《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２1）—第一部分桥梁工程篇《正交异性钢桥面板加固对策与焊缝疲劳寿命研究》

完成单位：天津市交通科学研究院、天津滨海新区基础设施养管有限公司

主要完成人：闫燕红、何立忠、邵兵、孙运国、刘华东、马爱静、刘宏伟、齐怀展、王蕊、王甫友

项目简介

　　正交异性钢桥面板的桥面铺装破损与正交异性板局部疲劳开裂问题是钢箱梁领域的技术难题，严重影响了正交异性板大跨径桥梁的通行功能。各国针对正交异性钢桥面板的疲劳开裂及铺装破损问题的改进进行了大量理论分析与实验。在近些年新建桥梁的正交异性板结构体系中，随着正交异性板体系的改进和加强，正交异性板的疲劳开裂及铺装破损问题得到较好的改善，但是早期建成的正交异性板钢箱梁结构体系存在正交异性板局部刚度偏弱的问题，随着运营时间的增加，正交异性钢桥面板局部遇到的问题也日趋突出，尤其是位于交通节点的大跨径斜拉桥和悬索桥结构。

　　针对正交异性桥面板局部疲劳开裂和桥面铺装破损这两方面问题，国内外同行进行了大量的研究，提出了多种加固处治方式，但是没有形成一种完全解决此类问题的统一方法。课题针对正交异性板钢箱梁局部刚度偏弱的特点，依托一座大跨径斜拉桥工程，提出了基于高性能混凝土的正交异性板局部刚性加固方式，同时对焊缝的疲劳特性进行评价研究。

　　（1）结合正交异性板疲劳开裂和桥面铺装破损的问题，提出将超高性能混凝土刚性桥面体系应用于大跨径正交异性钢桥面板加固，极大改善了正交异性板的局部受力及抗裂性能，提高了正交异性钢桥面板体系的抗疲劳能力；

　　（2）结合正交异性板局部焊缝的形式，建立了正交异性钢桥面板肋-面板的局部三维断裂力学分析模型，提出了基于肋-面板焊缝疲劳裂纹的三维扩展进行钢桥面板的疲劳寿命评估方法，提高了分析效率与精度。首次用疲劳试验测试了不同负应力比的拉-压循环应力作用下桥梁钢焊缝的疲劳裂纹扩展特性，揭示了拉-压循环应力中压应力对疲劳裂纹的驱动作用。正交异性钢桥面板病害机理与处置对策研究和基于断裂力学的正交异性钢桥面板焊缝的疲劳寿命分析，为正交异性钢桥面板加固对策与焊缝疲劳寿命研究技术的推广应用奠定了理论和实践基础，其技术经济指标具有很好的相关性和实用性，技术经济指标先进程度高。

项目创新点

　　（1）基于动态监测系统，分析确定了车辆总重及荷载效应概率分布模型，拟合提出了实桥现状通行荷载的计算活载模型；

　　（2）对斜拉桥钢箱梁正交异性板的病害机理、强度及疲劳性能进行了专项研究，提出了斜拉桥正交异性板采用密集配筋的高性能混凝土刚性加固方法，极大改善了正交异性板的局部受力性能，降低正交异性板局部开裂和桥面铺装破损的风险；

　　（3）基于Schwartz-Neuman交替法建立了高效和准确的正交异性钢桥面板肋-面板的局部三维断裂力学分析模型。计算结果表明，这个所建立的局部三维断裂力学模型可以给出比目前所用二维断裂力学模型准确的肋-面板焊缝表面裂纹的应力强度因子。课题也探讨了基于肋-面板焊缝疲劳裂纹的三维扩展进行钢桥面板的疲劳寿命评估方法；

　　（4）首次用疲劳试验测试了不同负应力比的拉-压循环应力作用下桥梁钢焊缝的疲劳裂纹扩展特性。所得焊缝疲劳试验数据表明：焊缝的疲劳强度高于母材的疲劳强度；在循环应力中的最大拉应力相同的情况下，当应力比R<-0.5时，疲劳裂纹扩展率明显变大。因此，考虑拉-压循环应力中压应力对疲劳裂纹的驱动作用是十分必要的。

应用案例

　　本课题研究成果已成功应用于2015年海河大桥斜拉桥维修加固工程中，利用"正交异性钢桥面板加固对策与焊缝疲劳寿命研究"的研究成果，对主桥钢箱梁正交异性板采用高性混凝土刚性加固技术进行了评估，根据正交异性板钢箱梁段现状病害情况，及结构整体恒载不增加的条件下，在行车道范围内对钢箱梁正交异性板铺设超高韧性混凝土进行刚性加固，在钢箱梁拉索锚固区及人行检修通道区铺设橡胶磨耗层，确定了正交异性板顶铺设高性混凝土的厚度，并进行了维修加固实施及加固后疲劳性能评估。

　　海河大桥斜拉桥于2015年对正交异性板局部采用高性混凝土加固后，于2015年9月开放交通，至今已使用超过6年，桥面铺装及正交异性板均未出现新病害和原有病害发展。该桥以往采用柔性桥面铺装维修和钢箱梁局部钢板维修方法加固后，使用的第二年开始出现桥面铺装开裂及正交异性板疲劳开裂病害的发展和新增，本次采用基于高性能混凝土的正交异性板局部刚性加固的方法成功解决了该桥桥面铺装和正交异性板开裂问题，对具有类似病害的正交异性板钢箱梁桥加固具有较高的参考性。

图1 基于高性能混凝土正交异性板局部加固结构体系

图2 焊缝局部疲劳性能分析

图3 海河大桥加固实施现场      

图4 海河大桥运营6年钢桥面铺装状况较好

社会效益与经济效益

　　课题研究成果成功应用海河大桥实桥，具有较好的工程推广效果，可解决正交异性板疲劳开裂和铺装破损加固难题及拉索的安全性评估问题，具有广阔的应用前景，提高同类桥梁结构的社会服务功能和通行安全性，具有较高社会效益。

　　本项目主要的经济和社会效益体现在三方面：

　　（1）正交异性钢桥面板病害机理与处置对策研究，可为正交异性板加固设计提供科学依据；

　　（2）加固方法应用于正交异性钢桥面板加固中，大降低维修频率，减少维修工程量，降低了对通行交通的断交影响，取得较大的经济效益；

　　（3）对钢桥面板病害的桥梁，利用课题研究成果应用于钢桥桥面板维修加固设计，为桥梁加固提供合理科学的措施，取得可观的经济和社会效益。