2024年3月1日发(作者：iphone12手机尺寸)

第４７卷第３期　西南交通大学学报　Ｖｏ１．４７　Ｎｏ．３　２０１２年６月　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＯＵＴＨＷＥＳＴ　ＪＩＡＯＴ０ＮＧ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　Ｊｕｎ．２０１２　文章编号：０２５８－２７２４（２０１２）０３－０３７９－０８　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５８－２７２４．２０１２．０３．００５　开口肋正交异性钢桥面疲劳设计参数研究　叶华文，　徐　勋，　强士中，　侯苏伟　（西南交通大学土木工程学院，四川成都６１００３１）　摘要：为评估重庆两江大桥单索面斜拉桥正交异性钢桥面板疲劳设计参数的合理性，对由盖板、板肋和横隔　板组成的箱形正交异性钢桥面板模型进行了疲劳试验和有限元分析．基于应力等效方法，对桥面板、横隔板与纵　肋三向交叉部位，进行了竖向和横向双向加载试验、等效实桥疲劳应力幅值２　０００万次作用疲劳试验，在此基础　上，分析了３种开孔方式、构造细节、横隔板厚度及铺装层厚度等因素对疲劳性能的影响．研究结果表明：横隔板　厚度和铺装层厚度对疲劳性能的影响很大；与钥匙形和圆形相比，苹果形开孔结构的主拉应力最小，为　１３．７　ＭＰａ，疲劳陛能最优．建议开口肋正交异性板构造横隔板厚度大于１６　ｍｍ，并采用苹果形开孔方式．　关键词：正交异性钢桥面板；单索面斜拉桥；疲劳；试验；有限元分析　中图分类号：ＴＵ３３８；Ｕ４４３．３１　文献标志码：Ａ　Ｆａｔｉｇｕｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｆｏｒ　Ｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃ　Ｓｔｅｅｌ　Ｄｅｃｋｓ　ｏｆ　Ｓｉｎｇｌｅ　Ｐｌａｎｅ　Ｃａｂｌｅ－Ｓｔａｙｅｄ　Ｂｒｉｄｇｅｓ　ＹＥ　Ｈｕａｗｅｎ，ＸＵ　Ｘｕｎ，ＱＩＡＮＧ　Ｓｈｉｚｈｏｎｇ，ＨＯＵ　Ｓｕｗｅｉ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００３１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ（ＦＥＡ）ｗｅｒｅ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃ　ｓｔｅｅｌ　ｄｅｃｋｓ　ｏｆ　ｔｗｏ　ｓｉｎｇｌｅ　ｐｌａｎｅ　ｃａｂｌｅ－ｓｔａｙｅｄ　ｂｒｉｄｇｅｓ　ｉｎ　Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　ｍｕｎｉｃｉｐａｌｉｔｙ，Ｃｈｉｎａ，ｔｏ　ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈｅ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ａ　ｆｕｌｌ　ｓｃａｌｅ　ｓｐｅｃｉｍｅｎ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｄｅｔａｉｌｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ｒｉｂｓ，　ｃｒｏｓｓｂｅａｍｓ　ａｎｄ　ｄｅｃｋ　ｐｌａｔｅｓ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｔｅｓｔ．Ｖｅｒｔｉｃａｌ　ａｎｄ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｌｏａｄｓ　ｗｅｒｅ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｉｍｅｎ　ｕｎｄｅｒ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｓｔｒｅｓｓｅｓ　ｆｏｒ　２０　ｍｉｌｌｉｏｎ　ｃｙｃｌｅｓ．ＦＥＡ　ｗａｓ　ｄｏｎｅ　ｔｏ　ｅｘｔｅｎｄ　ｔｈｅ　ｒａｎｇｅｓ　ｏｆ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｖｅｒｉｉｆｅｄ　ｂｙ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｔｅｓｔｓ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｃｕｔｏｕｔ　ｓｈａｐｅ（ａｐｐｌｅ—ｓｈａｐｅｄ，ｋｅｙ—ｓｈａｐｅｄ　ａｎｄ　ｃｉｒｃｕｌａｒ），ａｎｄ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｅｓ　ｏｆ　ｐｌａｔｅｓ　ａｎｄ　ｄｅｃｋ　ｐａｖｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ａｎｄ　ＦＥＡ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｎ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓｂｅａｍ　ａｎｄ　ｐａｖｅｍｅｎｔ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｐｌａｙｅｄ　ａ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｒｏｌｅ　ｏｎ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃ　ｓｔｅｅｌ　ｄｅｃｋｓ．Ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐａｌ　ｔｅｎｓｉｏｎ　ｓｔｒｅｓｓ（１３．７　ＭＰａ）ｎｅａｒ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｅ．ｓｈａｐｅｄ　ｃｕｔｏｕｔ　ｗａｓ　ｔｈｅ　ｓｍａｌｌｅｓｔ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｏｓｅ　ｎｅａｒ　ｔｈｅ　ｋｅｙ—ｓｈａｐｅｄ　ａｎｄ　ｃｉｒｃｕｌａｒ　ｃｕｔｏｕｔｓ，ＳＯ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｅ．ｓｈａｐｅｄ　ｃｕｔｏｕｔ　ｗａｓ　ｔｈｅ　ｂｅｓｔ　ｉｎ　ｔｅｒｍｓ　ｏｆ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ．Ｔｈｅ　ｐｌａｔｅ　ａｔ　ｌｅａｓｔ　１６　ｍｍ　ｔｈｉｃｋ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｅ－ｓｈａｐｅｄ　ｃｕｔｏｕｔ　ｗｅｒｅ　ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓｂｅａｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃ　ｓｔｅｅｌ　ｄｅｃｋｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃ　ｓｔｅｅｌ　ｄｅｃｋ；ｓｉｎｇｌｅ　ｐｌａｎｅ　ｃａｂｌｅ—ｓｔａｙｅｄ　ｂｒｉｄｇｅ；ｆａｔｉｇｕｅ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；ＦＥＡ　正交异性钢桥面板结构连接多，构造复杂，桥　最早的案例如英国的塞文桥，引起了国内外桥梁界　面板直接承受车轮荷载的反复作用，由于结构本身　对该结构疲劳性能的重视和研究　．文献［４］对　存在的缺陷和施工质量，以及早期设计时对正交异　正交异性板的不同板肋开孔形式进行了一系列的　性桥面板疲劳裂纹产生机理认识不够等综合因素　疲劳试验研究．文献［５．１Ｏ］对正交异性钢桥面板进　的影响，使得正交异性钢桥面板易产生疲劳损伤，　行了疲劳性能的应用总结和试验研究，得到了很多　收稿日期：２０１１－０６．１４　基金项目：国家８６３计划资助项目（２００８ＡＡｌｌＺ１０１）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（ＳＷＪＴＵ１１ＢＲＯｌ１）　作者简介：叶华文（１９８２一），男，讲师，博士，研究方向为钢桥疲劳，Ｅ—ｍａｉｌ：ｈｂｈａ２０００＠１６３．ｃｏｒｎ　

３８０　西　南　交　通　大　学　学　报　第４７卷　有益的结论．　现有的疲劳研究几乎都是针对闭口纵肋的钢　桥面板，而对开口肋（例如板型纵肋，简称板肋）的　疲劳性能研究仍然很少．文献［１１］给出了开口肋　正交异性钢桥面板的疲劳等级，文献［１２］对其疲　劳问题未详细规定．在竖向和横向双向疲劳荷载作　用下，开口肋正交异性钢桥面板的疲劳性能研究及　设计参数分析，例如各细节构造板厚度和铺装层厚　度的影响等，具有重要的理论和工程应用价值．　重庆东水门长江大桥和千厮门嘉陵江大桥　（简称两江大桥）均为单索面公轨两用斜拉桥，其　拉索横梁为正交异性构造，是最重要的承力结构之　一，如图１所示，该处桥面板厚度达２４　ｍｍ，横隔板　厚度为１８　ｍｍ，板肋厚度为１６　ｍｍ，横隔板开孔形　式为苹果形（横梁中部）和钥匙形（横梁端部），这　些设计参数的应用在国内尚属首次．在巨大的竖向　分力作用下，拉索横梁上部承受较大的拉应力；在　水平分力作用下，拉索横梁要产生一定的横向弯曲　和扭转变形，与普通钢桁梁的横梁受力存在明显差　别，并直接影响到正交异性钢桥面板加劲肋与拉索　横梁交叉细节的疲劳性能．因此，本文开展板肋在　拉索横梁交叉细节处疲劳设计参数研究，为两江桥　正交异性钢桥面板交叉细节的设计提供可靠依据，　确保其疲劳安全性．　图１两江大桥索梁锚固构造　Ｆｉｇ．１　Ｃａｂｌｅ—ｂｅａｍ　ａｎｃｈｏｒａｇｅ　ｚｏｎｅ　ｏｆ　Ｌｉａｎｇｊｉａｎｇ　ｂｒｉｄｇｅ　ｉｎ　Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　根据两江大桥交通量预测及重庆市其他跨江　大桥的疲劳荷载分析　引，取典型荷载的作用次数　为桥梁寿命期内实际交通量的１０％，按照线性疲　劳累积损伤理论，得到换算等效疲劳加载车重量为　３１６　ｋＮ，与ＢＳ５４００标准疲劳车（３２０　ｋＮ）接近，故　选择ＢＳ５４００标准疲劳车进行疲劳加载．考虑到正　交异性钢桥面板构造的局部受力行为对其疲劳性　能起控制作用，采用ＢＳ５４００标准疲劳车轴重　８０　ｋＮ进行疲劳计算更合理¨　．　依照目前的实验设备、技术水平和试验研究周　期要求，不可能进行几亿次以上的加载试验，所以　必须适当提高试验荷载幅值，以减少循环次数．按　照常规疲劳试验的做法，根据Ｍｉｎｅｒ疲劳损伤累积　理论，把寿命期内ＢＳ５４００标准疲劳车计算的内力　幅值等效成循环次数为２００万次时的内力幅值．考　虑桥面铺装（厚度取为５０　ｍｍ）对轮载的扩散作　用、车辆冲击作用（冲击系数为１．１５）和轴重的变　异性（变异系数为１．１），根据线性累计损伤律计算　得到，当循环２００万次时，作用于正交异性钢桥面　板的等效疲劳车轴重为１４０　ｋＮ．同理可得斜拉索　等效水平疲劳索力为７０　ｋＮ．建立两江桥全桥和拉　索局部分析模型，基于有限元模型，通过在桥面上　沿横向和纵向移动车轮荷载的位置，确定最不利加　载位置，得到对应２００万次循环的实桥疲劳应力幅　值（本文以下简称实桥疲劳应力幅值）为１５　ＭＰａ．　１　疲劳试验　１．１试验模型设计原则　正交异性钢桥面板加劲肋与拉索横梁交叉细　节的受力情况非常复杂，无法采用传统的内力等效　方法，只能采用应力等效方法．应力等效必须保证　等效的两个方向在变形模式和受力模式上的合理　相似．考虑到在现有条件下难以测量焊缝应力，选　取正交异性钢桥面板加劲肋与拉索横梁交叉细节　的横隔板开孔处一个点作为应力等效控制点，位于　横隔板腹板与板肋交叉苹果形开孔顶端处，该处应　力较大，且易于测量．　根据实桥受力情况和试验条件，按照应力等效　原则，确定试验模型的正交异性钢桥面板与拉索横　梁交叉细节，采取足尺寸模型进行模拟，其余构件　和几何参数（例如梁高度等），采用适当的比例等　效模拟．试验荷载考虑竖向和水平两个方向力的影　响，先在横梁跨中用千斤顶施加一个向上的力　（１　３００　ｋＮ）模拟斜拉索的竖向力，同时对试验梁的　桥面板施加两处竖向荷载（模拟两车轮荷载）和水　平荷载（模拟斜拉索疲劳荷载水平方向力）进行疲　劳加载．根据应力等效原则，在试验梁板肋连接细　节控制点处的加载试验等效车轴重为２００　ｋＮ．　１．２试验模型　试验模型尺寸为５　７５０　ｍｍ　Ｘ　１　２００　ｍｍ　Ｘ　１　８００　ｍｍ，包括两道横隔板和１２个板肋，板肋问距　

第３期　叶华文等：开口肋正交异性钢桥面疲劳设计参数研究　情况．　３８１　为３５０　ｍｍ，板肋高度２００　ｍｍ，桥面板厚度２４　ｍｍ，　横隔板厚度１８　ｍｍ，板肋厚度１６　ｍｍ，如图２所示．　钢材为Ｑ３７０ｑＤ，对试验模型制造工艺和材料性能　１．３疲劳加载　疲劳荷载由２台５０　ｔ作动器竖向作用于试件　顶板设计位置，１台３０　ｔ作动器水平作用于箱梁　侧向中部位置，３个作动器进行同相加载．试件左　的要求均与实桥一致．两江桥采用两种横隔板开孔　方式：苹果形和钥匙形．利用对称原理，在试件跨中　两侧对称布置两种开孔形式，以得到更多的试验数　据．试验梁两端用钢绞线或精轧螺纹钢锚固于地锚　中，根据类似试验的经验，该边界条件接近简支　！　ｌ　右两侧为简支支承．在竖向疲劳机作动器与试件盖　板之间放置面积为６００　ｍｍ　ｘ　２００　ｍｍ的钢板，模拟　均布作用的车轮荷载，如图２和３所示．　竖立作　动器加、　载位置　大样Ａ研究大样Ｂ　锚固钢束区域　大样Ａ研究　大样曰　区域锚固钢束　ｒ垫块　横向　作动器　加载　位置　地锚　千斤顶　垫块一十　地锚　（ｂ）试件模型立面图　桥面板　竖立作　动器加载位置　、　竖向作动器加载位置　一　Ｔ●●●，●　００　一　一　刃　—　横向作动器　加载位置　。　（ａ）试验模型平面图　（ｃ）横隔板开孔形状　图２疲劳试验模型方案　（ｄ）试件模型侧面图　Ｆｉｇ．２　Ｔｅｓｔ　ｓｅｔｕｐ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃ　ｓｔｅｅｌ　ｄｅｃｋ　２倍实桥疲劳应力幅值的每个竖向作动器的加载　模式为：　Ｐ　＝５００　ｋＮ，Ｐ　：１００　ｋＮ，△Ｐ＝４００　ｋＮ．　水平向作动器加载模式为：　Ｐ　＝１００　ｋＮ，Ｐ　＝１０　ｋＮ，△Ｐ＝９０　ｋＮ．　加载频率均在５～７　Ｈｚ范围内．　根据需要本试验加载方案分两种：　（１）在实桥疲劳应力幅值作用下加载２００万　次，验证细节设计的疲劳可靠性；　（２）在２倍实桥疲劳应力幅值作用下继续加　图３疲劳试件加载图　Ｆｉｇ．３　Ｆａｔｉｇｕｅ　ｔｅｓｔ　ｓｅｔｕｐ　载２２５万次，研究超长服役期内超负荷疲劳性能．　试验中每隔一定周期对试件疲劳裂纹进行　用有限元模型计算得到，获得实桥疲劳应力幅　值的竖向作动器加载模式为：　Ｐ　＝３００　ｋＮ，Ｐｍｉｎ＝１００　ｋＮ，△Ｐ＝２００　ｋＮ．　１次超声波或磁粉无损探伤，每隔一定循环次数进　行１次静载试验．静载试验采用逐级加载，加载分　级为：横向作动器１０　ｋＮ一５０　ｋＮ一１００　ｋＮ，每级停　水平向作动器加载模式为：　Ｐ　＝１００　ｋＮ，Ｐ　ｉ　＝１０　ｋＮ，△Ｐ＝９０　ｋＮ．　留几分钟，待结构应力稳定后进行读数；将水平向　作动器荷载稳定在１００　ｋＮ，竖向作动器加载模　

３８２　西　南　交　通　大　学　学　报　第４７卷　式为：　２０（２０）ｋＮ—ｌ００（２００）ｋＮ一　２００（４００）ｋＮ－－－，４００（５００）ｋＮ一　２００（４００）ｋＮ一１００（２００）ｋＮ一　２０（２０）ｋＮ，　括号内为２倍加载数值．每级停留几分钟，待结构　应力稳定后进行读数，总共为１３级加载．　１．４测试方案　在疲劳试验过程中，为了监测各测点的应力变　化及传力机理，在加载到０、５０、１００、１５０、２００、２５０、　３００、３５０和４２５万次时，均停机进行逐级加载的静　力试验，以考察试件是否出现裂纹及测点应变的变　化规律．　在研究区域的腹板两边控制点位置和翼板下　底面粘贴应变片，并在试验梁跨中设置百分表监测　梁的竖向挠度和横向位移．按一般热点应力的测量　要求，在横隔板、桥面板和加劲肋处离焊缝一定距　离布置应变片，应变片编号分别以Ｈ、Ｑ和Ｊ开头，　在０。、４５。和９０。方向共粘贴应变片１５６个．应变测　点布置如图４所示．　图４应变测点布置　Ｆｉｇ．４　Ｇａｕｇｅｓ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　１．５疲劳试验结果　１．５．１模型有效性分析　为校核试验模型的有效性，必须确定苹果形开　孔应力控制点处（横隔板开孔边缘５　ｍｍ处）应力　幅值是否与实桥应力幅值相等或略大一些．比较应　力控制点处测点实测应力值及该点实桥计算应力　值（如表１所示），结果表明：应力幅值实测值接近　实桥应力幅值计算值，试验模型能反映实桥受力情　况，试验模型有效可信．　１．５．２热点应力及裂纹情况　在进行了４２５万次，即等效实桥疲劳应力幅值　作用２　０００万次循环疲劳试验后，得到正交异性板　的关键细节（加劲肋与横隔板焊缝、盖板与横隔板　连接焊缝）处，在１００　ｋＮ横向荷载和４００　ｋＮ竖向　荷载幅值（相当于２倍实桥疲劳荷载幅值）共同作　用下的主拉应力．由于试验数据较多，试验结果分　析取自主拉应力值较大的测点．同时测量结果显示　横隔板的内外表面主拉应力差在某些测点处可达　６　ＭＰａ，故取主拉应力值大的数据作为代表值．　表１疲劳应力幅值理论值和实测值对比　Ｔａｂ．１　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ａｎｄ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　热点应力法常应用于形状复杂、难以明确定义　名义应力的焊接接头疲劳寿命评估，它是在名义应　力法基础上发展起来的，名义应力指最大结构应力　或结构中危险截面上危险点的应力．热点应力指根　据外荷载用线弹性力学公式或有限元法计算出的　结构工作应力，不包括焊缝形状、裂纹、切口等引起　的局部应力集中，只依赖于构件连接部位的几何尺　寸和荷载参量．　本文取距离热点（焊趾）一定距离（板厚度的　一半）得到的热点应力，避开由于焊缝形状、切口　等因素引起的非线性峰值．在进行疲劳试验后，得　到大量的焊缝附近测点主拉应力值，利用文　献［１５］中的公式可推算出各焊缝处热点主拉应　力，见表２（表中热点应力值等于１．５倍测量值）．　由表２可见：焊缝处热点应力一般都在　２０　ＭＰａ以下，个别点达到４１．８５　ＭＰａ．考虑到作用　荷载为实桥疲劳荷载的２倍，故实桥正交异性板焊　接细节焊缝热点疲劳应力幅值应在２１　ＭＰａ以下，　远小于欧洲规范规定的５６　ＭＰａ（２００万次），在保　证焊接工艺条件下，不会开裂，与试验结果一致．　１．５．３双向荷载影响分析　正交异性钢桥面构造细节同时承担了横向和　竖向两类荷载．为研究这两类荷载对构造细节的影　响，分析了不同开孔处横隔板、桥面板和加劲肋在　不同形式荷载作用下的应力变化情况，见表３．　

第３期　叶华文等：开口肋正交异性钢桥面疲劳设计参数研究　表２焊缝热点主拉应力　Ｔａｂ．２　Ｈｏｔ　ｓｐｏｔ　ｓｔｒｅｓｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｗｅｌｄ　ＭＰａ　３８３　于竖向荷载．苹果形开孔处各构造单元的应力变化　均小于钥匙形开孔处，说明苹果形开孔受力性能要　优于钥匙形开孔．　表３构造单元主拉应力变化分析　Ｔａｂ．３　Ｓｔｒｅｓｓ　ｖａｒｉａｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｗｅｌｄ　Ｘ　１０～ＭＰａ・ｋＮ一　２参数分析　为研究正交异性板细节各构件（包括桥面板，　加劲肋和横隔板）板厚度、横隔板开孔方式和桥面　铺装层对其疲劳性能的影响，设计了２０根参数分　由表３可见：由于拉索横梁交叉细节形成箱梁　析试件，见表４．参数分析试件的变化因素对应的　连接情况和其余几何尺寸与本文试验梁相同，试验　梁的几何尺寸如图２所示．　结构，构造细节主要受力方向为竖向荷载，横向荷　载主要影响横隔板．横向荷载数值较小，影响远小　表４参数分析试件明细表　Ｔａｂ．４　Ｄｅｔａｉｌｓ　ｏｆ　ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ　ｆｏｒ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ　ａｎａｌｙｓｉｓ　注：“一”表示无此项．　２．１三维板单元模型　采用大型有限元分析软件ＡＮＳＹＳ．１０．０中的　ＳＨＥＬＬ１８１板单元，模拟疲劳试件的受力行为．根　据计算精度要求进行单元尺寸划分，在横隔板开孔　处划分尺寸为２　ｍｍ，其他地方为１０　ｍｍ．跨中千斤　顶采用弹簧单元ＣＯＭＢＩＮＥ１４，有限元模型如图５　和６所示．根据实际情况采用均布荷载形式施加竖　向和横向活载．由于试验箱梁边界条件的复杂性，　通过试算得到有限元模型的边界条件为简支．表５　图５疲劳试件分析模型　Ｆｉｇ．５　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｓｐｅｃｉｍｅｎ　２．２焊缝处应力对比分析　为试验箱梁实测值与有限元计算值的比较，两者能　较好地吻合，由此可通过有限元模型模拟试验模型　的受力行为，进行参数分析．　正交异性钢桥面板的３个关键焊接细节处为：　加劲肋与横隔板焊缝、盖板与横隔板焊缝和盖板与　加劲肋焊缝．文献［３－Ｉ５］的研究表明：这些连接焊缝　的下端部焊趾处容易出现疲劳裂纹．焊缝处应力不　

第３期　叶华文等：开口肋正交异性钢桥面疲劳设计参数研究　３８５　２．４开孔形式影响分析　横隔板开孔的作用是让纵肋通过，并弥补制造　和安装误差，降低焊接残余应力，它影响着横梁腹　板中的应力分布，正交异性桥面板的失效最可能发　生在横梁腹板孔洞周围，因而孔洞形状十分重要．　对板肋来说，现有的切口几何尺寸基本上变化不　大，３种开孔形式弧段半径均为２０　ｍｍ，主要是孔　洞形式的选择，各开孔形状的主拉应力见表７．　表７开孔形状主拉应力比较　Ｔａｂ．７　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｃｕｔｏｕｔ　ｓｈａｐｅｓ　由表７可见：苹果形孔洞的应力分布要略优于　钥匙形，钥匙形孔洞为非对称孔洞，疲劳性能较差，　但其对制造和焊接误差容忍度较高．圆形开孔因与　焊缝连接处较近，故产生的主拉应力值最大，疲劳　性能最差，这与文献［２］的结果一致．　２．５铺装层厚度影响分析　正交异性桥面铺装体系由正交异性钢板、防水　层、保护层和铺装面层组成．铺装体系起到保护桥　面板，分布车轮的集中荷载和减小冲击的作用．铺　装层厚度一般在４０～１００　ｍｍ之间．本文不考虑铺　装层自身刚度，只分析其厚度对车轮荷载扩散效应　以及对正交异性钢桥面板疲劳性能的影响，如图８　所示．由图８可见：铺装层厚度增加对减少车轮荷　载集中度及减小交叉细节处的主拉应力是非常有　利的，车轮荷载的局部效应得到缓解，改善了交叉　细节的疲劳性能．　州　图８主拉应力一铺装层厚度曲线　Ｆｉｇ．８　Ｓｔｒｅｓｓ　ｃｕｒｖｅ　ｗｉｔｈ　ｐａｖｅｍｅｎｔ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　３　两江大桥正交异性板设计细节疲　劳性能评价　在整个疲劳试验过程中，对各测点主拉应力值　的变化进行监测，主拉应力值随疲劳加载循环次数　总体变化不大．经４２５万次疲劳应力幅值循环加载　后，无损探伤检查试验模型未发现裂纹及异常睛况．　根据描述结构疲劳性能的ｓ－Ｎ曲线，任意应力　幅值ｏｒ　与对应的循环次数　满足　Ｎｉ＝Ｃ，式　中：ｍ和ｃ是与构件材料、构造细节有关的常数．　若结构设计应力幅值为ｏｒ　，循环次数为Ⅳ　，则有：　Ｎｉ＝（ｏｒ　／ｏｒｉ）　Ⅳ　，　根据Ｍｉｎｅｒ线性累积损伤准则∑（　／　）＝１可得：　Ⅳ　＝∑（≥）　（１）　因此，保守地取ｍ＝３，可得到设计应力幅值对应的　循环次数为：　（　）　×２×１０　＋　（４０　０）　×２．２５×１０　＝２×１０　．　（２）　计算结果表明，两部分加载总次数等效为实桥　疲劳应力幅值作用２　０００万次，试验模型中正交异　性钢桥面板的使用寿命（出现裂纹前）将超过其设　计寿命的１Ｏ倍．　国内外钢结构及桥梁设计规范中，只有欧洲规　范针对正交异性板板肋细节给出疲劳容许应力为　５６　ＭＰａ．两江桥正交异性钢桥面采用桥面板厚度　２４　ｍｍ，横隔板厚度１８　ｍｍ，板肋厚度１６　ｍｍ，横隔　板开孔形式为苹果形（横梁中部）和钥匙形（横梁　端部）．根据疲劳试验结果和有限元分析结果，正　交异性钢桥面板细节实桥疲劳应力幅值不超过　１５　ＭＰａ，低于欧洲规范的疲劳容许应力．如果按照　规范ＢＳ５４００，将两江桥正交异性钢桥面板与横梁　交叉细节定为疲劳等级最差的Ｆ级（疲劳应力幅　值为４０　ＭＰａ），根据Ｍｉｎｅｒ损伤度计算法，可得　１２０　ａ的损伤度远小于１，满足规范要求．　４　结　论　对于正交异性桥面板，匹配合理的设计参数、　良好的构造细节及规范的制造工艺能有效提高接　头疲劳寿命，抵抗疲劳破坏．通过对重庆两江桥正　交异性钢桥面板加劲肋与拉索横梁交叉细节的等　效２　０００万次疲劳试验和精细有限元参数分析，可　以得出以下结论：　（１）桥面板和加劲肋板厚度对正交异性板构　造细节疲劳性能的影响较小，横隔板板厚的影响很　大．疲劳设计应根据受力合理和焊接需要考虑各板　

３８６　西　南　交　通　大　学　学　报　第４７卷　厚度的合理匹配问题．　（２）苹果形开孔横隔板的疲劳性能优于其它　开孔形式．桥面铺装层能较好的改善交叉细节的疲　劳性能，铺装层厚度越大，效果越好．　（３）由于拉索横梁交叉细节在横向上形成箱　梁结构，正交异性板构造细节疲劳性能主要受竖向　荷载的影响，受横向荷载影响较小．横向荷载主要　影响横隔板的受力行为．　（４）按欧洲规范（ＥＣ３）和ＢＳ５４００规范＿ｌ　进　行疲劳检算，重庆两江大桥正交异性桥面板构造细　节实桥疲劳应力幅值小于容许疲劳应力幅值，疲劳　设计满足使用要求．　致谢：本文工作得到西南交通大学百人计划项目的　支持．　参考文献：　［１］　ＷＯＬＣＨＵＫ　Ｒ．Ｌｅｓｓｏｎｓ　ｆｒｏｍ　ｗｅｌｄ　ｃｒａｃｋｓ　ｉｎ　ｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃ　ｄｅｃｋｓ　ｏｎ　ｔｈｒｅｅ　Ｅｕｒｏｐｅａｎ　ｂｒｉｄｇｅｓ［Ｊ］．Ｊ．ｏｆ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ，ＡＳＣＥ，１９９０，１１６（１）：７５—８４．　［２］李俊，李小珍，任伟平，等．轨道横梁与整体节点连接　的疲劳试验［Ｊ］．西南交通大学学报，２００６，４１（３）：　３７１＿３７５．　ＬＩ　Ｊｕｎ，ＬＩ　Ｘｉａｏｚｈｅｎ，ＲＥＮ　Ｗｅｉｐｉｎｇ，ｅｔ　ａ１．Ｆａｔｉｇｕｅ　ｔｅｓｔ　ｏｆ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｆｌｏｏｒ　ｂｅａｍｓ　ａｎｄ　ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ　ｊｏｉｎｔｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　２００６，４１（３）：３７１—３７５．　［３］　叶华文，ＫＯＮＩＧ　Ｃ，ＵＭＭＥＮＨＯＦＥＲ　Ｔ，等．预应力　ＣＦＲＰ板加固钢板受拉疲劳性能试验研究［Ｊ］．西南　交通大学学报，２００９，４４（６）：８２３－８２９．　ＹＥ　Ｈｕａｗｅｎ，ＫＯＮＩＧ　Ｃ，ＵＭＭＥＮＨＯＦＥＲ　Ｔ，ｅｔ　ａ１．　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ｔｅｎｓｉｏｎ　ｓｔｅｅｌ　ｐｌａｔｅ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｗｉｔｈ　ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ　ＣＦＲＰ　ｌａｍｉｎａｔｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　２００９，４４（６）：８２３・８２９．　［４］　ＦＲＹＢＡ　Ｌ，ＧＡＪＤＯＳ　Ｌ．Ｆａｔｉｇｕｅ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃ　ｄｅｃｋｓ　ｏｎ　ｒａｉｌｗａｙ　ｂｒｉｄｇｅｓ［Ｊ］．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｔｕｒｃｔｕｒｅｓ，　１９９９，２１（７）：６３９－６５２．　［５］　钱冬生．关于正交异性钢桥面板的疲劳［Ｊ］．桥梁建　设，１９９６（２）：４＿６．　ＱＩＡＮ　Ｄｏｎｇｓｈｅｎｇ．Ｏｎ　ｆａｔｉｕｇｅ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　ｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃ　ｄｅｃｋ　ｓｔｕｒｃｔｕｒｅ［Ｊ］．Ｂｒｉｄｇｅ　Ｃｏｎｓｔｕｒｃｔｉｏｎ，１９９６（２）：４　．　［６］　王春生，冯亚成．正交异性钢桥面板的疲劳研究综述　［Ｊ］．钢结构，２００９，９（２４）：９—１３．　ＷＡＮＧ　Ｃｈｕｎｓｈｅｎｇ，ＦＥＮＧ　Ｙａｃｈｅｎｇ．Ｒｅｖｉｅｗ　ｏｆ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃ　ｓｔｅｅｌ　ｂｒｉｄｇｅ　ｄｅｃｋｓ［Ｊ］．Ｓｔｅｅｌ　Ｃｏｎｓｔｕｒｃｔｉｏｎ，２００９，９（２４）：９－１３．　［７］　童乐为，沈祖炎．正交异性钢桥面板静力试验和有限　元分析［Ｊ］．同济大学学报，１９９７，２５（６）：６１７－６２２．　ＴＯＮＧ　Ｌｅｗｅｉ，ＳＨＥＮ　Ｚｕｙａｎ．Ｓｔａｔｉｃ　ｔｅｓｔ　ａｎｄ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｏｔｒｈｏｔｒｏｐｉｃ　ｓｔｅｅｌ　ｂｒｉｄｇｅ　ｄｅｃｋｓ［Ｊ］．　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｔｏｎｇｉｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，１９９７，２５（６）：６１７－６２２．　［８］　童乐为，沈祖炎．开口纵肋的正交异性钢桥面板疲劳　试验研究［Ｊ］．中国公路学报，１９９７，１０（３）：５９－６５．　ＴＯＮＧ　Ｌｅｗｅｉ，ＳＨＥＮ　Ｚｕｙａｎ．Ｆａｔｉｕｇｅ　ｔｅｓｔｓ　ｏｆ　ｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃ　ｓｔｅｅｌ　ｂｒｉｄｇｅ　ｄｅｃｋｓ　ｗｉｔｈ　ｏｐｅｎ　ｓｈａｐｅｄ　ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ｒｉｂｓ［Ｊ］．Ｃｈｉｎａ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｉｇｈｗａｙ　ａｎｄ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ，　１９９７，１０（３）：５９－６５．　［９］　荣振环，张玉铃．天兴州正交异性焊接部位疲劳性能　研究［Ｊ］．中国铁道科学，２００８，２９（２）：４８－５２．　ＲＯＮＧ　Ｚｈｅｎｈｕａｎ，ＺＨＡＮＧ　Ｙｕｌｉｎｇ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｅｌｄｅｄ　ｊｏｉｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃ　ｄｅｃｋ　ｏｎ　Ｗｕｈａｎ　Ｔｉａｎｘｉｎｇｚｈｏｕ　ｂｒｉｄｇｅ［Ｊ］．Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００８，２９（２）：４８—５２．　［１０］荣振环，张玉玲，刘晓光．苏通大桥正交异性板模型　计算分析［Ｊ］．铁道建筑，２００８，４８（１）：１－４．　ＲＯＮＧ　Ｚｈｅｎｈｕａｎ，ＺＨＡＮＧ　Ｙｕｌｉｎｇ，ＬＩＵ　Ｘｉａｏｇｕａｎｇ．　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃ　ｄｅｃｋ　ｉｎ　Ｓｕｔｏｎｇ　ｂｒｉｄｇｅ［Ｊ］．　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００８，４８（１）：１－４　［１　１］　Ｅｕｒｏｐｅａｎ　Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ　ｆｏｒ　Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ．ＥＮ１９９３—１－９：　２００５　Ｅｕｒｏｃｏｄｅ　３：ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　ｓｔｕｒｃｔｕｒｅｓ，ｐａｒｔ　１－９：　ｆａｔｉｇｕｅ［Ｓ］．　Ｂｒｕｓｓｅｌｓ：　Ｅｕｒｏｐｅａｎ　Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ　ｆｏｒ　Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ，２００５．　［１２］　中交公路规划设计院．ＪＴＧ　Ｄ６０－－２００４公路桥涵设　计通用规范［Ｓ］．北京：人民交通出版社，２００４．　［１３］　任伟平，李小珍，李俊，等．公轨两用钢桁桥轨道横　梁与整体节点连接头的疲劳荷载［Ｊ］．中国公路学　报，２００７（１）：７９—８４．　ＲＥＮ　Ｗｅｉｐｉｎｇ，ＬＩ　Ｘｉａｏｚｈｅｎ，ＬＩ　Ｊｕｎ，ｅｔ　ａ１．Ｆａｔｉｇｕｅ　ｌｏａｄ　ｏｆ　ｗｅｌｄｅｄ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｒａｉｌ　ａｃｒｏｓｓ　ｂｅａｍｓ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｇｒａｌ　ｊｏｉｎｔｓ　ｏｆ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｓｔｅｅｌ　ｔｕｒｓｓ　ｂｒｉｄｇｅｓ［Ｊ］．　Ｃｈｉｎａ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｉｇｈｗａｙ　ａｎｄ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ，２００７（１）：　７９—８４．　［１４］　Ｂｒｉｔｉｓｈ　Ｓｔａｎｄａｒｄ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ．ＢＳ５４００　Ｐａｒｔ　１０：ｃｏｄｅ　ｏｆ　ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｆｏｒ　ｆａｔｉｕｇｅ［Ｓ］．Ｌｏｎｄｏｎ：Ｂｒｉｔｉｓｈ　Ｓｔａｎｄａｒｄ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ，１９８０．　［１５］　中华人民共和国建设部．ＧＢ５００１７－－２００３钢结构设　计规范［Ｓ］．北京：中国计划出版社，２００３．　［１６］　ＷＯＬＣＨＵＫ　Ｒ．Ｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃ　ｒｅｄｅｃｋｉｎｇ　ｏｆ　ｂｒｉｄｇｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｎｏｒｔｈ　Ａｍｅｒｉｃａｎ　ｃｏｎｔｉｎｅｎｔ［Ｊ］．Ｓｔｕｒｃｔｕｒａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，ＩＡＢＳＥ，１９９２，２（２）：１２５．　（中文编辑：秦萍玲　英文编辑：刘　斌）