正交异性钢桥面板的寿命计算外文翻译资料

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正交异性钢桥面板的寿命计算

F.B.P.de Jongamp; P.D.Boersma

交通、公共工程和水管理局

公共工程和水管理局,

土木工程处，型钢与机械工程

P.O.Box 59

2700 AB 祖特梅尔

荷兰

关键词：正交异性钢桥；疲劳；寿命计算；检查；沥青路面

摘要

疲劳裂纹是正交异性钢桥面板最具毁灭性的问题之一。最出名的疲劳裂纹的例子是在1997年的夏天，鹿特丹的Van Brienenoord 开启桥所观察到的。这些裂纹是在横梁和纵梁的交汇处的盖板上，是被认为最能威胁到行车安全的裂纹。与车轴数量和它们的荷载密切相关的应力循环的次数和幅度控制着疲劳现象的发生。本文首先概述了在正交异性钢桥面板中疲劳裂纹可能出现的不同位置。

这些在Van Brienenoord桥发现的意想不到的裂缝迫使交通运输部，公共工程和水管理部门来开发一个一个系统来保证了桥梁使用者们的安全。可靠的寿命预测是这样一个系统的重要组成部分之一。本文对有裂纹的横梁和纵梁的交汇处的盖板的寿命预测系统进行了阐述。这样的系统可以使桥梁的拥有者从依靠时间检查程序转变成依靠风险来检查程序。

另一方面，本文也对与应力循环的数量和幅度进行了研究和描述。这些都是交通特性和测量，轴载荷分布测量疲劳分类的的测量。一个主要的方面是在裂缝的位置的应力计算。特别需要注意的是适用于固定桥顶部的沥青路面的影响。沥青层有减少钢筋应力的影响，但是由于沥青材料对温度的强烈依赖性，所以导致建模是复杂的。本文阐述了如何将这些影响因素所考虑进去。

寿命预测的结果是根据几个检测到的疲劳裂纹所得到的。这个预测是用来安排桥梁的检查和整修的时间节点。

绪论

Van Brienenoord桥案例

在过去的几年里，许多正交异性钢桥已经建造完毕。这些桥的绝大多数是建立在1960和1980之间。图1显示了该类桥梁的施工。疲劳现象被认为是这种桥梁最具毁灭性的一个问题。一个比较有名的桥梁遭受疲劳问题的例子就是在鹿特丹港口的Van Brienenoord开启桥(Kolstein amp; Wardenier, 1998, 1999)。在竣工后的七年后发现了位于盖板的严重裂纹。裂纹在横梁与槽的交汇处的盖板上慢慢扩张，图1中的细节B。另一个易疲劳的细节部位是纵向梁和板之间的焊缝（图1，细节A），裂纹已经多次在几个桥中发现。特别是在B处发现的疲劳裂纹已经威胁到了所要求安全等级，因为裂缝位于盖板处。在这种情况下，在出现裂纹的车道上对桥梁的使用者会产生危险，因此，车道必须封锁交通。

桥面板

横梁

纵梁（槽）

疲劳细节A-焊接槽顶板

固定桥：沥青

活动桥：环氧树脂

疲劳细节B-横梁交叉处桥面板

主梁

图1 正交异性钢桥面板的疲劳细节

图2为Van Brienenoord桥。该桥由一个约7毫米厚的环氧树脂的可活动部分与一个可活动的70毫米厚的沥青路面的拱桥构成的固定部分。图2也展示了在盖板上的可见裂纹的照片。

图2Van Brienenoord桥，有活动开启部分和固定部分的拱桥。右边的照片为在开启部分上的可见裂纹。

检查表明，很多开启桥盖板上已经出现了疲劳裂纹。这个观察结果迫使土木工程部首先要解决这个特殊的问题，但是也需要具体确定这个问题是只有在这座桥梁中出现还是也会在其他桥梁中也会出现。Van Brienenoord桥的具体问题在1998年的夏天随着固定部分的完全重建而解决了。

研究项目PSR

一份详细的研究报告指出疲劳问题的主要原因有两种。它们就是桥上出现的大量的、卡车，还有这些车辆轴载的不断增加。这些原因基本上可等同于应力范围的数量和幅度，一般可来确定疲劳。上述所提到的交通特性在许多别的桥梁中也都是一样的，所以在Van Brienenoord桥中出现的裂纹绝非偶然。因此，在未来大桥业主们要对桥梁中所可能出现的裂纹有所预料。在桥面表层出现的裂纹和在厚沥青路面上出现的裂纹。沥青路面层只会降低裂纹的扩展速率。带着这样的结论，一项关于正交异性钢桥面板疲劳问题的广泛研究项目在1998年开始进行了。这个项目叫做PSR，是在荷兰语中“钢桥面问题”的首字母缩写。这个调查可具体划分为六个部分：寿命计算、检测技术、修复技术、延长寿命的解决方案、设计准则amp;准则与新设计(Boersma, 2003, De Jong, 2002)。当这些部分的结果以正确的方式所进行组合时，一个以概率风险为基础的维护理念就此诞生。

钢桥的疲劳现象

引言

进行正交异性钢桥面板维护理念的第一步是定义在桥面板上所有可能会出现的疲劳裂纹。在PSR的调查研究中定义了10种裂纹。被定义的裂纹都是不同类型的裂纹；它们分为三类：

1. 桥面板与槽壁之间的裂纹
2. 在加劲肋拼接中的裂纹
3. 在加劲肋与横梁连接处的裂纹

桥面板与槽壁之间的裂纹

在这种类型中定义了三种裂纹。

DSP01在图3中的左边可以看得到。图1中的细节B也属于DSP01裂纹。裂缝是在槽壁和横梁的交叉口的干板和连续封闭式梯形加劲肋之间的纵向焊缝的根部之间开始出现的。起始阶段的裂纹扩展是在垂直方向从底部到顶部的盖板的后面。裂纹扩展后，通过盖板的裂纹扩展是在水平/纵向方向。裂纹有一个半椭圆形的表面。在盖板底部的裂纹长度几乎是盖板顶部的四倍。在图4中可以看见裂纹的三个阶段。

疲劳裂纹DSP01

疲劳裂纹DSP02

盖板

图3 在盖板中的疲劳裂纹（左），在板与槽壁之间的纵向角焊缝

DSP02裂纹在也可以在图3的左边看到。这个裂纹和DSP01看起来大体上一样。不同点是这种裂纹在横梁之间，而DSP01位于槽和横梁的交叉处。另一个不同点是dps01裂纹，裂纹在垂直方向（2期）和水平方向（3期）是同时发生的。结果是，长的不可见裂缝很可能会发展。

图4 桥面板裂纹DSP01的裂纹发展阶段

Dsp01裂缝的力学背景如下。

只在桥面板的两槽支撑间的横梁腹板。一个特定的槽的横梁腹板与无支撑桥面板的墙壁之间。在桥面板上一个槽的上方的车轮荷载，会引起桥面板的挠度。由于这种结构和夹紧力矩高的局部弯曲应力会出现，从而导致桥面板的疲劳裂纹。

DSP01和DSP02可能会对桥面板结构的交通安全构成威胁。这种威胁只有在裂纹非常大的时候才会出现。例如，当裂缝达到槽的桥面板的厚度，并且纵向长度已达到约50厘米时候。在这样尺寸的裂纹的风险下桥面板上的压痕或孔会在沉重的局部车轮负载下存在。

TRDPL01裂纹如图3中的右边所示。裂纹是在槽壁和桥面板之间的纵向角焊缝的根部开始发展的。起始点可以在除了横梁和连续封闭梯形加强筋的纵向每一个位置。裂纹扩展后，裂纹扩展方向为焊缝的厚度方向。裂纹扩展后，裂纹扩展沿焊缝方向的水平方向/纵向方向发展。TRDPL01裂纹在焊缝纵向不构成对交通和完整的桥面板结构构成威胁，因为桥面板还有运转和再分配荷载的可能性。

如前所述，DPS01裂纹的首次发现是在1997年的夏天Van Brienenoord桥上。DSP02裂纹首次发现是在1998年鹿特丹港地区的Caland桥的活动部分上。这种类型的裂纹在1998年之后在同一种类型的其他桥上频繁的被发现。TRDPL01裂缝在很久之前就被人们所发现。从鹿特丹到安特卫普的A16高速公路上的Moerdijk桥是该类型桥梁裂纹的典型例子。

在观察到的几个桥梁裂缝观察到的母材是从焊接连接的背衬板的槽和源于焊接根的裂纹。

背条槽壁

裂纹

图5 加劲肋拼接中的裂纹

可以在图5中看到海槽与两个槽网的横截面。在槽和连接处的裂纹也被指出来了。在许多情况下，接头已经受到了很大的外力，这导致了一个非常小的基础焊接。由于收缩能力不足，所以意识到焊缝根部质量不足。

在加强筋接头处的裂纹已经在过去的几座桥梁中被检测到。这种类型的裂纹不会危及交通安全，因为负载有重新分配的可能性。有相当大一部分在加劲拼接中观测到的裂纹在是由于差的焊接质量。

在加劲肋和横梁之间的连接处出现的裂纹

在槽（加劲肋）和横梁之间的连接处的裂纹有这么几种类型，在图6和图7中指出了不同类型的裂纹。

图6 槽与横梁连接处的疲劳裂纹，横梁之间的槽（左）和连续槽通过横梁（右）

图6（左）。首先，加劲肋和槽角焊缝焊接在一起。根据实际几何形状的焊缝在桥梁试验试样中所观测到的在加劲肋侧（C.1）或横梁侧（C.2）的焊缝裂纹。

图6（右）所展示出的是进行改进后的连接。在这种连接中连续槽被横梁所横切并进行紧密焊接。

图7 槽与横梁连接处的疲劳裂纹，有传统顶箱孔的连续槽（左），有海巴赫顶箱孔的连续槽（中），浮动桥面板结构（右）

作为细节C3，C4的解决办法，是使相切处的横梁腹板与圆孔扩大。传统的顶箱孔是椭圆形或梯形的，见图7(左)。海巴赫、普拉希尔研究（海巴赫，1983）成果是槽的大半径下方和小半径附近连接处的顶箱孔。

小结

许多钢桥板上的疲劳裂纹被发现和定义了。然而，在后阶段的裂纹扩展中有一个特殊类型的疲劳裂纹可能威胁到交通安全和完整的桥面板结构。这就是所谓的桥面板裂纹，如图3中的DSP01和DSP02。因此，要对桥面板裂纹更加加以关注。这些裂纹的风险和数量已经被观察到，预计将在未来的发展中，会开发一种维护理念和工具。

维护理念

引言

正交异性钢桥面板的常规维护理念是基于桥梁结构检查的时间及各部分的结构在它们使用寿命结束后替换的时间而形成的。解决了Van Brienenoord的问题后，在PSR研究项目的两个问题都是关于维护理念回答。

1. 什么是对观察到的疲劳的可修复技术，哪些需要被快速修复？
2. 提高全桥桥面结构寿命的解决方案是什么？

常规保养

如前所述的做法到现在常规保养。常规的维护是定期检查桥梁结构零件这些零件更换时，最后形成其一生。图8左圈了这种维护模型。这种维护是合适的，如果时间间隔比较长，失败因素在这个区间内不会导致结构故障。

但在正交异性钢桥面板的疲劳问题的情况下，就不符合要求。在荷兰的钢桥上的经验表明，每月的钢桥桥面结构上的负载最重的桥梁结构与疲劳裂纹检查是必要的。

除了这些昂贵的检查和昂贵的急救赔款，盖板结构在严重的疲劳裂纹也需要观察。因此，结论必须是传统的维护不再是适当的，维护理念必须改变为一个以风险为基础的理念。

检查

检查

寿命计算

（紧急）修复

新式桥盖板修复

时间间隔

图8维护理念，常规保养；基于风险的维护

基于风险的维护

在以传统维护转变到基于风险的维护过程中，我们发现了两种主要变化。基于时间间隔的检查必须以寿命计算的间隔来代替。以风险为基础的理念中疲劳裂纹的系统寿命计算是非常重要的。修复一个例子是沥青层的高性能混凝土磨耗层的更换。寿命计算

引言

盖板裂纹DPS01是钢结构中最严重的裂缝。在这部分中，给出了这种裂纹类型的寿命计算的描述。在影响疲劳寿命方面，这种裂纹是很突出的。总的来说，材料的应力循环的数量和范围决定了疲劳。

应力循环数

DSP01的应力循环数就是车辆轴数。在荷兰的高速公路上的细网状网络的测量点可供交通强度。在图9的左边给出了一个在鹿特丹测量点的概述。黄色表示点是Van Brienenoord桥。在这座桥上，重型车辆约占总交通量的85%，桥上的交通量有15%是载客汽车。

Van Brienenoord 桥交通强度

重型车辆（总）

重型车辆（gt;南）

重型车辆（gt;北

）

图9，交通强度测量，鹿特丹测点（左），强度（右）

一天的交通流的分布也在被测量。图10是重型车辆分布的图形演示。得到的应力循环量等于重型车辆轴，重型车辆数量须乘以长距离便是最合适的模型。这是与使用这些高速公路的测量的卡车类型一致。

交通强度（重型车辆）

图10，一天内的交通流的分布

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