節段預制拼裝橋梁接縫疲勞性能分析

王 俊

（中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300450）

1 研究背景

目前，橋梁各段拼接主要采用預應力拼裝技術[1]。該技術將梁體沿縱梁分塊，對預制段或加工段進行預應力拼裝使各個節段相互連接，從而使之達到要求的結構強度[2-3]。由于焊接接縫易出現焊接缺陷，在空間長期復雜受力情況下，焊接接縫區域的疲勞性能會發生很大變化。而列車運行時長期產生動載荷作用，同時大風、地震、海嘯等自然災害因素不斷影響，接縫經常出現疲勞現象[4]。在長期壓力作用下，疲勞接縫會不斷地向斷層延伸，造成結構損壞甚至倒塌。接縫是預制構件的一種特殊結構形式，也是其薄弱環節，因此為保證節段預制拼裝橋梁的穩定性和可靠性，需對預制節點的疲勞性能進行分析與研究。

2 節段預制拼裝橋梁接縫承載力分析

根據節段預制拼裝橋梁的特點，用兩點加載方法研究其節點的承載能力。在純彎曲受力情況下，將模型梁的中心作為連接點；在彎曲剪切耦合受力情況下，將節點設置在加載點外，通過調節節點位置實現節點設計剪跨比[5]。下文對接縫受力加載情況展開詳細分析。

2.1 接縫受力加載

2.1.1 彎曲受力加載

在純彎曲受力情況下，節段預制橋梁中心節點下緣隨荷載的增大而張開導致開裂，產生彎曲裂縫。隨著荷載增加，裂紋沿縱向發展，裂紋寬度增大，最終形成破壞裂紋[6]。接縫處橋梁混凝土在達到極限強度時被壓碎，受拉區域內的預應力筋達到屈服強度，但接縫外未屈服。因此，彎曲受力加載對接縫破壞影響程度不大。

2.1.2 彎剪耦合受力加載

在彎曲剪切耦合受力情況下，預制段橋梁接縫隨荷載的增大而張開，從而產生裂紋。在接縫面連續加載后，裂縫垂直上升，最終壓碎接縫面混凝土并破壞梁體。極限壓應變比純彎曲破壞小得多，且破壞模式與純彎曲破壞相似。在縱向裂紋破壞過程中，箍筋的使用對接縫強度沒有產生影響，箍直點受力遠遠小于屈服強度，因此彎剪耦合受力加載對接縫破壞影響程度一般[7]。

2.1.3 直剪受力加載

在直剪受力情況下，預制段橋梁接縫處的鍵齒接縫出現錯位，從而形成裂紋[8]。隨著直剪受力荷載不斷增加，腹板粘結根部中央出現豎向裂縫，隨后上下粘結根部也相繼出現裂縫。裂縫隨垂直方向擴展，形成相互貫通的發展形態，最終這些裂縫逐漸連接，直至完全切斷腹板上鍵齒，因此直剪受力加載對接縫破壞影響程度較大。

2.2 承載力分析

在預制裝配式橋梁受載節段預制接頭彎曲承載力、彎剪耦合力、直剪力確定后，進行彎曲、彎剪耦合力和直剪力分析，為疲勞損傷非線性累積規律研究提供依據[9]。

2.2.1 彎曲承載力

預應力全截面混凝土梁節點受彎曲承載力的作用，板端混凝土的強度會比其他部位的強度低，造成壓縮混凝土的早期坍塌，降低接縫截面承載能力[10]。

2.2.2 彎剪耦合承載力

由于連接彎剪區混凝土在正應力和剪切力的共同作用下，發生了二維應力斷裂，未達到混凝土單軸抗壓強度標準值，因此連接剪切區混凝土在正應力和剪切力的共同作用下，未達到其彎曲、剪切耦合力[11]。

2.2.3 直剪承載力

當節點處剪力值不斷增大時，相鄰節點段發生滑移，混凝土剪切受壓部位高度不斷降低。接合部與接合部節段之間的相對滑移導致接合部界面不平，造成接合部之間同時滑移的垂直錯位現象。跨徑頭部表面預應力筋受軸向拉伸的拉力作用，拉力提供了一種外部夾緊力，將同樣的壓力作用于混凝土接縫的壓縮區域，從而為混凝土在壓裂區域的滑動提供了摩擦力。在預應力鋼筋受拉屈服時，接縫抗滑移承載力隨相對滑移的增大而減小，這時接縫處再次產生剪力，導致直剪破壞。

3 疲勞損傷非線性累積規律

在分析預制橋節段連接節點承載力的基礎上，確定節點承載能力及其破壞機理，以此研究節段預制拼裝橋梁接縫疲勞損傷的非線性累積規律。通常情況下，接縫疲勞損傷方程為：

式（1）中，δ為橋梁銜接點承載力；D為疲勞因子；Δσ為某接縫點處的荷載循環應力變化幅度；為在疲勞試驗周期內，最大應力與最小應力的平均應力值；N為荷載次數。

當荷載作用不斷增加時，疲勞損傷也會不斷累積，直至出現裂紋，由此建立考慮應力幅的疲勞損傷演化微分方程，公式為：

式（2）中，a為荷載循環特征因子；p、q為溫度參數，該微分方程是混凝土接縫疲勞性能分析的依據。

以半無限彈性體的節段預制拼裝橋梁為例，其分段預制件為混凝土結構，間隙寬度一般為混凝土的土層厚度。彈性模量和泊松比在混凝土材料中是一樣的，研究表明，在這種情況下，節點傳力很弱，可以作為兩端固定的混凝土梁結構來處理。考慮到混凝土層較薄，可以假設混凝土層在特定截面拉力作用下，其應力與應變呈線性關系。

4 接縫疲勞性能分析

根據節段預制拼裝橋梁接縫受到彎曲承載力、彎剪耦合承載力和直剪承載力影響而呈現的線性分布規律，進行接縫疲勞性能分析。

4.1 初始接縫長度和臨界尺寸

為估算疲勞接縫的延伸壽命，需要確定疲勞臨界接縫尺寸以及其受給定彎曲承載力、彎剪耦合承載力和直剪承載力的影響。最大循環應力下的接縫韌性Kmax計算公式如下：

式（3）中，f為節段預制拼裝橋梁接縫結構參數；δmax為最大循環應力；ac為橋梁接縫承載力；Kc為接縫韌性。由焊接缺陷引起的細小接頭屬于疲勞接頭的裂紋長度，研究發現節段預制橋梁接縫的疲勞程度與應力強度因子的幅度有關。

4.2 應力強度因子幅度計算

在多軸非比例循環荷載條件下，可將預制構件的彎曲、彎剪和直剪進行組合應力強度因子幅度分析。由于預制橋接縫的軸向應力比彎曲應力大得多，一般可考慮軸向應力對接縫截面的影響，彎曲、彎剪和直剪的非比例循環荷載如圖1所示。

采用循環計算法計算循環應力時程，首先提取接縫的循環應力幅值，然后通過對節點有限元進行分組，求出各節點的應力強度因子幅度。通過插值法可計算出有限組不同長度接縫的應力強度因子幅度，從而可求得任意長度接縫的應力強度因子幅度。

由于節點處于非比例負載下，所以應考慮混合節點擴展模式，計算等效應力強度因子幅度。設彎曲承載力、彎剪耦合承載力和直剪承載力對應的應力強度因子幅度分別為ΔK1、ΔK2、ΔK3，等效應力強度因子幅度計算公式為：

結合公式（4）可以計算預制橋梁的不規則接縫應力值，在疲勞分析中，對于變幅加載情況，應先用循環計數法計算各周期的應力強度系數，再分別用有限元模型對橋梁強度進行計算。應力強度因子幅度是反映接縫疲勞強度的重要參數，當疲勞接頭為零時，膨脹范圍趨于最小；當應力強度因子幅值小于最低幅值時，可以認為節段預制橋梁接無縮縫。

4.3 疲勞接縫擴展壽命計算

在已知節段預制橋梁結構的初始連接尺寸、疲勞荷載譜及連接延長參數下，使用循環計數方法計算應力強度因子幅值，通過與數據庫中的應力強度因子幅值進行對比分析，確定在應力強度因子幅值大于最小值時，接縫發生膨脹。循環累積疲勞損傷，直到橋梁拼裝處發生斷裂為止，分析接縫的疲勞伸縮壽命。詳細步驟如下。

步驟1：對節段預制拼裝應力時程的循環應力幅進行統計，采用循環計數方法，并將其進行分組。

步驟2：在各種應力作用下，建立有限元模型，計算不同節理長度的應力強度因子幅值，并建立應力強度因子幅值數據庫。

步驟3：根據節理初始尺寸，通過數據庫內插法計算出第1組（按步驟1中的分組）應力的應力強度因子幅值。在應力強度因子幅值大于最小值時，接縫發生膨脹。

步驟4：在接縫長度方面，第2組（按步驟1中的分組）中不同節理長度的應力強度因子幅值與步驟3中新接縫的長度相同。

步驟5：對N組的應力強度因子幅值進行計算，重復步驟3和步驟4，求出下一期新接縫的尺寸，重復這一過程，直至N組接縫膨脹值計算完畢。根據該模型，計算預制橋梁在初期運營階段節點的點擴展長度。

步驟6：在下一次動荷載作用下，預制橋面接縫的初始接縫為步驟5的新接縫。經過反復重復步驟1至步驟5，損傷在不斷循環累積，直到橋梁拼裝處發生斷裂為止。

按以上步驟，可計算出接縫由最初連接尺寸到最終連接尺寸的伸縮周期，即接縫的疲勞伸縮壽命。

5 實例分析

以某座軌道交通跨湖大橋為例，其主通航孔是4 m×120 m的連續鋼橋。橋接縫節點采用工廠整體焊接和現場拼接裝配，為簡化計算，以大懸臂三截面膠結梁為算例，對節點荷載-位移特性進行分析。

有蓋梁的鋼梁及截面結構如圖2所示。按照JTJ 052-2000《 公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》的要求，將試件卷成砂輪，切成380 mm×63.5 mm×50 mm小梁。利用統一威脅管理（UTM）試驗機測得小梁的抗拉疲勞性能。控制正弦載荷的四點應變，負載頻率為10 Hz，測試溫度為0℃。

接縫A、B、C3點的荷載-位移曲線分析結果如圖 3所示，由圖可知：接縫A、B、C的荷載-位移分析結果與實際結果整體趨勢保持一致，存在一定偏差，最大荷載偏差在接縫A點0.9 mm位移處出現，最大荷載偏差為80 N，在允許偏差范圍（100 N）內。

6 結論

本文提出節段預制拼裝橋梁接縫疲勞性能分析方法，可得出以下結論。

（1）連接節點的承載能力由與彎曲承載能力、彎剪耦合承載能力和直剪承載能力有關的曲線確定。

（2）隨著節點截面破壞和法向應力降低，混凝土剪切帶高度增加，節點抗彎承載力下降，但仍有較大的抗彎力。當剪切帶高度等于截面高度時，節點的直剪承載力保持不變，彎曲承載力逐漸下降。

（3）節段預制拼裝橋梁接縫的強度等級、接縫處理和彎曲角度對節段預制拼裝橋梁接縫的承載能力有重要影響。該連接方式具有很強的抗直剪破壞能力，彎剪耦合性能好。

（4）用循環計數法計算預制段橋梁節點的循環應力幅值，將應力強度因子的幅值進行分組，解決了節段非比例荷載作用下橋梁結構的應力強度因子幅值計算問題。