混凝土橋梁疲勞壽命與使用安全評估

普躍昆

[摘要]隨著科技的發(fā)展，高強(qiáng)度混凝土和高強(qiáng)度鋼筋在建筑和結(jié)構(gòu)中大量采用，各種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力荷載也基本處于高負(fù)荷狀態(tài)，相對結(jié)構(gòu)疲勞的問題就顯現(xiàn)出來。本文總結(jié)了結(jié)合S-N曲線和miner準(zhǔn)則對混凝土疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測的方法，系統(tǒng)分析了斷裂力學(xué)理論基礎(chǔ)上的疲勞剩余壽命評測，對混凝土結(jié)構(gòu)疲勞壽命的評估提供了參考。

[關(guān)鍵詞]混凝土；結(jié)構(gòu)；疲勞評估

文章編號：2095-4085（2016）05-0129-02

混凝土作為高強(qiáng)度構(gòu)件，本身就是堅(jiān)固的代名詞，自從混凝土發(fā)明使用直到上世紀(jì)中后葉，混凝土結(jié)構(gòu)因疲勞而損壞的案例寥寥無幾，而那個(gè)階段混凝土的應(yīng)力條件荷載條件也相對較低。隨著科技的發(fā)展，高強(qiáng)度混凝土和高強(qiáng)度鋼筋在建筑和結(jié)構(gòu)中被大量采用，各種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力荷載也基本處于高負(fù)荷狀態(tài)，相對結(jié)構(gòu)疲勞的問題就顯現(xiàn)出來，在荷載超過混凝土容許應(yīng)力強(qiáng)度的時(shí)候，混凝土的裂縫就會(huì)擴(kuò)大，長時(shí)間處于這種狀態(tài)時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)就會(huì)受到破壞，這也是當(dāng)前國內(nèi)許多路段頻繁維修的主要原因。可見，對混凝土疲勞進(jìn)行研究，對工程修復(fù)和工程使用年限的預(yù)測具有實(shí)際意義。

1.混凝土結(jié)構(gòu)橋梁疲勞壽命評測

（1）常規(guī)方法——使用s-N曲線結(jié)合Miner準(zhǔn)則對混凝土結(jié)構(gòu)橋梁疲勞壽命進(jìn)行評測。該方法相對簡單、應(yīng)用廣泛、容易使用，成為當(dāng)下世界各國橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中評定疲勞壽命的主要依據(jù)。使用該方法需掌握兩個(gè)主要節(jié)點(diǎn)：對結(jié)構(gòu)的疲勞應(yīng)力譜進(jìn)行精確模擬；對細(xì)節(jié)疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。想獲得主要結(jié)構(gòu)部分的應(yīng)力譜有兩種辦法，即實(shí)際測量和模擬運(yùn)算。以實(shí)際測量為例，選擇受測橋梁，測量24h以上的受力變化，使用雨流計(jì)數(shù)法對應(yīng)力幅度進(jìn)行級別歸類，然后統(tǒng)計(jì)循環(huán)多少次，最終獲得應(yīng)力譜。由于測量時(shí)間較短，沒有充分對過去、當(dāng)前及以后的交通荷載變化進(jìn)行測量統(tǒng)計(jì)，應(yīng)力譜結(jié)果變化幅度較小。即使如此，這種分析方法仍然對橋梁疲勞壽命預(yù)測有很大的實(shí)際意義。在Miner準(zhǔn)則中，應(yīng)力變化是循環(huán)進(jìn)行的，一個(gè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化分成無數(shù)的循環(huán)過程周而復(fù)始，1個(gè)應(yīng)力周期對結(jié)構(gòu)造成的損壞為1/N_i；N_i表示第i個(gè)應(yīng)力水平，S_i為等幅荷載條件時(shí)導(dǎo)致疲勞破壞需要的荷載總次數(shù)。基于線性損傷累積準(zhǔn)則，結(jié)合S-N曲線可以得出：若干次應(yīng)力荷載作用后的結(jié)構(gòu)破壞D是

在以上公式中，D_i表示第i輪荷載應(yīng)力在S_i條件的積累破壞，n_i表示第i輪荷載應(yīng)力的循環(huán)輪次。若D_i積累破壞達(dá)到一個(gè)閾值時(shí)，該結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生疲勞破壞，一般情況下D_i大于1后，結(jié)構(gòu)就會(huì)生疲勞破壞。對目標(biāo)進(jìn)行隨機(jī)荷載條件下的應(yīng)力試驗(yàn)得出：結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的破壞閾值D_o在1的位置上下浮動(dòng)。基于這個(gè)結(jié)論，當(dāng)下世界各國橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中評定疲勞壽命的主要依據(jù)采用Miner準(zhǔn)則最簡單有效。疲勞積累理論當(dāng)下還不夠完善，其主要影響因素是疲勞的導(dǎo)致原因和每次荷載的條件均不相同，但由于該理論可以預(yù)測疲勞壽命的平均狀態(tài)，仍然具有很大的實(shí)際參考價(jià)值，且操作簡單、精確度高，因此仍然在世界各國被廣泛采用。

（2）在斷裂力學(xué)理論基礎(chǔ)上的疲勞剩余壽命評測。經(jīng)國內(nèi)外實(shí)測試驗(yàn)長期總結(jié)得出，鋼筋混凝橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞壽命主要是由鋼筋的疲勞程度決定的，因此在隨機(jī)荷載作用條件下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)疲勞壽命可以根據(jù)主要受力鋼構(gòu)件的疲勞斷裂壽命確定。鋼筋的疲勞斷裂是鋼材在受力后，原材料上的細(xì)小縫隙被拉伸放大，如此反復(fù)循環(huán)，最終導(dǎo)致鋼筋構(gòu)件斷裂。經(jīng)研究總結(jié)，評估鋼筋構(gòu)件的裂縫拉伸，可以設(shè)鋼筋原始裂縫的形狀為半圓形，原始裂縫的深度為a_o，裂縫理想狀態(tài)下和鋼材軸線垂直，則裂縫的拉伸可以依據(jù)Paris公式進(jìn)行評估。

（3）鋼構(gòu)件原始裂縫深度a_n的評估。目前要知道鋼材構(gòu)件的原始裂縫深度有兩種途徑，當(dāng)條件具備時(shí)，可以通過無損檢測方法測量得出；條件不具備時(shí)，則可以通過合理假設(shè)來推算。很多情況下鋼構(gòu)件都與混凝土渾然一體，難以通過無損觀測得到數(shù)據(jù)，所以推測運(yùn)算成為當(dāng)前工程界較為普遍的推測裂縫深度的方法。

2.結(jié)語

本文總結(jié)了結(jié)合S-N曲線和Miner準(zhǔn)則對混凝土疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測的方法，系統(tǒng)分析了斷裂力學(xué)理論基礎(chǔ)上的疲勞剩余壽命評測，對混凝土結(jié)構(gòu)疲勞壽命的評估提供了參考。