钢桥面板为空间薄壁结构，构造复杂、连接焊缝较多，在轮载作用下局部效应显著，疲劳问题突出，一些新建桥梁在投入运营几年后便出现了疲劳裂纹^[1]。设计时一般在钢桥面板表面设置铺装层，起到减少振动、保护桥面、提高行驶舒适度的作用。钢桥面板常用铺装形式有浇注式沥青混合料(GA)、改性沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)和环氧沥青混合料(EA)。近年来，由中国自主研发的树脂沥青组合体系(ERS)铺装，即环氧黏结碎石层(EBCL)+环氧沥青混凝土(RA)+改性沥青混凝土(SMA)，开始应用到钢桥面板结构。ERS铺装施工方便，受力性能良好，在钢桥面板结构上应用前景广阔^[2]。

钢桥面板设计时，铺装仅作为恒载的一部分，不参与结构受力。而实际状态下，桥面铺装不仅可以分散荷载，铺装层与桥面板之间的组合作用可以有效降低疲劳细节的局部应力^[3]。Connor、Fisher^[4]通过威廉斯堡大桥钢桥面板现场试验指出，铺装可以使钢桥面板疲劳应力降低20%~50%。Walter^[5]通过模型试验和有限元方法开展了4种不同水泥基材料组合铺装层对钢箱梁桥面板细节疲劳应力的影响研究。唐细彪^[6]以厦门某桥为工程背景，对带混凝土铺装层的钢桥面板足尺模型进行加载试验，分析了铺装前后典型细节的受力行为。宋永生等^[7]基于润扬大桥钢桥面板疲劳效应监测结果，研究了不同温度下桥面铺装对钢桥面板典型细节疲劳效应的影响。吴冲^[8]通过模型试验研究了桥面铺装温度对钢桥面板疲劳性能的影响，得到在相同的荷载下，高温(55 ℃)条件下钢桥面板疲劳损伤度约为常温(10 ℃)的21倍。

目前关于铺装对钢桥面板疲劳应力影响的研究多是基于有限元方法和模型试验开展的，实桥试验研究报道较少。本文基于沈阳绕城高速某钢箱梁桥面板，开展现场静力测试，对ERS铺装前后典型细节受力行为进行研究。基于现场测试数据，建立钢桥面板有限元模型分析气温和铺装厚度变化对细节疲劳应力的影响。开通运营后对钢桥面板进行长期动应变监测，对运营状态下季节性温度变化导致的疲劳损伤差异进行研究。

沈阳绕城高速某连续钢箱梁桥，跨径布置为(38+61+38) m。主桥为单箱三室钢箱梁(图 1)，全宽19.8 m，中心线处梁高3 112.5 mm，桥面板采用正交异性板结构。钢箱梁顶板、底板和腹板厚度均为16 mm，横隔板厚10 mm，相邻横隔板间距3.0 m。纵向闭口加劲肋尺寸为300 mm×300 mm×8 mm，中心间距为600 mm。纵向节段采用顶板焊接、纵肋栓接的连接方式，钢材采用Q345qENH。桥面铺装采用ERS组合铺装，组成为：EBCL+25 mm RA05+防水黏结层+40 mm SMA13。为研究ERS铺装对钢桥面板疲劳应力的影响，选取外侧车道边跨跨中区域(D5~D10)，对铺装前后钢桥面板进行现场加载测试。

图 1 钢箱梁横断面图(单位：mm) Fig. 1 Cross-section of steel box girder (unit: mm)

选取外侧车道车辆正常行驶条件下轮迹出现频率较高的区域进行测试(图 2)，顺桥向跨中前后10.6 m范围内共设置30个纵向加载工况(L1~L30)，靠近测试截面附近时工况加密，相邻工况间距最小为100 mm。横桥向等间距设置13个加载工况(T1~T13)，相邻工况间距为150 mm，共390个静力加载工况。选取3个测试截面(MS1~MS3)，其中MS1为钢箱梁节段拼接截面，测试目标为纵肋拼接细节; MS2为横隔板跨中截面，测试目标为纵肋与顶板连接细节; MS3为横隔板截面，测试目标分别为横隔板挖孔细节、纵肋与横隔板连接细节。各细节测点布置见图 2(b)~2(d)。

图 2 静力加载测试方案(单位：mm) Fig. 2 Static loading test scheme (unit: mm)

现场测试加载车辆选取轴距7.0 m两轴重载货车，轴距大于两倍横隔板间距，因此可以忽略前后轴的影响。车辆总重200 kN，其中前轴50 kN、后轴150 kN，采用双轮胎轴(后轴)进行加载，单侧轮胎着地面积为200 mm×600 mm。数据采集系统选用日本TDS-602静态采集系统，加载测试现场见图 3。

图 3 现场加载测试 Fig. 3 In-situ loading test

钢桥面板的疲劳敏感细节主要包括顶板与纵肋连接细节(J1)、纵肋与横隔板连接细节(J2)、横隔板挖孔细节(J3)和纵肋拼接细节(J4)等^[9-10]。采用响应面和响应线对各细节受力行为进行分析，铺装前后各细节的应力响应见图 4。

图 4 铺装前后细节实测应力 Fig. 4 Measuring stress of details before and after paving

顶板与纵肋连接细节以受压为主，当轮载作用于细节正上方时，顶板压应力最大，见图 4(a)。铺装前应力峰值为-78.5 MPa，铺装后降至-42.0 MPa，下降幅度为46.5%。顶板应力纵向响应线长度为3.0 m (1倍横隔板间距)，但在峰值点附近1.0 m范围内变化剧烈，在运营过程中一辆车经过时可能会产生多个应力循环。横隔板挖孔细节以受压为主，轮载作用于细节正上方时应力最大，见图 4(b)。铺装前横隔板挖孔边缘应力峰值为-58.0 MPa，铺装后降至-47.7 MPa，下降幅度为17.8%。纵肋与横隔板连接细节以承受拉应力为主，当轮载作用于距横隔板1.5 m (横隔板跨中位置)时，应力达到峰值，轮载作用于横隔板正上方时拉应力最小，见图 4(c)。当轮载分别作用在横隔板两侧时，受横隔板面外变形影响，峰值应力分别为28.2，21.4 MPa，铺装后对应的峰值应力分别为26.2，21.2 MPa，最大峰值应力降幅7.1%。纵肋拼接段设置在距横隔板0.8 m位置，该细节承受拉压应力，轮载位于拼接段正上方时拉应力达到峰值(图 4(d))，铺装前最大拉应力为38.9 MPa，铺装后降为27.8 MPa，降幅为28.5%。

以沈阳绕城高速钢箱梁桥为背景，钢桥面板构造尺寸见1.1节所述，采用ANSYS建立带ERS铺装的钢桥面板有限元模型，轮廓尺寸为顺桥向15.0 m，含5道横隔板，横桥向3.75 m，含6根纵肋(图 5)。钢桥面板采用壳单元(Shell63)，ERS铺装采用实体单元(Solid 45)，不考虑铺装层与桥面板之间的粘结滑移，实体单元与壳单元采用接触单元CONTA173和目标单元TARGE170进行接触连接。约束横隔板底部3个方向的平动自由度和3个方向的转动自由度，约束顶板四周3个方向的平动自由度。为了与现场加载测试保持一致，荷载采用单轴加载，轴重15 t，加载面积为2×200 mm×600 mm。

图 5 钢桥面板有限元模型 Fig. 5 Finite element model of steel bridge deck

采用铺装后现场加载测试结果对有限元计算结果进行误差分析，现场加载测试时大气温度约为20 ℃，误差分析结果如表 1所示。顶板与纵肋连接细节(J1)、纵肋与横隔板连接细节(J2)有限元计算值略小于实测值，其他两个细节大于实测值，各细节误差均小于±10%。因此，可以采用有限元模型分析ERS铺装层对钢桥面板疲劳应力的影响。

沥青混合料在不同温度下弹性模量差异很大，变化范围一般为500~20 000 MPa。参考近年来钢桥面板铺装温度研究成果^[11-12]，铺装层温度分布规律见表 2。采用铺装层厚度方向平均温度作为计算温度，分别计算大气温度-10，0，10，20，30，40 ℃下钢桥面板的疲劳应力。铺装下层RA05采用江苏省交通科学研究院在10 Hz加载频率下的试验结果^[8]，5 ℃时弹性模量为11 200 MPa，55 ℃时为650 MPa。铺装上层SMA13采用文献[13]的试验结果，0 ℃时弹性模量为28 000 MPa，55 ℃时弹性模量为2 000 MPa，其他温度下铺装材料的弹性模量由试验数据(图 6)线性插值获取。

图 6 不同温度下铺装材料的弹性模量[8, 13] Fig. 6 Elastic modulus of pavement materials at different temperatures

不同气温下钢桥面板疲劳应力计算结果见图 7，气温对顶板与纵肋连接细节应力影响最大，40 ℃时该细节应力为-64.7 MPa，-10 ℃时应力变为-20.4 MPa，降幅达68.5%；纵肋拼接细节应力则由34.8 MPa降至21.4 MPa，降幅为38.5%。横隔板挖孔细节、纵肋与横隔板连接细节在气温由40 ℃降至-10 ℃时，应力分别由-51.6，27.4 MPa变为-35.8，22.5 MPa，降幅分别为30.6%，17.9%。可以看出，气温变化对钢桥面板细节应力影响显著且对不同细节影响程度差异较大，20 ℃以上时应力变化速度较快，10 ℃以下时应力变化相对平缓。

图 7 不同气温下细节应力变化 Fig. 7 Changes of detailed stress at different temperatures

铺装厚度是影响钢桥面板细节疲劳应力的重要因素，ERS桥面铺装层厚度一般为50~80 mm^[2]，本文对不同厚度下ERS铺装对钢桥面板疲劳应力的影响进行研究。取气温20 ℃时铺装材料的弹性模量作为计算参数，铺装层厚度变化区间为50~80 mm，参考实际工程设计参数^[14]，以5 mm为单位依次变化铺装上层和铺装下层的厚度。铺装上层(SMA13)和铺装下层(RA05)的厚度取值见表 3。

不同铺装厚度下钢桥面板疲劳应力计算结果见图 8，随着铺装厚度的增加，各细节疲劳应力均有所降低。铺装厚度由50 mm增至80 mm时，顶板与纵肋连接细节、纵肋拼接细节疲劳应力分别由-49.7，31.6 MPa变为-35.1，24.5 MPa，降幅分别为29.4%，22.5%。横隔板挖孔细节应力由-48.4 MPa变为-41.1 MPa，降幅为15.1%；纵肋与横隔板连接细节应力由27.2 MPa降至23.8 MPa，降幅为12.5%。铺装厚度对顶板与纵肋连接细节、纵肋拼接细节影响较大，而对其他两个细节影响较小，与气温对疲劳应力的影响趋势相似，但影响幅度小于气温的影响。

图 8 不同铺装厚度的细节应力变化 Fig. 8 Changes of detailed stress in different pavement thicknesses

沈阳绕城高速通车运营后，对钢桥面板进行长达6个月的连续动应变监测，同时对交通量进行人工监测。为研究不同温度下ERS铺装对钢桥面板疲劳损伤的影响，分别选取8月(夏季)、10月(秋季)、1月(冬季)内某天连续24 h内动应变监测数据进行钢桥面板疲劳损伤分析，对应的日平均气温分别为30，15，-15 ℃。图 9为钢桥面板4个典型细节在不同温度下24 h内的实测应力谱(5 MPa以上)，可以看出钢桥面板各细节冬季实测的峰值应力幅约为夏季的50%，秋季峰值应力幅约为夏季的70%。实测应力谱受温度影响较大，随着温度降低，峰值应力幅降低, 5 MPa以上的应力循环次数对应减少。

图 9 不同气温下24 h内实测应力谱 Fig. 9 Recorded stress spectra during 24 h at different air temperatures

根据交通量监测结果，选取3 d内单车道交通量分别为2 781，2 674，2 650。如图 10所示，二轴卡车和六轴卡车所占比例最大，差异分别为7.2%和7.4%。其他类型车辆24 h内交通量均较小，各车型数量相差不大。因此，可以认为不同季节疲劳应力谱差异是由季节性温度变化导致的。

图 10 24 h内单车道交通量 Fig. 10 Traffic volume on single lane during 24 h

采用疲劳累积损伤理论和欧洲规范建议的S-N曲线对不同温度下各细节的疲劳损伤进行评估^[15]，在n_i个循环的变幅应力幅S_i作用下，造成的疲劳损伤为：

(1)

式中，N_i对应于应力幅水平Δσ_i作用下疲劳破坏的循环次数。实际应力幅S_i和时间段T内的循环次数n_i由运营监测获取，则该时间段内细节疲劳累积损伤D_T为：

(2)

疲劳损伤评估结果见表 4，对同一疲劳细节，夏季24 h内产生的疲劳损伤远大于冬季产生的疲劳损伤，其中纵肋与顶板连接细节夏季产生的疲劳损伤约为秋季的7.5倍，为冬季疲劳损伤的58倍。横隔板挖孔细节夏季24 h内产生的疲劳损伤为秋季的5倍，为冬季疲劳损伤的24倍。纵肋与横隔板连接细节夏季24 h内产生的疲劳损伤为秋季的4.5倍，为冬季疲劳损伤的49倍。纵肋拼接细节夏季24 h内产生的疲劳损伤为秋季的2.5倍，为冬季疲劳损伤的15倍。

ERS桥面铺装在不同温度下弹性模量的差异对钢桥面板细节的疲劳损伤影响显著，疲劳损伤主要产生在气温较高的夏天。目前，多数研究基于一定时间段内的细节应力监测数据进行钢桥面板疲劳损伤评估，而季节性温度变化对细节应力谱影响较大，采用不同季节的监测数据可能对评估结果造成很大差异。因此，在进行钢桥面板疲劳损伤评估时，应充分考虑季节性温度对细节疲劳应力及疲劳损伤的影响。另外，夏天高温天气下铺装软化，容易出现车辙、脱层等损害，会进一步加剧钢桥面板的疲劳损伤。

(1) 对钢桥面板进行实桥现场测试，铺装前后各进行390个静力工况测试。ERS铺装后纵肋与顶板连接细节应力下降46.5%，横隔板挖孔细节应力下降17.8%，纵肋与横隔板连接细节应力下降7.1%，纵肋拼接细节应力下降28.5%。

(2) 气温变化对顶板与纵肋连接细节、纵肋拼接细节影响较大，气温由40 ℃降至-10 ℃时，顶板与纵肋连接细节、纵肋拼接细节的应力降幅分别为68.5%，38.5%；横隔板挖孔细节、纵肋与横隔板连接细节应力降幅分别为30.6%，17.9%。气温变化对钢桥面板不同细节影响程度差异较大，20 ℃以上时应力变化速度较快，10 ℃以下时应力变化相对平缓。铺装层厚度由50 mm增至80 mm时，顶板与纵肋连接细节、纵肋拼接细节应力分别下降29.4%，22.5%，横隔板挖孔细节、纵肋与横隔板连接细节应力分别下降15.1%，12.5%。

(3) 基于不同气温下24 h内实测应力谱，冬季峰值应力幅约为夏季的50%，秋季峰值应力幅约为夏季的70%；夏季24 h内产生的疲劳损伤是秋季的2.5倍以上，是冬季的15倍以上，疲劳损伤大部分产生于气温较高的夏天。

(4) 钢桥面板铺装材料弹性模量对温度比较敏感，季节性温度变化对钢桥面板典型细节应力和疲劳损伤影响显著，建议对钢桥面板疲劳验算或评估时考虑桥面铺装温度和厚度的影响。