裂纹较短者）或者“止裂孔 弧形切口优化 补强钢板”的加固方式（裂纹较长者）补强。“弧形切口优化”或者弧形切口形状对疲劳的影响研究较多，本文不再详述，将直接给出优化后的弧形切口形式，并在此基础上进行分析。提出了在正交异性钢桥桥面上添加第2块钢板的加固技术，以提高其抗疲劳性能。然而，补强钢板平面尺寸与厚度的变化对加固效果及附近区域应力影响未见相关报道。

本文拟结合 2 个背景工程（包括服役近 10 年的某桥），通过轮载应力分析和不同规范验算比较，研究新颁布的《公路钢桥规》正交异性桥面板疲劳验算相关系数取值的合理性；通过服役背景工程的疲劳细节、交通载荷、病害特征、轮载应力结果等信息汇集，揭示横隔板弧形切口处母材疲劳开裂机理；通过分析补强钢板厚度、其边缘距顶板和 U 肋的距离等对加固附近区域应力的影响规律，以及2种弧形切口形状轮载应力结果的对比，确定合理的补强细节尺寸。

对象选取与荷载施加

计算选用有限元软件 ABAQUS6．14进行。鉴于引发疲劳的正交异性桥面板轮载应力大、影响范围小，可选取2组吊索（2组斜拉索）之间长度12m的钢箱梁段作为对象。边界条件为约束钢箱梁两端，一端约束节点3个方向平动自由度，另一端仅约束节点竖向位移。产生疲劳裂纹的主要原因为应力幅，其计算荷载采用《公路钢桥规》中的疲劳车辆荷载模型 。考虑桥面铺装的扩散效应，取轮载作用尺寸为0．3m×0．7m单元划分

背景工程1的单元划分

其钢箱梁节段除关注部位外均采用板壳单元，关注部位（包括2道横隔板，2个 U肋区间）采用实体有限元子模型。板壳单元区域网格尺寸为0．425m；实体单元区域平行板面网格尺寸为0．05m，重点关注部位平行板面网格细化到0．001m，横隔板沿板厚度方向划为4层。这种网格划分，有限元结果已收敛。

背景工程2的单元划分

其钢箱梁节段除关注部位外均采用板壳单元。鉴于16～19U肋与横隔板交叉连接部位出现疲劳裂纹较多（U肋编号见图3，由超车道向慢车道依次编号），且疲劳裂纹多出现在10mm厚的非吊索处横隔板上，16～19U肋与两相邻横隔板交叉连接所包含部位（包括2道10mm横隔板，4个 U肋区间）确定为关注部位，采用实体单元，其范围长5m，宽2．4m。板壳单元区域网格尺寸为0．3m。

4．1 横隔板弧形切口处母材轮载应力与抗疲劳特性

改进补强方案

（1）最不利应力结果

计算表明：横向2、纵向5为最不利加载工况；各加固方案弧形切口处应力值均明显降低，方案E加固效果最佳。按照疲劳寿命与应力幅的立方成反比的关系，方案 A的疲劳寿命延长至原来的4．96倍，方案 E的疲劳寿命延长至原来的17．12倍。在优化弧形切口方案中，随切口圆弧与U肋交点的切线与 U肋腹板的夹角减小，母材轮载膜压应力幅值有所降低，此处限于篇幅，不予赘述。方案B的基于《公路钢桥规》的验算结果。由上可见：背景工程1和背景工程2补强方案B的《公路钢桥规》疲劳验算结论与铁路规范验算结论完全不同；背景工程2的《公路钢桥规》疲劳计算寿命远小于实际寿命，且实际交通载荷远大于规范疲劳荷载；背景工程1的构造细节为目前通用等。据此，笔者初步推断：《公路钢桥规》的损伤效应系数取值或许偏大，这将使设计的材料耗费增加，其取值值得商榷。

（2）横隔板弧形切口处母材的应力改善规律与受力模式

加固方案 B，C分别采用距离顶板65，85mm的补强钢板，弧形切口处最大压应力分别为－80．2MPa和－78．4 MPa仅相差1．8MPa可知采用2种距顶板不同高度的补强钢板对弧形切口处的应力影响很小。

加补强钢板后弧形切口处出现了2个应力集中区（图13中的位置a和位置b），且均为受压区。位置a位于弧形切口与补强钢板边缘交界处，位置b位于弧形切口起弧点附近。图14表明：加固方案B，C中（补强钢板厚10mm）位置a的最大压应力比位置b大40MPa左右；加固方案E（补强钢板厚4mm）中位置a和位置b的应力基本接近；加固方案F（补强钢板厚2mm）中位置a的最大压应力比位置b小18．5MPa。可知随补强钢板厚度减小，位置a的应力逐渐减小，位置b的应力逐渐增大；加固方案E（补强钢板厚4mm）中位置a主压应力为－67．2MPa，位置b主压应力为－63．3MPa，两位置应力基本接近，弧形切口处应力峰值最小，为最优加固方案。

为进一步了解弧形切口处的受力模式，将横隔板近荷载端表面称为近端面，远荷载端表面称为远端面。对各方案，荷载分别作用于纵向位置5（中后轴纵向对称横隔板加载）和纵向位置13（中轴位于两横隔板正中间）时弧形切口处3个面（中面、近端面、远端面）的受力做比较。

计算表明：当中后轴纵向对称横隔板加载时，原设计与方案 A（弧形切口优化后）3个面的应力差值基本为0，方案B～D（加补强钢板后）在弧形切口与补强钢板边缘交界处20mm范围内，由于板厚突变，原横隔板母材的表面与中心面存在一定应力差值，其中方案B原板表面应力比中心面大20MPa左右，方案E表面应力比中心面大10MPa左右；当中轴位于两横隔板正中间时，原设计与方案 A（弧形切口优化后）3个面的应力差值均在5MPa以内，方案B～D（加补强钢板后）在弧形切口与补强钢板边缘交界处30mm范围内原横隔板母材的两表面存在一定应力差值，方案B近端面与远端面应力差值为19．6MPa，为主应力值的53．7%，方案E近端面与远端面应力差值为9．55MPa，为主压应力值的33．3%。

由以上分析可知：方案 A较原设计有较大应力改善，疲劳寿命可由原来的9年延长至80年；补强钢板高度在一定范围变化对弧形切口周边应力影响不大；补强钢板厚度宜取为 4mm，为原板厚的1/2．5～1/2（过厚，可能在补强板边缘处母材上形成新的疲劳敏感点）；原设计与方案 A弧形切口处因面外变形引起的应力均很小；加补强钢板后在弧形切口与补强钢板边缘交界处因面外变形引起的应力相对较大，且随钢板厚度减小而减小；板厚突变处，即使是关于横隔板中面的对称载荷，沿板厚方向也有较大的面内应力差。

4．3 背景工程2各方案横隔板与桥面板连接处轮载应力与抗疲劳特性

4．3．1 横隔板与桥面板连接处的横隔板焊趾位置横向2、纵向1为各方案横隔板与桥面板连接处横隔板焊趾出现最大主拉应力的加载工况；横向3、纵向1则为出现最大主压应力与最大Mises应力的加载工况。采用距焊趾0．4d和1．0d的应力线性外推，即可得出各方案横隔板上焊趾处的热点应力值，见图20。原设计远端面上热点应力为7．2MPa，近端面上为6．9MPa，切口形状不变的方案D远端面上热点应力为8．4MPa，近端面上为7．9MPa，边缘尚有一定距离的双面加补强钢板对该处应力几乎没有影响；方案B与方案C该处应力基本相等、方案E和方案F较方案B相应应力变化很小等也印证了这一结论；仅弧形切口优化（增大半径）的方案 A远端面上焊趾处热点应力为18．0MPa，近端面上为17．6MPa，较原设计增加了1倍以上，弧形切口半径增大，横隔板削弱，显著导致了相应应力增大。原设计和6种加固方案横隔板与桥面板连接处横隔板上热点应力都在20MPa以下，均满足AASHTO：2010中的C级疲劳等级和中国规范要求。

4．3．2 横隔板与桥面板连接处的桥面板焊趾位置横向2、纵向1（既横隔板正上方）为各方案横隔

板与桥面板连接处桥面板受力最不利加载工况。横隔板与桥面板连接处桥面板焊趾位置按上述方法线性外推所得顶面受拉应力（热点应力）、底面受压应力、各方案顶底面最不利应力见图21。由图21可见，各方案横隔板与桥面板连接处桥面板顶面主拉应力基本没变，底面主压应力有一定程度增加，但应力值都很小。均满足 AASHTO：2010中的 C级疲劳等级和中国规范要求。

车轮荷载每次沿横向移动100mm，即可得5个横向加载工况；纵向工况1～7以150mm为间距进行车辆后移，纵向工况7～14以300mm为间距进行车辆后移，共14个纵向加载工况。以左后轮为参考轮，加载方式示意见图10，其余轮载位置按实际轮距和轴距布置，以确定最不利加载位置，并按照《公路钢桥规》，考虑车轮在车道上的横向位置概率。

（1）《公路钢桥规》疲劳验算损伤效应系数取值或许偏大，将过多地增加不必要的材料耗费，其取值值得商榷。当然，来自欧洲规范（Eurocode3）规定的合理性尚有待更多实际桥梁正交异性桥面板横隔板疲劳统计结果的验证。

（2）横隔板弧形切口处母材的轮载应力主要为膜压应力；“轮载压应力幅耗费压_－压循环的横隔板母材疲劳寿命，面外反复变形最终导致其疲劳开裂”的推论与“横隔板与U肋焊接或者其热加工在弧形切口远离 U肋的起弧点附近引起了较大的残余拉应力，从而使得轮载应力的压_－压循环，变为实际的拉_－压循环而引起疲劳破坏”推论，哪种更符合实际有待进一步研究。

（3）弧形切口形状对横隔板与U肋连接处及横隔板母材轮载应力及其峰值影响较大；服役背景工程横隔板弧形切口半径10mm太小，需适度增大（如35mm），且其与U肋交点的切线与U肋腹板的夹角宜尽可能小。

（4）在服役背景工程中，横隔板母材裂纹较短者（优化后，裂纹自然切除）可采用“弧形切口优化”的处治方案；较长者可采用“止裂孔 弧形切口优化 双面补强钢板”的处治方案。

（5）补强钢板对补强以外稍远部位（如板厚2～3倍以上）的应力影响可忽略。补强钢板尺寸可全桥统一：其边缘距顶板可取65mm（应覆盖裂纹全长），距 U肋宜取30mm（原板厚的3倍，若太近，会导致横隔板与 U肋连接焊缝处应力增大）；厚度宜取为4mm（原板厚1/2．5～1/2，若过厚，将在补强钢板边缘处母材上形成新的疲劳敏感点）。 2100433B

短桩横隔板支撑是建筑行业术语。打入小短木桩或钢桩，部分打入土中，部分露出地面，钉上水平挡土板，在背面填土、夯实。

适于开挖宽度大的基坑，当部分地段下部放坡不够时使用。

《建筑工程管理与实务》2100433B