體外預應力節段預制拼裝混凝土梁疲勞試驗研究

唐細彪 章 龍

(1.橋梁結構安全與健康國家重點實驗室 武漢 430034； 2.中鐵橋研科技有限公司 武漢 430034)

橋梁節段預制拼裝梁施工技術以其生產效率高、施工質量好等優點，在國內外發展較快且應用較多。國內外學者針對節段結構受力行為也進行了廣泛研究，且取得了一定的成果。然而，針對橋梁節段預制膠接拼裝的破壞試驗研究相對較少，仍有一些問題需要深入研究，如體外預應力預制拼裝系統的抗疲勞、系統抗疲勞薄弱部位等。為此，本文開展預制拼裝節段梁疲勞研究，通過對比國內外多種疲勞荷載計算方法，確定疲勞等效荷載；同時進行節段預制拼裝梁的抗疲勞理論分析及疲勞試驗，以驗證結構設計的合理性和安全性。

1 工程實例

華巖隧道西延伸段橋跨采用節段預制拼裝施工技術，上部結構采用三(或四)跨一聯布置，單跨跨徑為30 m，采用單箱室結構，箱梁寬度為12.15 m，梁高為2 m，節段預制拼裝梁典型斷面構造見圖1。節段預制拼裝梁劃分見圖2。

圖1 節段預制拼裝梁典型斷面構造圖(單位：mm)

圖2 節段預制拼裝梁節段劃分(單位：mm)

如圖2所示，單跨箱梁共分為13個節段，節段兩端設置凹凸交替的混凝土剪力鍵，并在接縫界面上涂刷環氧黏結劑，通過壓力使各節段黏結成為整體。橋梁按全預應力混凝土構件設計，在箱梁內部設置8束φs15.20-27(31)體外索，通過對其張拉以提供連續梁結構預壓力。

預制節段采用C50混凝土澆筑；體外索采用單絲環氧預應力無黏結鋼絞線，轉向器采用散束式轉向器；單股鋼絞線標準強度1 860 MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa，張拉控制應力為60%標準強度；環氧黏結劑抗壓強度12 h時不小于40 MPa，抗壓強度7 d時不小于80 MPa，抗折強度7 d時不小于40 MPa。

2 模型設計

依據相似理論對預制拼裝箱梁實橋進行模型設計，取受力相對不利的中跨作為研究對象。為真實反映實橋受力情況，且試驗荷載不致于過大造成加載困難，確定模型在高度、長度，以及寬度方向取1∶3的比例尺，同時模型截面取實橋箱形截面的一半，設計為左右對稱的工字形截面。最終模型縱向長度約為10 m，梁高為0.667 m、寬為1.933 m。

模型混凝土、鋼筋及鋼絞線材料與實橋完全一致。體外預應力束設計按與實橋效應一致為原則，縮尺后采用四孔預應力束布置。錨塊、轉向塊、接縫及剪力鍵等細節部位與實橋一致，尺寸嚴格按照1∶3比例進行縮尺，模型尺寸和節段劃分示意見圖3。

圖3 模型尺寸和節段劃分(單位：mm)

3 疲勞荷載

通常來說，進行構件的疲勞研究，首先要確定構件在運營壽命下的疲勞荷載。橋梁疲勞荷載一般考慮橋梁結構運營時各種實際車輛通行情況，在此基礎上進行車輛對橋梁造成的累計損傷計算得到。而新建橋梁由于缺乏交通資料，往往是根據地區地理位置及發展規劃進行交通量預測，或者根據情況類似的已建成橋梁進行交通量調查，采用疲勞累計損傷理論，以評判橋梁在設計壽命期內抗疲勞能力[1]。

國外規范(美國公路橋梁設計規范AASHTO、英國橋梁設計規范BS5400、歐洲規范Eurocode1)中均給出了關于公路橋梁疲勞荷載的規定。而早前在國內，公路橋梁規范均未對疲勞荷載計算作出具體規定，僅在JTJ 025-1986 《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》中提到：“驗算疲勞強度時，可根據橋梁實際行車情況，選用實際經常發生的荷載組合中的車輛荷載進行計算。”直到在JTG D60-2015 《公路橋涵通用設計規范》中，才詳細給出了3種標準車模型，以供橋梁相關構件進行疲勞荷載計算，為橋梁疲勞設計提供依據。本文分別對各國規范的疲勞荷載譜進行歸納及對比分析，以確定本項目的疲勞荷載取值，作為抗疲勞理論分析及荷載試驗的依據。

3.1 BS5400疲勞荷載譜

BS5400將公路荷載譜分為3種類型：典型車、標準疲勞車、軸重車。其中典型車是以英國20世紀70年代對本國公路干線運營交通量調查為依據，將車輛分為25種車型。同時規定這25種典型車的車重、軸距，以及出現的頻率，以此作為橋梁疲勞荷載的依據。標準疲勞車由典型車簡化而來，通過對典型車活載頻值進行應力變幅計算，最后等效為一種“標準疲勞車”，該標準車軸重80 kN，采用4軸，總重為320 kN。軸重式車輛主要是針對影響線很短的構件(比如橋面板)，車輛每個軸重加載都會產生一個應力循環，為此BS5400專門提供了一個以軸重形式的活載頻值譜，同時給出每個車道的年運營車輛數和布置位置。

3.2 AASHTO疲勞荷載譜

AASHTO疲勞設計指導性規范中給出了一種貨車加載車作為標準車用于疲勞檢算，該疲勞車采用3軸，總重為325 kN。不過該規范沒有給出通用的荷載頻值譜，而是規定疲勞加載的荷載頻率應取單車道日平均貨車交通量(ADTTSL)，在缺乏資料的情況下，該值建議按下式計算：ADTTSL=P×ADTT。式中：ADTT為橋梁在設計壽命期內單向日平均貨車量；P為多車道橋梁在單車道內貨車交通量的占比。

3.3 國內疲勞荷載規定

JTG D60-2015 《公路橋涵設計通用規范》規定，在疲勞檢算時可按3種計算模型進行。計算模型I采用等效的車道荷載，集中荷載為0.7Pk(Pk為集中荷載標準值)，均布荷載采用0.3qk(qk為公路車道荷載均布荷載標準值)，同時采用該計算模型應考慮多車道的影響；該模型對應于無限壽命設計方法。計算模型II采用雙車模型，兩模型車軸距與軸重相同，總重均為405 kN，其單車的軸重和軸距布置見圖4。計算模型III采用單車模型，其單車的軸重和軸距布置見圖5。該計算模型III車重最重，輪數較少，適用于正交異性板、橫隔板(梁)、縱梁等直接承受車輪荷載構件的疲勞驗算。

圖4 疲勞荷載計算模型II

圖5 疲勞荷載計算模型III(尺寸單位：m)

3.4 疲勞試驗荷載計算

從上文可以看出，各國都是根據本地區的實際情況，提供各種標準車荷載用于疲勞檢算。通過對比，我國公路橋規的計算模型II疲勞加載標準車的軸重最大，可以認為相同次數的循環加載下結構產生的應力幅可能最大，受力最為不利。因此，在進行本文項目節段預制拼裝梁抗疲勞分析時，采用國內公路橋規規定，結果偏于安全。

在進行疲勞檢算時，首先以預制拼裝箱梁跨中彎矩為目標，求得該位置彎矩影響線,見圖6。

圖6 節段預制拼裝梁跨中部位彎矩影響線

由圖6可見，加載車輛通過橋梁時，跨中部位將經歷1次應力循環。在此基礎上，分別施加規范中模型I與模型II對應的車道荷載，可計算得到跨中部位彎矩幅值。另外，為保證偏于安全，取最大彎矩幅值作為疲勞試驗依據。通過計算得到模型I、II加載后對應的彎矩幅分別為6 138.6，2 449.2 kN·m。因此，取6 138.6 kN·m作為疲勞試驗荷載依據。

4 疲勞理論分析

4.1 混凝土抗拉、抗壓疲勞問題

對于全預應力混凝土結構構件來說，在設計使用荷載作用下，混凝土上、下緣均不會出現拉應力，更不會出現開裂[2]。因此，本結構混凝土無抗拉疲勞問題。

對于混凝土的抗壓疲勞性能，研究者通常通過大量的試驗，根據試驗結果并通過概率統計的方法將試驗結果組織成簡單易用的形式，常見的有S-N曲線等。同時研究得到，只要混凝土構件最大壓應力不超過某個規定限值，即可滿足耐久性要求。另外，混凝土構件疲勞強度還與荷載特征有關，即重復荷載下限值σmin與上限值σmax之比ρ(荷載循環特征系數)有關[3]。鐵道部科學研究院[4]曾通過試驗測得抗壓疲勞強度為(0.55～0.65)fck，對于較低等級的混凝土，則為(0.4～0.5)fck。在國外研究成果中，也較多以混凝土疲勞極值的形式以供參考。比較典型的有瑞士洛桑橋梁與結構工程協會(IABSE)報告[5]，給出受壓混凝土疲勞壽命的計算式，其中當σmin=0，N=200萬次時，推斷出受壓疲勞強度為0.63fck。

通過橋梁整體分析，本文研究的結構在使用階段受壓區混凝土最大壓應力為11.8 MPa，約為0.36fck，小于上述國內外研究成果的疲勞強度相關限值。另外根據GB 50010-2010 《混凝土結構設計規范》中表4.1.6規定，混凝土抗疲勞強度設計值按強度設計值乘疲勞強度修正系數γρ確定，其中γρ與疲勞應力比值ρc(構件疲勞檢算時，截面同一纖維上混凝土的最小、最大應力)相關。由于本文結構受力以恒載為主，在考慮疲勞等效荷載后，在跨中位置的疲勞應力比值ρc遠大于0.5，即抗疲勞強度設計值無須折減。因此，綜合分析得到節段預制拼裝梁混凝土抗壓疲勞性能是滿足相關要求的。

4.2 體外預應力鋼絞線疲勞問題

體外預應力鋼束一般在橋梁兩端錨固，并通過在橋跨特定位置布置轉向器，使其參與并提高結構承載力。在汽車活載作用下，梁體下撓變形使得體外束長度發生變化，進而導致鋼束應力變化。待汽車活載卸載后，鋼束應力則回歸到原應力水平，這個過程即為應力循環。

在國外體外預應力疲勞研究方面，國際預應力混凝土協會FIP建議[6]，帶錨具的整根預應力筋在上限應力σpmax=0.65fptk和循環次數N=2×106的條件下，能經受的應力幅度Δσp應不低于80 MPa。美國ACI215委員會建議，預應力筋σpmin在達到抗拉極限強度的60%時，在重復荷載作用下，鋼絞線的應力變化幅度不得超過0.10fptk(若按標準預應力鋼筋強度標準值1 860 MPa，該幅值為186 MPa)。在國內，長沙鐵道學院[7]于1987年曾開展過7φs5鋼絞線的不同應力幅的疲勞試驗研究，其上限應力σpmin采用鐵路橋規規定的最大值0.65fptk，應力幅Δσp分為采用50，100，150，200，250 MPa，通過2×106次循環荷載加載的鋼絞線，其應力變化幅度基本在150 MPa以下，這與美國ACI215規定0.10fptk較接近。

一般認為，體外預應力束在各個自由段(即錨固點與轉向塊之間區域、轉向塊與轉向塊之間區域)內的應力值相等，活載應力變幅相對于體內束是小的。國內外均有研究表明[8]，在典型體外預應力橋梁中，體外預應力束的活載應力變幅要小于25 MPa。結合本橋，通過計算體外束的應力幅值為15 MPa，該值與前文研究成果基本相符。另外，JT 329.2-1997 《公路橋梁預應力鋼絞線用錨具、連接器試驗方法及檢驗規則》要求，鋼絞線錨具組裝件應能經受住200萬次的疲勞試驗，疲勞幅為80 MPa，也遠大于本研究對象的體外束應力幅15 MPa。因此，可以認為本橋預制拼裝箱梁體外預應力鋼絞線的抗疲勞能力具有較大余量，不控制結構的長期耐久性。

5 疲勞試驗

雖然從理論分析上，排除了結構各組成材料單獨出現疲勞破壞的可能性，但考慮到在運營過程中是否出現局部應力重分布，或者3種材料作為一個整體，是否出現疲勞損傷，還需進一步驗證，因此有必要開展節段預制拼裝試驗梁模擬疲勞試驗。

5.1 試驗加載

依據相似理論，將前文疲勞彎矩幅計算值6 138.6 kN·m，換算到模型為113.7 kN·m。由于無法直接施加彎矩，可通過對跨中施加豎向力實現。同時為保證跨中承受純彎矩受力，采用兩點加載。為使試驗結果偏安全，將該豎向力乘以1.2倍的安全系數。試驗在MTS-1000 kN萬能試驗作動器下進行，加載次數為200萬次。加載示意圖見圖7。

圖7 節段預制拼裝試驗梁模擬疲勞試驗加載示意圖(單位：mm)

5.2 試驗結果

疲勞試驗測點主要針對跨中、跨中接縫附近(距接縫100 cm)等典型斷面，測點布置見圖8。由于測試數據較多，本文僅給出2號接縫頂板縱向應變數據予以說明。測點每隔約20萬次的應變變化見圖9，200萬次加載后測點的應變荷載曲線見圖10。

圖8 節段預制拼裝試驗梁測點布置圖(單位：mm)

圖9 2號接縫各測點每隔約20萬次的應變變化

圖10 200萬次加載后測點應變荷載曲線

從圖9、圖10可以看出，2號接縫頂板附近各測點在每隔20萬次疲勞荷載加載下，應變變化較小，基本呈水平直線狀。在經過200萬次加載后，測點應變與荷載應變呈現良好的線性關系，表明結構力學特性并未隨循環次數的增加而發生明顯改變，仍處于彈性受力狀態。

試驗結束后經全面檢查，節段預制拼裝模型結構也未見明顯受力裂縫和缺陷，進一步驗證了該結構具有足夠的抗疲勞性能，滿足設計要求。

6 結論

1) 對比分析國內外規范關于疲勞荷載的計算方法，表明我國公路橋規提供的計算模型II軸重最大，相同次數的循環加載下結構產生的應力幅最大，受力最為不利，最適宜作為節段預制拼裝梁疲勞試驗疲勞荷載計算依據。

2) 通過理論分析，體外預應力節段預制拼裝梁包含的混凝土和鋼絞線等構件抗疲勞能力具有較大余量，不控制結構的耐久性。

3) 模型在200萬次疲勞加載后,各部位均未發現疲勞裂紋,模型的力學特性未隨循環次數的增加而發生明顯改變，驗證了體外預應力節段預制拼裝梁結構疲勞設計的合理性和安全性。