混凝土橋梁疲勞壽命與使用安全評估

普躍昆

[摘要]隨著科技的發展，高強度混凝土和高強度鋼筋在建筑和結構中大量采用，各種結構的應力荷載也基本處于高負荷狀態，相對結構疲勞的問題就顯現出來。本文總結了結合S-N曲線和miner準則對混凝土疲勞壽命進行預測的方法，系統分析了斷裂力學理論基礎上的疲勞剩余壽命評測，對混凝土結構疲勞壽命的評估提供了參考。

[關鍵詞]混凝土；結構；疲勞評估

文章編號：2095-4085（2016）05-0129-02

混凝土作為高強度構件，本身就是堅固的代名詞，自從混凝土發明使用直到上世紀中后葉，混凝土結構因疲勞而損壞的案例寥寥無幾，而那個階段混凝土的應力條件荷載條件也相對較低。隨著科技的發展，高強度混凝土和高強度鋼筋在建筑和結構中被大量采用，各種結構的應力荷載也基本處于高負荷狀態，相對結構疲勞的問題就顯現出來，在荷載超過混凝土容許應力強度的時候，混凝土的裂縫就會擴大，長時間處于這種狀態時，混凝土結構就會受到破壞，這也是當前國內許多路段頻繁維修的主要原因?？梢?，對混凝土疲勞進行研究，對工程修復和工程使用年限的預測具有實際意義。

1.混凝土結構橋梁疲勞壽命評測

（1）常規方法——使用s-N曲線結合Miner準則對混凝土結構橋梁疲勞壽命進行評測。該方法相對簡單、應用廣泛、容易使用，成為當下世界各國橋梁設計標準中評定疲勞壽命的主要依據。使用該方法需掌握兩個主要節點：對結構的疲勞應力譜進行精確模擬；對細節疲勞強度進行計算。想獲得主要結構部分的應力譜有兩種辦法，即實際測量和模擬運算。以實際測量為例，選擇受測橋梁，測量24h以上的受力變化，使用雨流計數法對應力幅度進行級別歸類，然后統計循環多少次，最終獲得應力譜。由于測量時間較短，沒有充分對過去、當前及以后的交通荷載變化進行測量統計，應力譜結果變化幅度較小。即使如此，這種分析方法仍然對橋梁疲勞壽命預測有很大的實際意義。在Miner準則中，應力變化是循環進行的，一個結構的應力變化分成無數的循環過程周而復始，1個應力周期對結構造成的損壞為1/N_i；N_i表示第i個應力水平，S_i為等幅荷載條件時導致疲勞破壞需要的荷載總次數。基于線性損傷累積準則，結合S-N曲線可以得出：若干次應力荷載作用后的結構破壞D是

在以上公式中，D_i表示第i輪荷載應力在S_i條件的積累破壞，n_i表示第i輪荷載應力的循環輪次。若D_i積累破壞達到一個閾值時，該結構將產生疲勞破壞，一般情況下D_i大于1后，結構就會生疲勞破壞。對目標進行隨機荷載條件下的應力試驗得出：結構發生破壞的破壞閾值D_o在1的位置上下浮動?；谶@個結論，當下世界各國橋梁設計標準中評定疲勞壽命的主要依據采用Miner準則最簡單有效。疲勞積累理論當下還不夠完善，其主要影響因素是疲勞的導致原因和每次荷載的條件均不相同，但由于該理論可以預測疲勞壽命的平均狀態，仍然具有很大的實際參考價值，且操作簡單、精確度高，因此仍然在世界各國被廣泛采用。

（2）在斷裂力學理論基礎上的疲勞剩余壽命評測。經國內外實測試驗長期總結得出，鋼筋混凝橋梁結構的疲勞壽命主要是由鋼筋的疲勞程度決定的，因此在隨機荷載作用條件下的鋼筋混凝土結構疲勞壽命可以根據主要受力鋼構件的疲勞斷裂壽命確定。鋼筋的疲勞斷裂是鋼材在受力后，原材料上的細小縫隙被拉伸放大，如此反復循環，最終導致鋼筋構件斷裂。經研究總結，評估鋼筋構件的裂縫拉伸，可以設鋼筋原始裂縫的形狀為半圓形，原始裂縫的深度為a_o，裂縫理想狀態下和鋼材軸線垂直，則裂縫的拉伸可以依據Paris公式進行評估。

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

2.結語

本文總結了結合S-N曲線和Miner準則對混凝土疲勞壽命進行預測的方法，系統分析了斷裂力學理論基礎上的疲勞剩余壽命評測，對混凝土結構疲勞壽命的評估提供了參考。