模數(shù)式橋梁伸縮縫疲勞壽命的分析*

賀志勇　王野　陽初

(1.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院, 廣東 廣州 510640; 2.中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司， 陜西 西安 710075)

模數(shù)式橋梁伸縮縫疲勞壽命的分析*

賀志勇1王野1陽初2

(1.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院, 廣東 廣州 510640; 2.中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司， 陜西 西安 710075)

摘要:橋梁伸縮縫受車輛荷載的長期沖擊易發(fā)生疲勞破壞，且維修更換困難，目前關(guān)于模數(shù)式伸縮縫尤其是中梁鋼焊接點疲勞損傷壽命的研究較少.文中以某大橋SD-160模數(shù)式伸縮縫損壞更換為例，通過車輛荷載調(diào)查分析，建立了5種簡化車輛荷載頻值譜；采用ANSYS有限元軟件結(jié)合Miner疲勞累積損傷理論估算SD-160型模數(shù)式伸縮縫錨固區(qū)混凝土、錨固鋼筋與預(yù)埋鋼筋焊接點以及伸縮縫中梁鋼的疲勞壽命.結(jié)果表明：錨固區(qū)混凝土使用壽命為7.7年，中梁鋼在只考慮車輛載荷作用時的使用壽命為29.3年，預(yù)埋鋼筋焊接點為10.7年；支撐橫梁間距越大，中梁鋼的使用壽命越??；錨固區(qū)混凝土強(qiáng)度增大，混凝土本身和預(yù)埋鋼筋焊接點的使用壽命都隨之增大；彈性樹脂混凝土的使用壽命約為C50混凝土的2倍；按大橋SD-160伸縮縫更換方案，中梁鋼焊接點估算使用壽命為6.2年，建議方案Ⅰ為7.7年，方案Ⅱ為20.8年.文中研究成果可供類似伸縮縫的設(shè)計和維修更換借鑒.

關(guān)鍵詞：橋梁；伸縮縫；疲勞損傷；疲勞壽命

改革開放后，我國交通運(yùn)輸事業(yè)得到快速發(fā)展，截止2014年末，全國公路總里程達(dá)446.4萬公里，橋梁約73.5萬座，同時交通量和超載車輛也急劇增加，部分公路橋梁長期處于超負(fù)荷運(yùn)營狀態(tài).超載車輛長期上路通行，輕者造成橋面系損壞，重者導(dǎo)致橋梁垮塌和人員傷亡.如2004年6月10日，一輛載重80噸(超載50噸)貨車導(dǎo)致遼寧田莊臺大橋垮塌；2011年7月，江蘇鹽城通榆河大橋、武夷山公館大橋、杭州錢江三橋引橋因重型貨車嚴(yán)重超載連續(xù)垮塌；2011年7月19日，一輛載重超過160噸(超載110噸)貨車造成北京寶山寺白河橋垮塌；2012年8月24日，哈爾濱陽明灘大橋引橋因超載垮塌等.伸縮縫作為橋梁結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件，長期承受車輪荷載沖擊，錨固系統(tǒng)和承重體系易發(fā)生疲勞破壞，其中以錨固區(qū)混凝土疲勞開裂破碎、錨固鋼筋與預(yù)埋鋼筋焊接點脫落最為典型.如1990年，北京等13個城市的橋梁管理部門調(diào)查了556座橋梁伸縮縫，損壞率達(dá)48.7%[1]；近年來，伸縮縫破損維護(hù)更換日益增多.研究表明，間隙超過100 mm的橋梁伸縮縫，模數(shù)式伸縮縫使用頻率最高[2]；交通量快速增加和車輛疲勞荷載是伸縮縫損壞的主要原因之一[3- 4]；橋梁伸縮縫疲勞壽命研究日益受到重視，張一卓[5]分析了板式橡膠伸縮縫疲勞累積損傷破壞過程；鐵明亮[6]對板式橡膠伸縮縫進(jìn)行了數(shù)值模擬；韓萬水等[7]提出了基于有限元模型修正的單車通過梁式橋梁的移動荷載識別方法.嚴(yán)情木[8]計算了40 mm和80 mm兩種縫寬條件下汽車荷載對模數(shù)式伸縮縫的沖擊系數(shù)等.然而，有關(guān)模數(shù)式伸縮縫疲勞損傷分析的研究較少；目前，在維修更換破損伸縮縫時，交警只允許封閉半幅橋面施工，即更換時伸縮縫中梁鋼需要焊接，但有關(guān)中梁鋼焊接部位的疲勞壽命研究鮮見報道.文中依據(jù)某大橋交通量實際調(diào)查數(shù)據(jù)，按等效車輛疲勞荷載譜方法對車輛進(jìn)行分類，計算得到5種不同車輛模型的等效車輛頻值譜；利用ANSYS 12.0有限元軟件結(jié)合Miner疲勞累積損傷理論估算SD-160型模數(shù)式伸縮縫錨固區(qū)混凝土、錨固鋼筋與預(yù)埋鋼筋焊接點以及伸縮縫中梁鋼的疲勞壽命；對比分析不同支撐橫梁間距、錨固混凝土強(qiáng)度以及不同錨固混凝土材料對疲勞壽命的影響；最后對該大橋SD-160伸縮縫更換后中梁鋼焊接點疲勞壽命進(jìn)行了估算，并提出了延長伸縮縫疲勞使用壽命的方法.

1車輛荷載頻值譜

1.1車輛荷載信息采集

交通荷載調(diào)查斷面選擇廣東廣昆高速公路某大橋，交通量數(shù)據(jù)來源于實際調(diào)查和高速公路管理公司.實地車流量調(diào)查采用攝像機(jī)與人工記錄相結(jié)合的方式，連續(xù)進(jìn)行3天.表1為車輛分類調(diào)查表，表2為根據(jù)調(diào)查結(jié)果和規(guī)范規(guī)定對各類車輛的輪距統(tǒng)一取1.8 m并除去單軸重3.0 t或軸總重不足5.0 t的統(tǒng)計結(jié)果.

表1　大橋日平均車輛分類

1)相對頻率是指不同類別的車輛在相同軸數(shù)的車輛中所占的比例.

表2　各類模型車輛重量分布

表3為根據(jù)高速公路相關(guān)部門提供的歷年車流量統(tǒng)計表(統(tǒng)計到2013年7月伸縮縫損壞為止)，可以看出，2002年到2013年車流量呈增長趨勢，計算可得交通量年平均增長率為25.99%.

表3　歷年車流量統(tǒng)計表

美國AASHTO規(guī)范規(guī)定貨車所占的比率在10%～20%之間，英國BS5400規(guī)范規(guī)定只有總軸重大于30 kN的車輛才對橋梁產(chǎn)生疲勞影響，且引起疲勞損傷的車輛所占的比率也只有20%左右,我國公路橋梁中引起疲勞損傷的車輛占總的車流量比率約為20%[9].

表4為2011年9月到2013年6月重載超載車輛實地調(diào)查統(tǒng)計分析表，由表4可知，連續(xù)3個時間段重載超載車輛所占總車流量的百分比都超過20%.為進(jìn)一步了解近3年能引起公路疲勞損傷的車輛情況，取2011-2013年3年中每年9-12月的重載超載車輛進(jìn)行分析，結(jié)果如表5所示，可知該高速公路重載超載車輛呈增長趨勢.

表4　重載超載車輛統(tǒng)計表

表59-12月份重載超載車輛統(tǒng)計表

Table 5Statistics of overload vehicles from september to december

年份重載超載車輛數(shù)/輛9月10月11月12月總計201112703336006840058147470913623912012470424455174461174492564187933620135283055352365331055606222157268

1.2簡化車輛荷載頻值譜的建立

根據(jù)文獻(xiàn)[9]，簡化車輛荷載頻值譜建立方法如下：

①對V2-V18共17類車輛重新分類，將軸數(shù)相同的車輛合并為一類并建立一種新的模型車輛.因V1類(三輪車及摩托車)總重小于30 kN，對疲勞損傷影響很小，可忽略不計.

②按照等效疲勞損傷原理，先求出新建的每類模型車輛中每個軸的等效軸重，再將求出的每個軸的等效軸重累加即得到這一類模型車的等效軸重：

(1)

式中，fi為軸數(shù)相同的同一類車輛中的第i車輛的相對頻率，Wij為第i車輛的第j個軸的軸重，Wej為該類模型車輛第j軸的等效軸重.

③定義在重新確定的模型車輛中同一類車輛出現(xiàn)的相對頻率為權(quán)數(shù)，按軸距的加權(quán)平均值求出該類模型車輛的各個軸距：

Aj=∑fiAij

(2)

式中，Aij為歸在同一類車輛中的第i輛車的第j個軸距，Aj為該類模型車輛的第j個軸距.

根據(jù)上述簡化車輛荷載頻值譜建立方法，由表2可計算出該大橋半幅簡化的5類模型車輛荷載頻值譜示意圖，為簡化方便，車輛的等效車重取整到10 kN的整數(shù)倍，見表6.

2伸縮縫疲勞損傷壽命估算

2.1橋梁簡介

廣東某高速公路大橋全長1 912 m，主跨跨徑為60 m+2×283 m+60 m，橋面寬26.5 m，設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)為汽車-超20，掛-120，共設(shè)置5道美國萬寶系列SD型伸縮裝置，1999年建成通車.該橋2013年定期檢測發(fā)現(xiàn)，除0號臺伸縮縫外，其余4道伸縮裝置均出現(xiàn)不同程度破損和斷裂，如錨固混凝土嚴(yán)重破損，中梁鋼斷裂、脫焊，但裂口較新.

表6　簡化的模型車輛荷載頻值譜

2.2有限元模型

該橋伸縮縫為美國萬寶系列，錨固區(qū)寬0.40 m，取橫橋向長6 m計算，中梁鋼截面尺寸見圖1，假設(shè):①錨固區(qū)按“非光滑+緊密”模型進(jìn)行簡化，即錨固區(qū)現(xiàn)澆混凝土與梁端之間非光滑緊密接觸，且接觸界面無空隙，彼此之間沿切向和法向的位移和力均相等，錨固區(qū)現(xiàn)澆混凝土與梁端、錨固鋼筋和預(yù)埋鋼筋之間無相對滑移且能共同工作；②伸縮縫位移支承箱完全能滿足梁體因溫度變化引起的伸縮變形，支撐橫梁與中梁鋼完全固結(jié)且能承受由中梁傳遞的車輪荷載并傳遞給梁體；③車輛行駛在伸縮縫處不采取制動，不考慮伸縮縫橡膠帶的影響.

圖1　中梁鋼截面尺寸(單位：mm)

錨固區(qū)采用C50混凝土，預(yù)埋鋼筋和錨固鋼筋直徑16 mm，結(jié)構(gòu)材料計算參數(shù)如表7所示.支撐橫梁、中梁鋼和邊梁鋼用solid186單元；混凝土用so-lid65單元；錨固鋼筋、預(yù)埋鋼筋和橫向鋼筋用pipe20單元，共分65 182個單元、93 851個節(jié)點.截面網(wǎng)格尺寸：中梁鋼為1 cm，錨固區(qū)混凝土為2 cm；橫向網(wǎng)格尺寸為5 cm.伸縮縫有限元模型如圖2所示.

表7　材料力學(xué)參數(shù)

圖2　SD-160伸縮縫有限元模型

2.3伸縮縫危險部位應(yīng)力歷程

將表4中5種簡化車輛荷載頻值譜按最不利情況(即單輪組作用于跨中)均布加載到伸縮裝置有限元模型上，忽略其他車道車輛荷載對此模型的影響.由力學(xué)分析可知伸縮裝置危險部位分別為：中梁鋼為80 121節(jié)點；預(yù)埋鋼筋與錨固鋼筋焊接點為4 049節(jié)點；混凝土為19 285節(jié)點.

通過ANSYS計算，得到伸縮縫在5種簡化模型車輛荷載作用下危險部位的應(yīng)力歷程曲線，如圖3所示.

圖3　模型車作用下的應(yīng)力時程曲線

2.4伸縮縫各部件疲勞損傷

根據(jù)Miner疲勞累積損傷理論，在變幅循環(huán)荷載作用下,Nf個循環(huán)造成的損傷為

(3)

式中：Nfk為S-N曲線中應(yīng)力幅ΔDk對應(yīng)的疲勞壽命，k=1，2，3，…；Nk為1年內(nèi)應(yīng)力幅ΔDk的循環(huán)次數(shù)，Nk=365ηNdk，Ndk為1 d內(nèi)應(yīng)力幅ΔDk的循環(huán)次數(shù),η為車輛輪跡系數(shù)，按照公路等級及相關(guān)研究，文中η取為0.5.

(1)中梁鋼疲勞累積損傷

根據(jù)各模型車輛作用于伸縮縫上得到的應(yīng)力歷程曲線，運(yùn)用雨流計數(shù)法統(tǒng)計1 d內(nèi)用于損傷分析的應(yīng)力幅的循環(huán)次數(shù)，得到中梁鋼最大主應(yīng)力譜如圖4所示.

圖4　中梁鋼最大主應(yīng)力譜

根據(jù)文獻(xiàn)[10]，鋼橋結(jié)構(gòu)用鋼疲勞強(qiáng)度S-N曲線如下式：

lgN=15-4lgσ

(4)

式中，σ為應(yīng)力，根據(jù)相應(yīng)的應(yīng)力譜計算得出ΔDk，見表8.

表8　中梁鋼各級ΔDk計算表

將表6中ΔDk代入式(3)可得D為1.1×10-2；當(dāng)沖擊系數(shù)μ為1.3時，D為2.4×10-2.

(2)錨固區(qū)混凝土疲勞累積損傷

通過各模型車輛作用于伸縮縫上面得到的應(yīng)力歷程曲線，運(yùn)用雨流計數(shù)法統(tǒng)計1天內(nèi)用于損傷分析的應(yīng)力幅的循環(huán)次數(shù)，得到錨固區(qū)混凝土最大主應(yīng)力譜見圖5.

圖5　錨固區(qū)混凝土最大主應(yīng)力譜

根據(jù)文獻(xiàn)[11]，混凝土疲勞S-N曲線如下式：

lgσ=0.486 0-0.029 9lgN，σ≥2.34

(5)

lgσ=0.565 9-0.050 4lgN，σ<2.34

(6)

根據(jù)相應(yīng)的應(yīng)力譜計算得出ΔDk，見表9.

表9錨固區(qū)混凝土各級ΔDk計算表

Table 9Calculation table of various ΔDkin anchorage zone concrete

應(yīng)力幅/MPaNdkNkNfkΔDk0.441612.9×1042.0×10181.5×10-140.506481.2×1051.6×10177.5×10-130.5531435.7×1052.4×10162.4×10-110.826481.2×1058.7×10121.4×10-81.1025864.7×1052.6×10101.8×10-51.3131455.7×1057.9×1087.2×10-41.4014372.6×1052.1×1081.2×10-3

將表7中ΔDk代入式(3)可得D為1.9×10-3；當(dāng)沖擊系數(shù)μ為1.3時，D為0.29.

(3)預(yù)埋鋼筋焊接點疲勞累積損傷計算

通過各模型車輛作用于伸縮縫上面得到的應(yīng)力歷程曲線，運(yùn)用雨流計數(shù)法統(tǒng)計1 d內(nèi)用于損傷分析的應(yīng)力幅的循環(huán)次數(shù)，得到預(yù)埋鋼筋焊接點最大主應(yīng)力譜見圖6.

根據(jù)文獻(xiàn)[12]，鋼筋疲勞強(qiáng)度曲線方程式為

lgN=12.276 9-3.032 4lg Δσ,N<107

(7)

lgN=15.757 4-5.032 4lg Δσ,N≥107

選用麻醉藥和方法需要了解所患肝臟疾病;了解肝臟在藥物解毒中的作用;了解藥物對肝臟的影響。麻醉者必需了解肝病類型,肝細(xì)胞損害程度以及其他可使手術(shù)復(fù)雜的因素,特別是那些促進(jìn)出血的因素是否存在。不同的麻醉方法各有其優(yōu)缺點,選用時應(yīng)根據(jù)手術(shù)的類型,結(jié)合病人肝功能不全等具體情況作全面考慮。藥物的選用應(yīng)選擇直接對肝臟毒性和血流的影響較小的藥物,要了解施給麻醉藥的技術(shù)和術(shù)中對病人的管理往往比個別藥物的選擇更為重要,如術(shù)前用藥、術(shù)中供氧、補(bǔ)充血容量、糾正酸中毒、維持循環(huán)穩(wěn)定等[7]。

(8)

圖6　預(yù)埋鋼筋焊接點最大主應(yīng)力譜

根據(jù)相應(yīng)的應(yīng)力譜計算得出ΔDk，具體見表10.由于鋼筋焊接點處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，受力狀態(tài)比較復(fù)雜，文中根據(jù)文獻(xiàn)[13]的研究結(jié)果取預(yù)埋鋼筋焊接點的應(yīng)力集中系數(shù)k=1.95.

表10預(yù)埋鋼筋焊接點各級ΔDk計算表

Table 10Calculation table of various ΔDkof welding points in preburied steel

應(yīng)力幅/MPaNdkNkNfkΔDk13.181612.9×1041.3×10102.2×10-614.086481.2×1059.5×1091.3×10-516.6731435.7×1054.1×1091.4×10-424.826481.2×1055.5×1082.2×10-430.4425864.7×1052.0×1082.4×10-332.6631455.7×1051.4×1084.1×10-339.4714372.6×1055.3×1074.9×10-3

將表10中ΔDk代入式(3)計算得D為1.4×10-2；當(dāng)沖擊系數(shù)μ為1.3時，D為4.1×10-2.

表11為模數(shù)式伸縮縫3個部位的累積損傷值匯總，可以看出，當(dāng)μ為1.3時，伸縮縫各部件一年內(nèi)的疲勞累積損傷值D都大于μ為1的損傷值，與實際車輛運(yùn)行時對伸縮縫產(chǎn)生沖擊作用比較相符.

表11SD-160伸縮縫各部件損傷值D

Table 11Damaging valueDof each component in expansion joint(SD-160)

部件一年內(nèi)的損傷值Dμ=1μ=1.3中梁鋼1.1×10-22.4×10-2預(yù)埋鋼筋焊接點1.4×10-24.1×10-2錨固區(qū)混凝土1.9×10-32.9×10-1

2.5伸縮縫疲勞壽命估算

該大橋年平均交通增長率為17.6%，根據(jù)表11可以計算得到年平均損傷值，見表12.

表12SD-160伸縮縫各部件年平均損傷值D

Table 12Average damaging valueDof each component in expansion joint(SD-160) in a year

部件μ=1.3時的年平均損傷值D中梁鋼1.2×10-2預(yù)埋鋼筋焊接點1.9×10-2錨固區(qū)混凝土1.3×10-1

錨固區(qū)混凝土破損后，伸縮縫尚未完全失去使用功能，將混凝土彈性模量降為1×10-6Pa，沖擊系數(shù)提高到1.45，建立退化的有限元模型[5]，則預(yù)埋鋼筋焊接點一年內(nèi)的損傷值D為2.8×10-1，中梁鋼一年內(nèi)的損傷值D為4.2×10-2.

當(dāng)nD=1時認(rèn)定模數(shù)式伸縮縫破壞，n為模數(shù)式伸縮縫的疲勞壽命，單位為年.當(dāng)錨固區(qū)混凝土在年平均疲勞累積損傷值D=1.3×10-1時，其疲勞壽命為7.7年.預(yù)埋鋼筋焊接點和中梁鋼的疲勞壽命為錨固混凝土失效前和失效后所承受的疲勞荷載循環(huán)次數(shù)之和，即初始模型和退化后有限元模型計算得出的循環(huán)次數(shù)之和，見表13.

表13　預(yù)埋鋼筋焊接點和中梁鋼疲勞壽命

1)D1為初始模型疲勞累積損傷值;2)D2為退化模型疲勞累積損傷值;3)n=7.7+(1-7.7D1)/D2.

3主要影響因素

3.1支撐橫梁間距

表14為不同支撐橫梁間距時的中梁鋼疲勞壽命估算結(jié)果.由表可知，減小支撐橫梁間距可延長伸縮縫中梁鋼使用壽命，故設(shè)計或更換伸縮縫時，可根據(jù)橋面寬度及車道實際情況，在車輪輪跡線處適當(dāng)減小支撐橫梁間距，以提高伸縮縫的使用壽命.

表14　不同間距中梁鋼疲勞壽命

3.2錨固區(qū)混凝土強(qiáng)度

圖7為混凝土強(qiáng)度不同時的疲勞壽命分析結(jié)果.可知，強(qiáng)度增加，錨固區(qū)混凝土疲勞使用壽命隨之增加.采用C30以下混凝土錨固，混凝土和錨固鋼筋均破損很快.采用C60混凝土，其疲勞使用壽命為13年左右，預(yù)埋鋼筋焊接點疲勞壽命超過15年，均高于C50使用壽命.故伸縮縫錨固區(qū)混凝土宜選用C50或以上混凝土澆筑.

圖7　4種不同標(biāo)號的混凝土疲勞使用壽命曲線

Fig.7Curves of fatigue life of four kinds of concrete with di-fferent grades

3.3不同錨固混凝土材料

圖8為采用表15中3種混凝土材料時的疲勞使用壽命曲線.由圖可知，采用彈性樹脂混凝土錨固能大大提高伸縮縫的使用壽命，C40鋼纖維混凝土和C50高強(qiáng)混凝土的使用壽命相當(dāng).

圖8　3種不同材料的混凝土疲勞使用壽命曲線

Fig.8Curves of fatigue life of three kinds of concrete with di-fferent materials

表15不同混凝土材料的力學(xué)性能指標(biāo)對比

Table 15Comparison of index between material and mechanical properties of different concrete

MPa

4伸縮縫病害調(diào)查與更換方案分析

母大橋共設(shè)置5道美國萬寶系列SD型伸縮縫，其中2道為SD-160伸縮縫，支撐橫梁間距1.5 m，橫梁與橫梁之間均勻設(shè)置5道錨固鋼筋，錨固區(qū)采用C50混凝土，寬0.4 m.隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，通過該大橋的車流量(特別是重載車輛)持續(xù)增加.2013年7月定期檢測發(fā)現(xiàn)，SD-160伸縮縫錨固混凝土嚴(yán)重破損，焊接部位全部脫焊，中梁斷裂但裂口較新.中梁斷裂處基本都發(fā)生在主車道輪跡線處，錨固混凝土破損位置基本處于車道中間(見圖9).

圖9　伸縮縫損壞照片

4.1施工方案疲勞壽命估算

根據(jù)該大橋SD模數(shù)式伸縮縫更換施工方案，伸縮縫更換采取封半邊橋面方案進(jìn)行，即需在主車道中間進(jìn)行邊梁鋼和中梁鋼焊接，焊接點位于主車道正中央，見圖10(a).

按上述分析方法建立有限元模型，取中梁鋼危險部位循環(huán)次數(shù)來計算中梁鋼焊接點的疲勞損傷.根據(jù)文獻(xiàn)[12]，焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度S-N曲線如下式：

logN=12.8-3.5logσ

(9)

根據(jù)相應(yīng)的應(yīng)力譜，取沖擊系數(shù)μ=1.3，計算得到ΔDk，見表16.

表16中梁鋼焊接點各級ΔDk計算表

Table 16Calculation table of various ΔDkin a welding spot of a steel beam

Δσk/MPaNdkNkNfkΔDk17.031612.9×1043.1×1089.4×10-518.596481.2×1052.3×1085.2×10-420.5431435.7×1051.6×1083.6×10-330.946481.2×1053.8×1073.2×10-341.2125864.7×1051.4×1073.4×10-249.4031455.7×1057.4×1067.7×10-253.5614372.6×1055.6×1064.6×10-2

將表16中ΔDk代入式(3),得到D為1.6×10-1.

根據(jù)Miner線性疲勞累積損傷理論可計算出中梁鋼的疲勞使用壽命為6.2年.

4.2方案Ⅰ疲勞壽命估算

為提高伸縮縫疲勞使用壽命，改進(jìn)施工更換方案，在焊接點右側(cè)對稱布置一道支撐橫梁，見圖10(b).

根據(jù)相應(yīng)的應(yīng)力譜，取沖擊系數(shù)μ=1.3，計算得到ΔDk，見表17.

表17中梁鋼焊接點各級ΔDk計算表(方案1)

Table 17Calculation table of various ΔDkin a welding spot of asteel beam(case 1)

Δσk/MPaNdkNkNfkΔDk16.121612.9×1043.8×1087.6×10-517.556481.2×1052.8×1084.3×10-419.5031435.7×1051.9×1083.0×10-329.476481.2×1054.5×1072.7×10-339.0025864.7×1051.7×1072.8×10-246.8031455.7×1059.0×1066.3×10-250.7014372.6×1056.8×1063.8×10-2

將表17中ΔDk代入式(3),計算得D為1.3×10-1.

根據(jù)Miner線性疲勞累積損傷理論可計算出中梁鋼的疲勞使用壽命為7.7年.

4.3方案Ⅱ疲勞壽命估算

方案Ⅱ為將焊接點右側(cè)對稱布置支撐橫梁向兩邊移動0.3 m，使左右兩側(cè)的支撐橫梁間距為1.2 m，見圖10(c).

圖10　方案簡化布置圖(單位：mm)

根據(jù)相應(yīng)的應(yīng)力譜，取沖擊系數(shù)μ=1.3，計算得到ΔDk，見表18.

表18中梁鋼焊接點各級ΔDk計算表(方案2)

Table 18Calculation table of various ΔDkin a welding spot of a steel beam(case 2)

Δσk/MPaNdkNkNfkΔDk8.971612.9×1049.8×1083.0×10-510.096481.2×1058.7×1081.4×10-411.2231435.7×1055.5×1081.0×10-316.826481.2×1051.3×1081.0×10-322.4325864.7×1054.8×1071.0×10-226.9131455.7×1052.6×1072.2×10-229.1614372.6×1051.9×1071.4×10-2

將表18中ΔDk代入式(3),計算得D為4.8×10-2.

根據(jù)Miner線性疲勞累積損傷理論可計算出中梁鋼的疲勞使用壽命為20.8年.

5結(jié)論

目前橋梁伸縮縫疲勞損傷和養(yǎng)護(hù)更換工程越來越多.文中依托廣東某大橋模數(shù)式伸縮縫更換工程，研究分析模數(shù)式伸縮縫中梁鋼及焊接點疲勞損傷和壽命估算，結(jié)果表明：①疲勞累積損傷是伸縮縫破壞的主要原因之一;②對SD-160伸縮縫，錨固區(qū)混凝土使用壽命為7.7年，只考慮車輛載荷作用時中梁鋼疲勞使用壽命為29.3年，預(yù)埋鋼筋焊接點為10.7年;③支撐橫梁間距增大，中梁鋼使用壽命減??；錨固區(qū)混凝土強(qiáng)度越大，混凝土本身使用壽命和預(yù)埋鋼筋焊接點使用壽命都隨之增大，混凝土強(qiáng)度小于30 MPa時，使用壽命小于兩年；彈性樹脂混凝土錨固使用壽命約為C50的兩倍，C40鋼纖維混凝土與C50混凝土的使用壽命基本相同;④母大橋SD-160伸縮縫按施工更換方案，中梁鋼疲勞使用壽命為6.2年，建議方案Ⅰ為7.7年，方案Ⅱ為20.8年.從更換伸縮縫施工必須進(jìn)行中梁鋼焊接的角度考慮，方案Ⅱ能滿足伸縮縫中梁鋼的使用要求，類似伸縮縫更換、設(shè)計、生產(chǎn)和施工可參考借鑒；⑤文中伸縮縫疲勞損傷分析采用有限元模擬，缺乏實際應(yīng)力應(yīng)變測試數(shù)據(jù)驗證，如何延長中梁鋼焊接點使用壽命將是以后模數(shù)式伸縮縫設(shè)計與更換施工的研究方向.

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Fatigue Lifetime Analysis of Modular Expansion Joints of Bridges

HEZhi-yong1WANGYe1YANGChu2

(1.School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510640,Guangdong, China; 2. CCCC First Highway Consultants Co., Ltd.,Xi’an 710075, Shaanxi, China)

Abstract:Long-term impacts due to traffic loads may result in the fatigue damage of bridge expansion joints that is difficult to repair and replace. However, there are few researches on the fatigue lifetime of modular expansion joints, especially for the middle-steel beam-welded points. In order to solve this problem, the damage and replacement process of the SD-160 modular expansion joints of a bridge is taken as an example and a survey of the bridge traffic load is performed, based on which five different types of simplified vehicle load frequency spectrum are established. Then, the ANSYS finite element software and the Miner fatigue cumulative damage theory are used to estimate the fatigue lifetime of the SD-160 modular expansion joints in the anchorage concrete, the welding points between anchored and pre-embedded bars, as well as the middle welded steel beam. The results show that (1) the lifetimes of the anchorage concrete, the middle steel beam only considering the vehicle load and the welding points of embedded bars are respectively 7.7, 29.3 and 10.7 years;(2) with the increase of the space between two supporting beams,the lifetime of the middle steel beam decreases; (3) greater strength of the concrete in the ancho-rage zone helps to prolong the lifetime of the concrete itself and the welding points between anchored and pre-embedded bars; (4) the lifetime of elastic resin concrete is about 2 times that of C50 concrete; and (5) according to the replacement program of the SD-160expansion joints, the simulated lifetime of the welded points in the middle steel beam is 6.2 years, and the service lifetimes of programs Ⅰ and Ⅱ are respectively 7.7 and 20.8 years. This research provides a reference for the design and replacement of the expansion joints similar to the investigated one.

Key words:bridge; expansion joint; fatigue damage; fatigue lifetime

收稿日期:2015- 09- 18

*基金項目:國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項目(51508204);廣東省公路管理局科技項目(粵公研2009-14)

Foundation item:Supported by the National Natural Science Foundation of China(51508204)

作者簡介:賀志勇(1964-),男,副教授,主要從事結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)研究.E-mail:zhyhe@scut.edu.cn

文章編號:1000- 565X(2016)04- 0091- 10

中圖分類號：U 443.5

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2016.04.014