我国的斜拉桥和悬索桥主要采用正交异性钢桥面板，作为一种工厂预制的封闭式结构，正交异性钢桥面板中存在大量的隐蔽焊缝（主要为U肋与面板之间的纵向裂缝）。这些隐蔽焊缝的开裂损伤往往具有复杂性、隐蔽性、难修复性和后果灾难性等特点，且难以用一般的手段来监测与控制^{[1, 2, 3, 4, 5]}。由于U肋为闭口结构，桥面板与U肋的焊缝只能从外侧单面施焊，普遍采用75%~85%的部分熔透焊，留下15%~25%的为熔合部分，将形成初始裂纹，成为应力集中部位^{[6, 7, 8, 9, 10, 11]}。同时，在车轮局部作用下，导致桥面板与U肋焊缝处容易疲劳开裂^{[12, 13]}。

本文以实桥为例，对横向车轮局压作用下的隐蔽焊缝受力情况进行数值仿真分析，研究隐蔽焊缝及周围区域的应力分布特征。

以浙江杭州市之江大桥斜拉桥的正交异性钢桥面板为原型，并综合考虑国内大跨斜拉、悬索桥正交异性钢桥面板的典型形式，如图 1、图 2所示。模型取纵桥向长度为1 000 mm，宽度为3a（a为U肋间距）的上桥面板及相应的纵向U形加劲肋作为分析对象。

图 1 正交异性钢桥面板的典型形式（单位：mm� Fig. 1 ypical type of orthotropic steel bridge deck（unit: mm�

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图 2 焊缝细部尺寸 Fig. 2 eld line details

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图 1、图 2中，b₁为U肋高度；b₂为U肋顶部宽度；b₃为U肋底部宽度；b₄为U肋倒角半径；t₁为桥面板厚度；t₂为U肋翼板和底板厚度；c₁为焊缝内侧空隙宽度；c₂为焊缝内侧焊脚高度。分析中设置3个变量（d₁，d₂,d₃）进行参数分析，其中，d₁=a/b₂，表示U肋的布置的密集程度变化；d₂=b₃/b₂，表示U肋的形状变化；d₃=t₂/t₁，表示桥面板与U肋厚度比。采用c₁和c₂来表示未熔合部分的大小，以考察不同熔合程度的影响，c₁变化范围为t₂/10~3t₂/10，约为70%~90%的熔透焊，c₂为0.5 mm。因此，根据几何尺寸的变化情况，模型可以分为3个系列，如表 1所示。

采用实体单元建立有限元模型，按实际内力模型网格如图 3、图 4所示。

图 3 有限元模型网格图 Fig. 3 inite element model grid

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图 4 焊缝细部网格图 Fig. 4 eld details grid

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U肋焊缝的开裂主要由横向弯曲产生，因此，本研究中主要考虑横桥向车轮局压情况，此时连接焊缝的产生垂直于焊缝长度方向的应力（正应力），加载情况如图 5所示。模型纵(桥)向边界设置为仅约束纵向位移，横(桥)向边界位于U肋间的面板中间位置，设置为固结约束。

图 5 横桥向车轮局压（单位：kN/m� Fig. 5 ocal vehicle wheel pressure in bridge lateral direction （unit:kN/m�

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为研究焊缝应力与周围钢板（桥面板、U 肋翼板）之间的

应力关系，设应力比系数δ_A和δ_B，其中δ_A为A区域应力与焊缝最大应力的比值;δ_B为B区域应力与焊缝最大应力的比值。同时，设“位置参数”表示测点距焊缝的距离，在A区域变化范围为0~1L_A；在B区域变化范围为0~1L_B，由此表示应力的沿程分布情况。

（1）系列1-不同U肋间距

隐蔽焊缝及周围区域的应力分布情况如图 6所示，结果表明：随着U肋间距增大，桥面板的弯曲应力增加，焊缝位置的横截面应力集中现象越发显著；在不同的熔焊程度下（即不同c₁参数），上述应力集中情况基本保持不变。

图 6 横向车轮局压——系列1的焊缝局部应力云图 Fig. 6 ateral vehicle wheel pressure: local stress contour of weld lines in series 1

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（2）系列2-不同U肋底板宽度（U肋翼板倾角）

隐蔽焊缝及周围区域的应力分布情况如图 7所示，

图 7 横向车轮局压——系列2的焊缝局部正应力云图 Fig. 7 ateral vehicle wheel pressure: local stress contour of weld lines in series 2

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结果表明：在不同的U肋底板宽度（即为U肋翼板夹角的增大，参数b₂）情况下，焊缝位置的横截面应力集中情况基本保持不变。

（3）系列3-不同U肋翼板厚度

隐蔽焊缝及周围区域的应力分布情况如图 8所示，结果表明：随着U肋板厚度的增大（即参数t₂），焊缝位置的横截面应力集中现象逐渐减弱。

图 8 横向车轮局压——系列3的焊缝局部应力云图 Fig. 8 >ateral vehicle wheel pressure: local stress contour of weld lines in series 3

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不同参数情况下，顶板区域（A区域）和U肋翼板区域（B区域）的横截面应力与焊缝最大主应力的比值如图 9~图 11所示。

图 9 横向车轮局压——系列1的应力比系数与位置参数的关系曲线 Fig. 9 ateral vehicle wheel pressure: curves of relationship of stress ratio with position parameters of series 1

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图 10 横向车轮局压——系列2的应力比系数与位置参数的关系曲线 Fig. 10 ateral vehicle wheel pressure: curves of relationship of stress ratio with position parameters of series 2

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图 11 横向车轮局压——系列3的应力比系数与位置参数的关系曲线 Fig. 11 Lateral vehicle wheel pressure: curves of relationship of stress ratio with position parameters of series 3

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图 12 横向车轮局压结果提取区域（单位：mm� Fig. 12 xtraction region of lateral vehicle wheel pressure（unit: mm�

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（1）由于顶板直接承受车轮局压作用，顶板应力受车轮影响较大，因此不宜作为应力监测区域。

（2）横截面的应力比系数δB受到正交异性钢桥面板的U肋间距（参数d₁，即U肋布置密集程度）、U肋翼板角度（参数d₂，即U肋形状变化）及桥面板与U肋厚度比（参数d₃）等参数变化的影响无明显规律。

（3）对于U肋翼板部位（B区域），在0.25~1.0L_B区间，应力放大系数δ_B随着位置参数的增大而减小，且变化规律，因此该区域可作为监测点适宜布设区域；在0~0.25L_B区间，δ_B有波动。因此，可将该0.25L_B～1.0L_B区域作为隐蔽焊缝应力监测的适宜区域，此时最大主应力比系数δ_B的计算公式如下：

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由于正交异性钢桥面板采用工厂预制，因而U肋翼板的加工情况较好，易于在其表面布设传感器（如应变片、光线光栅传感器等）。因此，可以通过在U肋翼板上布设传感器测量横向应变，利用式（1）可以对U肋与面板之间的隐蔽焊缝进行应力监测。

通过本文研究，可以得到以下结论：

（1）在横向车轮局压作用下，桥面板与U肋的连接焊缝有应力集中现象，焊缝熔合度在70%~90%之间变化时，对应力集中现象影响微弱。

（2）横截面的应力比系数δ_B受到U肋间距、U肋翼板角度及桥面板与U肋厚度比等参数变化的影响无明显规律。

（3）在横向车轮局压作用下，桥面板与U肋连接焊缝在横截面内的最大主应力可以通过U肋翼板上的应力量测，通过应力比系数（δ_B）换算得到，且δ_B均与测点至焊缝的距离有关。

（4）量测U肋翼板上的横向应变可以间接量测隐蔽焊缝的应力大小，且U肋翼板的0.25L_B~1.0L_B区间可作为隐蔽焊缝应力监测的适宜区域。