西南山区既有公路预钢混桥梁疲劳使用安全评估

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摘要：许多钢筋混凝土结构，如公路桥梁，长期承受重复荷载的作用，从而导致结构材料在低于静载强度下发生疲劳破损或失效。因此在这些钢筋混凝土结构设计中，必须考虑重复荷载引起的疲劳问题。本文针对既有钢混桥梁疲劳破坏原理，进行疲劳荷载分析，并结合基于材料S-N 曲线的疲劳损伤累积准则和基于断裂力学方法的桥梁剩余寿命评估方法，应用于实际公路钢混梁桥的疲劳寿命评估。

关键词：桥梁工程既有钢混桥梁 疲劳使用 安全评估

中图分类号：K928文献标识码： A

引言

目前西南山区许多既有桥梁在长期荷载的反复作用下，已进入疲劳状态，这意味着当前急需计算该类桥梁结构的剩余寿命，以便于既有桥梁疲劳使用寿命的评估和维护决策的制定，如在役桥梁的使用安全性能评估，旧桥的维修、加固[1]等问题。

1、研究背景

直到上世纪60年代，混凝土结构仍是按容许应力法进行设计。由于结构的容许应力水平较低，在当时很少发生因为疲劳而破坏的混凝土结构的工程实例。故而混凝土结构引起疲劳问题并未像钢结构中的疲劳问题受到重视。但是随着使用要求的发展，钢筋混凝土的结构设计开始逐步采用高等级混凝土、高强钢筋做材料，通过充分利用材料自身强度的极限状态设计方法，使得结构保持在高应力工作状态；同时随着结构恒载的减轻，循环活载在荷载系统中所占比例则越来越大，这一改变使混凝土结构的疲劳成为工程中至关重要的问题[2]。

现今的桥梁设计思想已将材料的强度、结构的承载力进行了充分的考虑，但却发现在正常运营期，许多按照规范抗裂度要求设计的混凝土桥梁中出现了裂缝。这些裂缝在车辆荷载的反复作用下不断的扩展，影响桥梁结构在正常运营期间的承载能力和耐久性，导致桥梁结构在使用期间质量逐渐下降，偏离设计要求。由此可见，疲劳问题导致的构件断裂问题尚待充分研究。

2、钢筋混凝土结构的疲劳破坏原理

在重复荷载的作用下，在钢筋和混凝土结构内部都存在着不同程度的残余应变，随着这种残余应变的不断积累，钢筋与混凝土两种材料间的粘结力将不断遭到破坏。钢筋混凝土结构带裂缝工作导致内部的产生次内力、次应力，结构的安全可靠度随之不断降低，最终造成结构不能再承受既定极限荷载而产生疲劳破坏。由于钢筋混凝土结构的受力情况十分复杂，因此要准确的进行定量计算是非常困难的。

在循环荷载作用下，在进行疲劳应力计算时，假定受压区混凝土和受拉区钢筋均为弹性变形，因此需要满足一下几个基本条件：

（1）受弯区横截面保持平面；

（2）不考虑混凝土的抗拉承载力，即全部拉力由钢筋承担；

（3）受压区混凝土截面的法向应力图形应为三角形。

前两个假定是为了与静力计算保持相同；第三个假定表现出了疲劳验算与强度验算的不同之处，因为材料处于线弹性阶段，且疲劳破坏的应力值小于其屈服强度。

3、疲劳荷载分析

3.1 荷载分析

混凝土桥梁结构在车辆动载反复作用下，将会发生的疲劳破坏属于脆性破坏，低于静载承载强度。在分析桥梁的疲劳使用寿命之前，我们需要了解荷载的分布形式及其随时间的变化。

目前我国在城市道路、公路桥梁方面的并没有制定规范规定车辆荷载谱。现行规范中，公路桥梁设计规范仅规定了在验算桥梁的疲劳使用寿命时选用能够代表该桥正常运营期间的交通情况的荷载，没有具体指明的荷载谱的确定方法。因此我国在桥梁疲劳使用寿命设计中基本参考国外的规范如欧洲规范、美国规范等，来选定疲劳车，或是采用强度设计中较重的标准设计活载。

3.2疲劳车的确定

3.2.1 疲劳荷载谱的编制

根据相关文献可知，疲劳荷载谱的编制方法主要有两种，即实测法与模拟法。

实测者能更加可靠地制定出与桥梁实际运营情况相符合的应力谱，但其缺点是其工作量较大，需长期进行现场观测，通用性较差。模拟法采集数据所需时间相对短，但是需要模拟的信息较多，包括车型、车间距、轴重和轴距等，此外由于荷载是模拟而非实际测得的，准确性相对较差。

3.3.2 确定疲劳车的方法

疲劳车是指在公路桥梁的日常交通调查统计中根据车型、车重、车距等数据，通过疲劳损伤等效原理做出的能够代表该桥梁正常运营期间常见荷载的车型，使推算出的疲劳车在结构上所造成的疲劳损伤等效于实际测得的在一天内通过的车辆对结构所造成的疲劳损伤。

具体确定步骤如下所示：

（1）采用动态称重系统，简称WIM测得桥梁的运营期日常交通量。

（2）分析所测得的日常交通数据，比较各车型所占的比例，并统计各车型的总重、轴重、车间距、轴间距的分布类型，选取比例最大的车型做疲劳车模型，并结合其分布确定轴重、轴间距等一系列特征值。

（3）计算桥梁结构控制截面中的弯矩影响线和最不利加载情况下的横向分布系数。

（4）将动态称重系统所测得的日常交通量、假设的疲劳车车流分别加至影响线上，结合平截面假定，计算出其应力谱。

（5）计算出应力谱的等效应力幅。

（6） 比较疲劳车流计算所得的等效应力幅与根据实际车流计算的等效应力幅，若两者相差较大，返回第二步重新确定疲劳车车流的特征值。

4、疲劳寿命评估的常用方法

为了确保既有桥梁的安全可靠度，必须准确地评估桥梁结构的剩余使用寿命及安全度。桥梁的疲劳问题成因十分复杂，因此想要精确地预估桥梁的疲劳寿命是极其困难的。首先汽车动载是随机谱，与实际的交通运输流量密切相关，故很难得到精准的荷载作用谱；其次结构材料的 S-N 曲线需要经过大量的实验数据验证获得；最后，不同的桥梁具体适用情况也不同，选择适合的疲劳损伤理论便极其重要。目前，国内、外关于疲劳使用寿命的预测方法有很多，归纳起来主要有以下两类[3~4]：

第一类为传统的使用寿命评估方法。首先需要通过大量实验数据验证得到材料的 S-N 曲线，再按照累积损伤理论进行评估。常用的方法包括――名义应力法、局部应力应变法。名义应力法是由荷载谱求出名义应力谱，再结合相应的材料 S-N 曲线及疲劳累积损伤法来预测结构的疲劳寿命。与此相对，局部应力应变法认为，疲劳破坏是由于应力集中处要产生一定的塑性形变，这是疲劳裂纹形成和扩展的前提条件，也是决定结构或构件疲劳使用寿命的关键。桥梁工程中存在的疲劳问题多属于高周疲劳问题，且应力值一般不超过屈服极限值，因此基本采用名义应力法对桥梁结构进行疲劳使用寿命的评估。

另一类是从断裂力学的角度出发，并提出了应力强度因子的概念。由于材料内部存在初始裂纹，当结构受到加载时，在裂纹端部区域由应力强度因子 K 来决定，载荷强度增加，应力强度因子 K 也就随之增加，当载荷强度增大到某一临界值时，应力强度因子 K 也随之达某一临界值，故裂纹扩展。

5、结论

随着西南山区既有公路桥梁使用年限不断提高和交通量日益增大, 桥梁结构车辆动载作用下所形成疲劳累积损伤也日趋严重，因此分析公路桥梁在动载反复作用下的结构疲劳使用可靠性很具有现实意义[5]。综上所述，本文针对既有钢混桥梁疲劳破坏原理，进行疲劳荷载分析，并结合基于材料S-N 曲线的疲劳损伤累积准则和基于断裂力学方法的桥梁剩余寿命评估方法，系统地分析了公路桥梁疲劳使用安全可靠性。

参考文献

【1】JTJ/T J22- 2008 公路桥梁加固设计规范[S].北京：人民交通出版社，2008年；

【2】常大民, 江克斌著. 桥梁结构可靠性分析与设计. 北京: 中国铁道出版社, 1995；

【3】沈祖炎等. 结构累积损伤分析的研究现状和存在的问题. 上海: 同济大学学报, 1997；

【4】王小虎.岩石断裂的研究现状浅析[J].四川地质学报，2007，；

【5】李干. 既有混凝土桥梁的疲劳寿命和使用安全评估研究[D].长安大学硕士学位论文，2011；