鉸接板橋鉸縫疲勞性能試驗(yàn)研究

唐先習(xí)，尹月酉，國 偉，徐 岳

（1.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050；2.山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南250013；3.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安710064）

鉸縫是裝配式鉸接板橋橫向連接的主要結(jié)構(gòu)形式，在鉸接板橋的內(nèi)力傳遞中起著重要的作用。鉸縫的結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式由早期的淺鉸縫發(fā)展為現(xiàn)在的深鉸縫，傳遞的內(nèi)力也由早期設(shè)計(jì)時(shí)只考慮豎向剪力一個(gè)方面發(fā)展為現(xiàn)在考慮豎向剪力和橫向彎矩兩個(gè)方面[1-2]，而且鉸縫內(nèi)部的受力狀態(tài)也發(fā)生了變化。由于荷載的反復(fù)作用導(dǎo)致的疲勞效應(yīng)，使鉸縫內(nèi)部應(yīng)力的發(fā)展規(guī)律變的更為復(fù)雜。

在板橋鉸縫的研究方面，俞博、葉見曙等[3]通過將鉸接板橋比擬成橫向抗彎及抗扭剛度為零的正交異性板，對(duì)鉸接板橋鉸縫的剪力進(jìn)行了計(jì)算分析，得出鉸縫剪力峰值主要與板的截面特性與跨徑有關(guān)。衛(wèi)軍等[4]通過對(duì)空心板鉸縫的耐久性試驗(yàn)及靜載試驗(yàn)，提出了鉸縫協(xié)同工作系數(shù)的概念，并給出了協(xié)同工作系數(shù)的影響因素。項(xiàng)貽強(qiáng)等[5]通過建立有限元模型進(jìn)行數(shù)值分析，得出鉸縫處橫向應(yīng)力超標(biāo)為鉸縫破壞的主要原因，并提出兩種解決方案。唐先習(xí)等[6-8]通過數(shù)值分析及試驗(yàn)研究，分析了靜力作用下鉸接板橋鉸縫破壞的原因，對(duì)鉸縫設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮豎向剪力的強(qiáng)度驗(yàn)算方法提出了不同看法，同時(shí)還對(duì)疲勞荷載作用下不同構(gòu)造鉸縫的極限承載力進(jìn)行了研究。錢寅泉等[9]則采用相對(duì)位移法對(duì)鉸縫破損程度進(jìn)行檢測(cè)，取得了良好的效果。潘鉆峰等[10]則研究了橫向預(yù)應(yīng)力對(duì)抑制裝配式板橋鉸縫破壞所產(chǎn)生的作用。

但以上研究，并未系統(tǒng)地分析鉸縫在復(fù)雜受力狀況下應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律，比如不同構(gòu)造的鉸縫在疲勞荷載作用下其內(nèi)部橫向應(yīng)變的變化規(guī)律等，而這些內(nèi)容對(duì)鉸接板橋鉸縫的研究具有重要的意義。因此，本文主要研究不同構(gòu)造的鉸縫在疲勞荷載作用下的混凝土及鋼筋的橫向應(yīng)變性能，進(jìn)而研究導(dǎo)致鉸縫破壞的疲勞方面的原因。

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)的構(gòu)件是采用將兩片鋼筋混凝土板通過鉸縫進(jìn)行連接形成鋼筋混凝土板橋結(jié)構(gòu)。按照鉸縫深度與鉸接板板厚的對(duì)比關(guān)系，鉸縫分為淺鉸縫和深鉸縫，本文研究中取一組淺鉸縫板橋結(jié)構(gòu)和一組深鉸縫板橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞性能對(duì)比試驗(yàn)。在淺鉸縫中，在鉸縫上部沿縱向按一定間距放置12根橫向連接鋼筋，鋼筋為直徑8mm的圓鋼；在深鉸縫中，在鉸縫上部和下部沿縱向按一定間距各放置12根橫向連接鋼筋，鋼筋為直徑8 mm的圓鋼。試驗(yàn)過程中取跨中部位鉸縫頂?shù)撞炕炷恋臋M向應(yīng)變和鉸縫內(nèi)部橫向連接鋼筋的應(yīng)變進(jìn)行分析，其中鉸縫頂?shù)撞炕炷翙M向應(yīng)變采用HJ型應(yīng)變測(cè)量傳感器進(jìn)行測(cè)量，鋼筋的應(yīng)變采用應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)量，淺鉸縫及深鉸縫的構(gòu)造布置及應(yīng)變測(cè)量設(shè)備布設(shè)見圖1和圖2。

在試驗(yàn)過程中，淺鉸縫與深鉸縫板橋結(jié)構(gòu)的施加荷載的位置取相同位置。加載位置取在鉸接板跨中位置的一塊板中部。加載布置圖見圖3、圖4。

圖1 淺鉸縫橫斷面示意圖

圖2 深鉸縫橫斷面示意圖

圖3 加載布置橫斷面示意圖（單位：cm）

圖4 加載布置縱斷面示意圖（單位：cm）

對(duì)于試驗(yàn)時(shí)疲勞荷載幅值及疲勞次數(shù)的確定，經(jīng)過對(duì)試驗(yàn)時(shí)采用構(gòu)件的計(jì)算，結(jié)合其他鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)時(shí)疲勞荷載的確定方法[11-14]，理論上確定疲勞荷載幅值的上限值為136kN，下限值為27.2kN，加載頻率為3Hz。在進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，出于安全方面以及試驗(yàn)具體情況的考慮，在進(jìn)行疲勞循環(huán)時(shí)，將疲勞幅值進(jìn)行了調(diào)整，試驗(yàn)過程中采用的疲勞幅值見圖5。在施加疲勞荷載以前、疲勞1萬次、5萬次、10萬次、30萬次、50萬次、100萬次 、150萬次、200萬次后，分別對(duì)試驗(yàn)梁進(jìn)行靜力加載，觀測(cè)一定次數(shù)的疲勞循環(huán)作用后鉸縫及鉸接板性能的變化情況。當(dāng)疲勞次數(shù)達(dá)到250萬次后，因試驗(yàn)板橋結(jié)構(gòu)尚未完全破壞，施加靜載直至結(jié)構(gòu)破壞[15-16]。疲勞試驗(yàn)加載裝置見圖6。

圖5 疲勞幅值圖

圖6 疲勞試驗(yàn)加載裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 淺鉸縫疲勞試驗(yàn)

根據(jù)有限元模型分析結(jié)果，施加荷載時(shí)，跨中鉸縫頂部出現(xiàn)橫向拉應(yīng)變，底部出現(xiàn)橫向壓應(yīng)變，應(yīng)變值均較小。在實(shí)際試驗(yàn)過程中，由于鉸接板一端靠近鉸縫處的支座與鉸接板接觸不密實(shí)而導(dǎo)致出現(xiàn)輕微下沉現(xiàn)象，從而使疲勞試驗(yàn)中跨中鉸縫上部出現(xiàn)橫向壓應(yīng)變，鉸縫下部出現(xiàn)橫向拉應(yīng)變。疲勞5萬次以后，鉸縫底部開始出現(xiàn)裂縫。但經(jīng)過疲勞試驗(yàn)的驗(yàn)證可以看出，雖然鉸縫底部出現(xiàn)了縱向裂縫，但作為鉸接板之間的豎向傳力機(jī)構(gòu)，鉸縫仍然起到了豎向傳力的作用，保證了兩片板之間的共同受力。

圖7為不同疲勞次數(shù)后施加靜載時(shí)跨中鉸縫頂混凝土荷載-橫向應(yīng)變曲線，其中圖7（a）是在各種具有代表性的靜載工況作用下的曲線。由圖7（a）可以看出，初次靜載時(shí)鉸縫頂混凝土橫向應(yīng)變數(shù)值較大，主要是因?yàn)殪o載預(yù)壓的荷載值僅為30kN，而初次靜載的荷載值加到136kN，在30kN到136 kN之間施加初次靜載時(shí)，在試件制作、安裝過程中產(chǎn)生的縫隙可能會(huì)在施加荷載時(shí)有所減小，從而造成應(yīng)變值較大。對(duì)于250萬次疲勞后的靜載，由于200萬次～250萬次疲勞時(shí)的疲勞幅值較大，250萬次疲勞結(jié)束后跨中鉸縫的頂部和底部均出現(xiàn)鉸縫混凝土與板混凝土之間的縱向裂縫，導(dǎo)致250萬次后施加靜載時(shí)鉸縫頂部和底部均出現(xiàn)受拉現(xiàn)象。

圖7（b）是不含有初次靜載和250萬次疲勞荷載作用后靜載的幾種有代表性的靜載工況作用下的荷載-橫向應(yīng)變曲線。由圖7（b）可以看出，從開始施加疲勞荷載到200萬次疲勞荷載結(jié)束，隨著疲勞次數(shù)的不斷增加，施加靜載時(shí)鉸縫混凝土的應(yīng)變值的變化越來越小。

圖7 淺鉸縫板橋跨中鉸縫頂混凝土荷載-橫向應(yīng)變曲線

圖8 是不同疲勞次數(shù)后施加靜載時(shí)跨中鉸縫底混凝土荷載-橫向應(yīng)變曲線。其中圖8（a）是在各種有代表性的靜載工況作用下的曲線。由圖8（a）可以看出，當(dāng)施加初次靜載時(shí)，鉸縫底混凝土橫向應(yīng)變值相對(duì)較小，但隨著靜載值的增大應(yīng)變值增加較快，經(jīng)過一定疲勞循環(huán)后應(yīng)變值變化規(guī)律較為穩(wěn)定，250萬次后橫向應(yīng)變值又加大，橫向應(yīng)變值變化原因與鉸縫頂混凝土橫向應(yīng)變值變化原因相同。圖8（b）是在不含初次靜載和250萬次疲勞荷載作用后靜載的幾種有代表性的靜載工況作用下的荷載-橫向應(yīng)變曲線。由圖8（b）可以看出，從開始施加疲勞荷載到200萬次疲勞荷載結(jié)束，疲勞次數(shù)對(duì)鉸縫混凝土應(yīng)變的影響呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，但規(guī)律性不如鉸縫頂部混凝土變化規(guī)律明顯。

圖8 淺鉸縫板橋跨中鉸縫底混凝土荷載-橫向應(yīng)變曲線

圖9 是不同疲勞次數(shù)后施加靜載時(shí)跨中鉸縫內(nèi)鋼筋的荷載-橫向應(yīng)變曲線。其中圖9（a）是在各種有代表性的靜載工況作用下的曲線，圖9（b）是在不含250萬次疲勞荷載作用后靜載的幾種有代表性的靜載工況作用下的曲線。從圖9（a）和圖9（b）可以看出，鉸縫內(nèi)鋼筋應(yīng)變與鉸縫頂混凝土應(yīng)變規(guī)律大體相同。

圖9 淺鉸縫板橋跨中鉸縫內(nèi)鋼筋荷載-橫向應(yīng)變曲線

圖10 為不同疲勞次數(shù)后施加136kN荷載時(shí)淺鉸縫混凝土及鋼筋隨疲勞次數(shù)變化的橫向應(yīng)變曲線。由圖10可見，對(duì)于鉸縫底混凝土，疲勞1萬次后的橫向應(yīng)變小于初次加載時(shí)的橫向應(yīng)變，這是因?yàn)槠诤奢d的作用使試件在制作、安裝過程中產(chǎn)生的縫隙進(jìn)一步進(jìn)行密合。從1萬次到5萬次疲勞，橫向應(yīng)變的變化不大。5萬次疲勞后，鉸縫底部產(chǎn)生裂縫，所以從5萬次到30萬次疲勞過程中，橫向應(yīng)變不斷加大，到30萬次后，一直到200萬次，橫向應(yīng)變的變化不大。到250萬次疲勞時(shí)，由于鉸縫頂?shù)撞烤验_裂，所以鉸縫底應(yīng)變加大較多。而對(duì)于鉸縫頂混凝土，隨著疲勞次數(shù)的增加，橫向壓應(yīng)力逐漸減小，但減小幅度較小，當(dāng)疲勞次數(shù)達(dá)到30萬次后，則保持穩(wěn)定狀態(tài)，到250萬次后，由于鉸縫頂混凝土的開裂，壓應(yīng)變變成了拉應(yīng)變。對(duì)于鉸縫內(nèi)的鋼筋橫向應(yīng)變，變化趨勢(shì)與鉸縫頂混凝土變化趨勢(shì)大體相同，只是在250萬次疲勞荷載以前，鉸縫頂混凝土應(yīng)變?yōu)閴簯?yīng)變，而橫向鋼筋應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變。

2.2 深鉸縫疲勞試驗(yàn)

對(duì)于深鉸縫鉸接板疲勞試驗(yàn)過程中的鉸縫靜載應(yīng)變，采用與淺鉸縫應(yīng)變相同的分析方法，用鉸縫頂?shù)撞炕炷烈约般q縫內(nèi)部鋼筋橫向應(yīng)變隨疲勞荷載的變化狀況進(jìn)行分析。

圖10 淺鉸縫板橋跨中鉸縫疲勞次數(shù)-橫向應(yīng)變曲線

圖11 ～圖14為不同疲勞次數(shù)后施加靜載時(shí)跨中深鉸縫頂?shù)撞炕炷良般q縫內(nèi)上下部鋼筋的荷載-橫向應(yīng)變曲線，靜載施加工況與淺鉸縫疲勞試驗(yàn)的靜載施加工況相同。由圖11～圖14可見，初次加載時(shí)鉸縫混凝土的橫向應(yīng)變值變化較大，且隨著荷載的增大，混凝土應(yīng)變值增大的幅度呈增加趨勢(shì)，但相對(duì)于淺鉸縫，總的增加值較小。隨著疲勞次數(shù)的增加，應(yīng)變的變化規(guī)律發(fā)生改變，增加幅度隨荷載的增加呈減緩趨勢(shì)，說明隨著疲勞次數(shù)的增加，鉸縫混凝土橫向應(yīng)變趨于更加穩(wěn)定。而鋼筋的應(yīng)變變化規(guī)律則沒有這么明顯。

圖11 深鉸縫板橋跨中鉸縫底混凝土荷載-橫向應(yīng)變曲線

圖12 深鉸縫板橋跨中鉸縫頂混凝土荷載-橫向應(yīng)變曲線

圖13 深鉸縫板橋跨中鉸縫下部鋼筋荷載-橫向應(yīng)變曲線

圖14 深鉸縫板橋跨中鉸縫上部鋼筋荷載-橫向應(yīng)變曲線

圖15 為不同疲勞次數(shù)后施加136kN荷載時(shí)深鉸縫頂?shù)撞炕炷良般q縫內(nèi)上下部鋼筋隨疲勞次數(shù)的橫向應(yīng)變曲線。由圖15可見，隨著疲勞次數(shù)的增加，施加荷載為136kN時(shí)，鉸縫混凝土及鋼筋橫向應(yīng)變值的數(shù)值也趨于穩(wěn)定。對(duì)于深鉸縫與淺鉸縫在疲勞荷載后的應(yīng)變，最大的區(qū)別就在于疲勞荷載施加到250萬次以后，在靜載工況作用下，淺鉸縫的應(yīng)變發(fā)生突變，而深鉸縫的應(yīng)變未出現(xiàn)較大變化。主要原因就是200萬次～250萬次的疲勞荷載幅值加大，造成250萬次疲勞循環(huán)結(jié)束后淺鉸縫跨中頂部和底部均出現(xiàn)鉸縫與板之間的縱向通縫，而深鉸縫與板之間則未出現(xiàn)裂縫。這說明在疲勞荷載作用下，深鉸縫性能要好于淺鉸縫。

圖15 深鉸縫板橋疲勞試驗(yàn)跨中鉸縫疲勞次數(shù)-橫向應(yīng)變曲線

3 結(jié) 論

（1）通過對(duì)不超過200萬次的疲勞荷載不同作用次數(shù)后鉸縫混凝土及鋼筋橫向應(yīng)變的對(duì)比分析可知，隨著疲勞次數(shù)的增加，鉸縫混凝土及鋼筋的應(yīng)變值逐漸減小，應(yīng)變值的變化趨于更加穩(wěn)定。因此，一定幅值的疲勞荷載對(duì)鉸縫的應(yīng)變性能影響較小。

（2）通過對(duì)淺鉸縫200萬次～250萬次疲勞前后應(yīng)變值變化情況及鉸縫開裂情況的對(duì)比分析可知，當(dāng)疲勞荷載的幅值超過一定值后，疲勞荷載對(duì)淺鉸縫的破壞產(chǎn)生較大的影響。而對(duì)深鉸縫而言，這種影響則不明顯。結(jié)合淺鉸縫與深鉸縫的構(gòu)造形式及鉸縫內(nèi)部橫向連接鋼筋的布置形式可知，深鉸縫的抗疲勞能力遠(yuǎn)大于淺鉸縫。

（3）由以上對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析總結(jié)，結(jié)合公路交通的實(shí)際情況可得，對(duì)于板橋的淺鉸縫來說，通常情況下的車輛荷載不會(huì)對(duì)鉸縫的疲勞破壞造成太大的影響，而超載車輛往往會(huì)對(duì)橋梁的疲勞破壞產(chǎn)生較大的影響。因此，超載車輛的疲勞作用是造成淺鉸縫破壞的一個(gè)主要原因，同時(shí)，現(xiàn)階段板橋采用的深鉸縫構(gòu)造形式具有較強(qiáng)的抵抗超載車輛的疲勞破壞的功能。

（4）在以上的試驗(yàn)中，僅考慮了經(jīng)過一定疲勞循環(huán)次數(shù)后施加靜載時(shí)鉸縫鋼筋及混凝土的橫向應(yīng)變情況，而對(duì)于疲勞循環(huán)過程中鉸縫的橫向應(yīng)變情況則未進(jìn)行研究，今后的研究應(yīng)該在這方面進(jìn)行加強(qiáng)。

[1]易建國.混凝土簡(jiǎn)支梁（板）橋[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2]劉培文，周 衛(wèi)，張君緯，等.公路小橋涵設(shè)計(jì)示例[M].北京：人民交通出版社，2005.

[3]俞 博，葉見曙，張 劍，等.裝配式混凝土鉸接板橋鉸縫剪力計(jì)算[J].深圳大學(xué)學(xué)報(bào)理工版，2011，28（1）：60-64.

[4]衛(wèi) 軍，李 沛，徐 岳，等.空心板鉸縫協(xié)同工作性能影響因素分析[J].中國公路學(xué)報(bào)，2011，24（2）：29-33.

[5]項(xiàng)貽強(qiáng)，邢 騁，邵林海，等.鉸接預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁橋的空間受力行為及加固分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，42（4）：734-738.

[6]Tang Xian-xi，Xu Yue，Zhu Xin-yang，et al.Experimental research and numerical analysis of transverse strain of hinge joints in hinge plates[C]／／2011 International Conference on Electric Technology and Civil Engineering，IEEE，2011：324-327.

[7]Tang Xian-xi，Xu Yue，Zou Cun-jun，et al.Numerical analysis of reasonable hinge joints size of reinforced concrete hinged plates[J].Advanced Materials Research，2011，163-167：1180-1185.

[8]Tang Xian-xi，Xu Yue，Xu Zhi，et al.Experimental study of ultimate bearing capacity of hinged plates with different configuration hinge joints[J].Advanced Ma-terials Research，2011，163-167：1186-1191.

[9]錢寅泉，周正茂，葛瑋明，等.基于相對(duì)位移法的鉸縫破損程度檢測(cè)[J].公路交通科技，2012，29（7）：76-81.

[10]潘鉆峰，Chung C.Fu，呂志濤.裝配式板橋的橫向預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，40（6）：1264-1270.

[11]劉立新，汪小林，于秋波，等.疲勞荷載作用下部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁的撓度研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2007，28（4）：4-7.

[12]周緒紅，林新元，譚冬蓮，等.波紋鋼腹板組合箱梁疲勞試驗(yàn)[J].中國公路學(xué)報(bào)，2010，23（4）：33-38，69.[13]Singh S，Singh A，Bajaj V.Flexural fatigue strength of hybrid fibrous concrete beams[J].Construction Materials，2012，165（2）：99-110.

[14]Singh S P.Fatigue strength of hybrid steel-polypropylene fibrous concrete beams in flexure[J].Procedia Engineering，2011，14：2446-2452.

[15]唐先習(xí)，孫煥重，朱彥鵬，等.疲勞荷載作用下鉸接板橋撓度試驗(yàn)[J].長安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，34（2）：65-70.

[16]唐先習(xí)，梁金寶，唐先周，等.疲勞荷載作用下受壓混凝土應(yīng)變性能試驗(yàn)研究[C]／／第22屆全國結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（2）.烏魯木齊，北京：《工程力學(xué)》雜志社，2013：108-112.