橋梁疲勞試驗加載方案簡析*

傅俊磊，洪 華，曹素功，田 浩

（1.浙江省交通運輸科學研究院，浙江 杭州 310023；2.浙江省道橋檢測與養護技術研究重點實驗室，浙江 杭州 311305）

在目前的橋梁設計和施工過程中，橋梁模型試驗是驗證新材料、新結構、新工藝的常用方式，得到了廣泛的應用。采用一定比例的縮尺模型，模擬橋梁原型的局部或全部特征，在試驗機中施加對應工況的荷載，所獲得的數據和結果可以推算至原型結構上[1]。模型和原型相比，其結構、材料、工況等因素相似程度越高，試驗結果的針對性和準確性也相應越高，能推算出更真實的原型數據。橋梁在外界荷載的反復作用[2]下，疲勞損傷不斷累積，對其耐久性和使用壽命產生影響[3]，對橋梁結構疲勞性能的研究很有必要。如何合理地設計疲勞試驗，確定模型和試驗工況[4]，是開展疲勞試驗的重要前提。

諸多學者開展了不同類型的疲勞試驗。劉占宏[5]以風溝公路橋梁為研究對象，采用馬爾科夫鏈預測方法對其車輛荷載情況進行預測，研究表明鋼筋混凝土梁總疲勞壽命約為150 萬次，低于規范規定的200 萬次。樊素[6]以中小跨徑公路橋梁三路居橋為研究對象，采用ANSYS 軟件建立該橋車輛荷載模型，計算該橋的疲勞應力，同時開展了縱筋腐蝕梁等幅疲勞試驗，研究結果表明試驗梁極限循環次數大幅度下降，接近甚至小于200 萬次。王立成等[7]利用MTS 疲勞試驗機和相關輔助加工設備，對施工縫施加水平和垂直荷載，進行了靜載和先后兩次200 萬次不同荷載幅值的疲勞試驗。余志武等[8]研究了重載鐵路橋梁12 片1/6 縮尺模型試件的疲勞加載試驗，結果表明橋梁容許疲勞壽命為275～325 萬次，極限疲勞壽命為350～450 萬次。劉忠平等[9]設計了2 根預應力型鋼筋混凝土梁，開展了靜載破壞試驗和實橋等效應力水平的疲勞試驗，疲勞試驗加載過程為先進行200 萬次疲勞加載后進行靜載破壞。陳開利[10]開展了2 片鋼筋混凝土梁和6 片用碳纖維布加固的鋼筋混凝土梁的模型試驗，研究結果表明采用碳纖維加固的鋼筋混凝土梁經過200 萬次疲勞加載后的抗彎承載力明顯提高。張興虎等[11]用碳纖維布加固1∶4 縮尺比的普通鋼筋混凝土梁和預應力鋼筋混凝土梁，并開展了疲勞試驗研究，加固后的混凝土梁經過200 萬次疲勞加載后強度和剛度未降低。趙金鋼等[12]設計并制作了1 根長吊桿和1 根短吊桿并進行足尺模型疲勞試驗和承載力試驗，其加載方案為先進行200 萬次疲勞荷載循環加載后進行靜力拉伸試驗。

1 試驗設備

MTS 電液伺服高性能結構測試系統（見圖1），由主機、泵站、伺服控制系統、計算機與軟件系統、試驗輔具、冷卻以及管路系統等組成，可對民用土木工程設施領域內的材料和結構進行精確的大載荷、大位移、滿尺度的靜態和動態力學特性測試。

圖1 電液伺服高性能結構測試系統

大型液壓伺服加載系統（見圖2），由作動器、液壓油源、數據采集與分析工作站、輸油管線系統、油源冷卻系統等部分組成，其主要應用于結構實驗室大尺度、大比例橋梁結構模型動靜力加載和疲勞加載破壞試驗。

圖2 大型液壓伺服加載系統

HBM 數據采集儀（見圖3），從傳感器和其他待測設備等模擬和數字被測單元中自動采集信息，通過模塊化硬件、應用軟件和計算機的結合，測量電壓、電流、應變、溫度、壓力或聲音等物理現象。數據采集儀整合了信號、傳感器、激勵器、信號調理、數據采集設備和應用軟件等。

圖3 數據采集儀

試驗所得數據可用于分析各種設施結構基本構件和結構型式的連續疲勞、抗壓、抗風、抗雪等工況，為各類民用工程領域內的材料和結構選型、設計、施工提供了設計參數和實驗標準。

2 橋面板疲勞加載試驗方案

2.1 橋面板縱向連續構造疲勞加載試驗

本試驗以2 片預制主梁的橋面板縱向連接段為研究對象，進行足尺節段模型設計。以橋面板連續段支承在梁肋上的現澆部分的受力等效為原則進行試件加載方案的設計，保證原型結構與試驗結構的橋面板連續段受力狀況一致。

為了考慮最不利的受力情況，試驗加載達到的內力按混凝土鉸形成前的狀況確定，以對橋面板連續段形成最大的正負彎矩；橋面板連續段承受的軸向拉力，考慮最不利狀態下支座最大摩阻力來計算；橋面板連續段承受的彎矩，按照永久作用產生的恒定彎矩值與活載產生的正彎矩和負彎矩值來施加。為了模擬實際情況，實現不同活載對試件作用不同的次數，將疲勞加載分為五個加載階段：第一階段，作用于試件永久作用彎矩值與車輛荷載產生的變化彎矩值；第二階段，在第一階段的基礎上加上橋面降溫產生的彎矩值；第三階段，在第一階段的基礎上，將車輛荷載產生的彎矩效應提高25%；第四階段，在第一階段的基礎上，將車輛荷載產生的彎矩效應提高50%；第五階段，在第一階段的基礎上加上橋面升溫產生的彎矩值。

通過疲勞機對試件進行豎向加載，整個試驗加載可分為以下幾個過程：

（1）預加載。疲勞機豎向施加10kN 的荷載，消除連接處的不良接觸，檢查測試系統數據是否正常，校正儀器準確后卸載。

（2）靜載循環。采用分級加載、卸載方式施加拉力與壓力，荷載分級如下：0kN→-50kN→-100kN→-150kN→-168kN→-150kN→-100kN→-50kN→0kN→50kN→61kN→50kN→0kN。重復施加3 次后靜載循環結束。

（3）疲勞加載。采用力控制方式加載，最大向下壓力-168kN，向上拉力61kN，施加固定頻率正弦荷載。第一階段的200 萬次疲勞加載過程是研究的重點，因此需要進行加載制度的細分，當疲勞加載次數分別達到1 萬次、2 萬次、5 萬次、10 萬次、20 萬次、40 萬次、60萬次、80 萬次、100 萬次、200 萬次，停機，按照靜載循環的分級制度施加靜載。

第一階段結束后，按順序進行后續四個加載階段，疲勞機的作用力大小、加載頻率、作用次數列于表1中，其中加載力的正負號代表加載方向，負號表示疲勞機作用向下的力，正號表示疲勞機作用向上的力。

表1 疲勞加載分階段荷載表

如果五個疲勞加載循環后試件沒有破壞，則通過靜力加載至其發生破壞。當出現下列現象時，認為試件發生了破壞：

（1）試件某一根縱筋疲勞斷裂，或受壓區混凝土疲勞破壞。

（2）試件斜裂縫擴展斷裂。

（3）支座處割縫混凝土出現大面積損壞。

（4）錨固鋼筋粘結滑移破壞。

2.2 橋面板接縫疲勞試驗

本試驗以兩片橋面板的后澆連接段為研究對象，進行足尺節段模型設計（見圖4）。基于試驗模型與實際結構的拉應力等效的原則，設計試驗加載工況、施加疲勞荷載。按照結構自重與二期恒載產生的拉應力和疲勞車輛荷載產生的拉應力計算跨中施加的疲勞荷載，將疲勞加載分為三個階段：第一階段，永久作用和車輛荷載作用；第二階段，在第一階段的基礎上，將車輛荷載作用提高50%；第三階段，在第一階段的基礎上，將車輛荷載作用提高100%。

圖4 疲勞試驗加載示意圖

通過疲勞機對試件進行豎向加載，試驗加載可分為以下幾個階段：

（1）預加載。對試件豎向施加1kN 的荷載，消除連接處的不良接觸，檢查測試系統數據是否正常，校正儀器準確后卸載。

（2）靜載循環。采用分級加載施加靜力荷載，荷載分級如下：0kN→2.6kN→5kN→10kN→15kN→21.7kN→0kN。

（3）疲勞加載。疲勞加載的最大力為21.7kN，最小力為2.6kN。采用力控制方式加載，施加固定頻率正弦荷載，循環加載次數為200 萬次，加載頻率5Hz。

第一階段：此階段的200 萬次疲勞加載過程是研究的重點，因此需要進行加載制度的細分，當疲勞加載次數分別達到1 萬次、5 萬次、10 萬次、20 萬次、40 萬次、60 萬次、80 萬次、100 萬次、150 萬次、200 萬次，停機，按照靜載循環的分級制度施加靜載。

第二階段：數據清零后，按照0kN→2.6kN→5kN→10kN→15kN→20kN→25kN→31.3kN→0kN 的分級加載施加靜載，之后施加2.6～31.3kN 疲勞荷載，加載20萬次。疲勞加載完成后，按照第二階段的靜載循環施加靜載。

第三階段：數據清零后，按照0kN→2.6kN→5kN→10kN→15kN→20kN→25kN→30kN→35kN→40.9kN→0kN 的分級加載施加靜力荷載，之后施加2.6～40.9kN疲勞荷載，加載次數與第二階段相同。疲勞加載完成后，按照第三階段的靜載循環施加靜載。

如果疲勞循環加載后試件沒有破壞，則通過靜力加載至其發生破壞。當出現下列現象時，認為試件發生了破壞：

（1）試件某一根縱筋疲勞斷裂，或受壓區混凝土疲勞破壞。

（2）試件斜裂縫擴展導致脆性斷裂。

（3）預制和現澆混凝土連接接縫失效。

（4）錨固鋼筋粘結滑移破壞。

3 墩柱往復加載試驗方案

本試驗以樁與承臺的連接構造為研究對象，基于相似理論，采用1∶3 的縮尺比進行模型設計（見圖5）。基于試驗模型與實際結構的受力等效的原則，豎向荷載由預埋在試件中心的無粘結預應力鋼絞線施加，通過原結構恒載壓力按照縮尺理論進行換算，水平荷載則由作動器施加。試驗采用力-位移混合控制的加載方法，按照施加的水平荷載產生的拉應力是否達到屈服，將加載過程分為兩個階段：第一階段，采用力控的方式進行逐級加載，直到縱筋屈服，通過有限元估算縱筋屈服時的水平荷載，以此確定加載級差；第二階段，在第一階段的基礎上，取屈服位移δ 作為加載級差，采用位移控制的方式，逐級加載直至試件破壞。試驗往復加載時，每級加載3 次。

圖5 往復加載試驗示意圖

通過作動器對試件進行水平加載，試驗加載可分為以下幾個階段：

（1）預加載。對試件施加±5kN 的荷載，消除連接處的不良接觸，檢查測試系統數據是否正常，校正儀器準確后卸載。

（2）力控加載。采用力控的方式進行逐級加載，荷載分級如下：±20kN→±40kN→±60kN→±80kN→…→縱筋屈服。單向加載完持荷5 分鐘，再反向加載持荷5分鐘。

（3）位移控加載。取上一階段縱筋達到屈服狀態時作動器的位移作為加載級差，采用位移控制的方式，分級如下：±δ→±2δ→±3δ→±4δ→…→試件破壞。單向加載完持荷5 分鐘，再反向加載持荷5 分鐘。

當出現下列現象時，認為試件發生了破壞：

（1）試件的縱筋拉斷。

（2）新循環最大加載力達到所有循環最大加載力的85%及以下。

4 結束語

疲勞試驗的模型在與原型采用相同材料、滿足幾何相似、應力相似等條件下，運用結構靜力相似準則計算出試驗所需工況對應的試驗機力值，更進一步，在模型安裝過程中，保證其運動學相似和動力相似，采集到的數據可根據相似關系進行換算得到實際結構的數據。

疲勞試驗的開展宜選取主要研究階段的工況，進行200W 次的疲勞試驗，并于指定次數停機重復靜載循環，記錄整個疲勞過程模型試件的變化。完成主要研究階段工況后，在此基礎上，將不同活載進行組合（如溫度變化產生的荷載）或對活載進行放大，根據實際情況進行不同次數的疲勞加載。如果疲勞試驗結束試件仍未破壞，則施加靜力荷載直至其破壞，獲得極限承載力和破壞過程的相關數據。