體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝混凝土梁疲勞試驗(yàn)研究

唐細(xì)彪 章 龍

(1.橋梁結(jié)構(gòu)安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430034； 2.中鐵橋研科技有限公司 武漢 430034)

橋梁節(jié)段預(yù)制拼裝梁施工技術(shù)以其生產(chǎn)效率高、施工質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外發(fā)展較快且應(yīng)用較多。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)節(jié)段結(jié)構(gòu)受力行為也進(jìn)行了廣泛研究，且取得了一定的成果。然而，針對(duì)橋梁節(jié)段預(yù)制膠接拼裝的破壞試驗(yàn)研究相對(duì)較少，仍有一些問題需要深入研究，如體外預(yù)應(yīng)力預(yù)制拼裝系統(tǒng)的抗疲勞、系統(tǒng)抗疲勞薄弱部位等。為此，本文開展預(yù)制拼裝節(jié)段梁疲勞研究，通過對(duì)比國(guó)內(nèi)外多種疲勞荷載計(jì)算方法，確定疲勞等效荷載；同時(shí)進(jìn)行節(jié)段預(yù)制拼裝梁的抗疲勞理論分析及疲勞試驗(yàn)，以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和安全性。

1 工程實(shí)例

華巖隧道西延伸段橋跨采用節(jié)段預(yù)制拼裝施工技術(shù)，上部結(jié)構(gòu)采用三(或四)跨一聯(lián)布置，單跨跨徑為30 m，采用單箱室結(jié)構(gòu)，箱梁寬度為12.15 m，梁高為2 m，節(jié)段預(yù)制拼裝梁典型斷面構(gòu)造見圖1。節(jié)段預(yù)制拼裝梁劃分見圖2。

圖1 節(jié)段預(yù)制拼裝梁典型斷面構(gòu)造圖(單位：mm)

圖2 節(jié)段預(yù)制拼裝梁節(jié)段劃分(單位：mm)

如圖2所示，單跨箱梁共分為13個(gè)節(jié)段，節(jié)段兩端設(shè)置凹凸交替的混凝土剪力鍵，并在接縫界面上涂刷環(huán)氧黏結(jié)劑，通過壓力使各節(jié)段黏結(jié)成為整體。橋梁按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)，在箱梁內(nèi)部設(shè)置8束φs15.20-27(31)體外索，通過對(duì)其張拉以提供連續(xù)梁結(jié)構(gòu)預(yù)壓力。

預(yù)制節(jié)段采用C50混凝土澆筑；體外索采用單絲環(huán)氧預(yù)應(yīng)力無黏結(jié)鋼絞線，轉(zhuǎn)向器采用散束式轉(zhuǎn)向器；單股鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 860 MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa，張拉控制應(yīng)力為60%標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度；環(huán)氧黏結(jié)劑抗壓強(qiáng)度12 h時(shí)不小于40 MPa，抗壓強(qiáng)度7 d時(shí)不小于80 MPa，抗折強(qiáng)度7 d時(shí)不小于40 MPa。

2 模型設(shè)計(jì)

依據(jù)相似理論對(duì)預(yù)制拼裝箱梁實(shí)橋進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，取受力相對(duì)不利的中跨作為研究對(duì)象。為真實(shí)反映實(shí)橋受力情況，且試驗(yàn)荷載不致于過大造成加載困難，確定模型在高度、長(zhǎng)度，以及寬度方向取1∶3的比例尺，同時(shí)模型截面取實(shí)橋箱形截面的一半，設(shè)計(jì)為左右對(duì)稱的工字形截面。最終模型縱向長(zhǎng)度約為10 m，梁高為0.667 m、寬為1.933 m。

模型混凝土、鋼筋及鋼絞線材料與實(shí)橋完全一致。體外預(yù)應(yīng)力束設(shè)計(jì)按與實(shí)橋效應(yīng)一致為原則，縮尺后采用四孔預(yù)應(yīng)力束布置。錨塊、轉(zhuǎn)向塊、接縫及剪力鍵等細(xì)節(jié)部位與實(shí)橋一致，尺寸嚴(yán)格按照1∶3比例進(jìn)行縮尺，模型尺寸和節(jié)段劃分示意見圖3。

圖3 模型尺寸和節(jié)段劃分(單位：mm)

3 疲勞荷載

通常來說，進(jìn)行構(gòu)件的疲勞研究，首先要確定構(gòu)件在運(yùn)營(yíng)壽命下的疲勞荷載。橋梁疲勞荷載一般考慮橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)時(shí)各種實(shí)際車輛通行情況，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行車輛對(duì)橋梁造成的累計(jì)損傷計(jì)算得到。而新建橋梁由于缺乏交通資料，往往是根據(jù)地區(qū)地理位置及發(fā)展規(guī)劃進(jìn)行交通量預(yù)測(cè)，或者根據(jù)情況類似的已建成橋梁進(jìn)行交通量調(diào)查，采用疲勞累計(jì)損傷理論，以評(píng)判橋梁在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)抗疲勞能力[1]。

國(guó)外規(guī)范(美國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范AASHTO、英國(guó)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范BS5400、歐洲規(guī)范Eurocode1)中均給出了關(guān)于公路橋梁疲勞荷載的規(guī)定。而早前在國(guó)內(nèi)，公路橋梁規(guī)范均未對(duì)疲勞荷載計(jì)算作出具體規(guī)定，僅在JTJ 025-1986 《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中提到：“驗(yàn)算疲勞強(qiáng)度時(shí)，可根據(jù)橋梁實(shí)際行車情況，選用實(shí)際經(jīng)常發(fā)生的荷載組合中的車輛荷載進(jìn)行計(jì)算?！敝钡皆贘TG D60-2015 《公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范》中，才詳細(xì)給出了3種標(biāo)準(zhǔn)車模型，以供橋梁相關(guān)構(gòu)件進(jìn)行疲勞荷載計(jì)算，為橋梁疲勞設(shè)計(jì)提供依據(jù)。本文分別對(duì)各國(guó)規(guī)范的疲勞荷載譜進(jìn)行歸納及對(duì)比分析，以確定本項(xiàng)目的疲勞荷載取值，作為抗疲勞理論分析及荷載試驗(yàn)的依據(jù)。

3.1 BS5400疲勞荷載譜

BS5400將公路荷載譜分為3種類型：典型車、標(biāo)準(zhǔn)疲勞車、軸重車。其中典型車是以英國(guó)20世紀(jì)70年代對(duì)本國(guó)公路干線運(yùn)營(yíng)交通量調(diào)查為依據(jù)，將車輛分為25種車型。同時(shí)規(guī)定這25種典型車的車重、軸距，以及出現(xiàn)的頻率，以此作為橋梁疲勞荷載的依據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)疲勞車由典型車簡(jiǎn)化而來，通過對(duì)典型車活載頻值進(jìn)行應(yīng)力變幅計(jì)算，最后等效為一種“標(biāo)準(zhǔn)疲勞車”，該標(biāo)準(zhǔn)車軸重80 kN，采用4軸，總重為320 kN。軸重式車輛主要是針對(duì)影響線很短的構(gòu)件(比如橋面板)，車輛每個(gè)軸重加載都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力循環(huán)，為此BS5400專門提供了一個(gè)以軸重形式的活載頻值譜，同時(shí)給出每個(gè)車道的年運(yùn)營(yíng)車輛數(shù)和布置位置。

3.2 AASHTO疲勞荷載譜

AASHTO疲勞設(shè)計(jì)指導(dǎo)性規(guī)范中給出了一種貨車加載車作為標(biāo)準(zhǔn)車用于疲勞檢算，該疲勞車采用3軸，總重為325 kN。不過該規(guī)范沒有給出通用的荷載頻值譜，而是規(guī)定疲勞加載的荷載頻率應(yīng)取單車道日平均貨車交通量(ADTTSL)，在缺乏資料的情況下，該值建議按下式計(jì)算：ADTTSL=P×ADTT。式中：ADTT為橋梁在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)單向日平均貨車量；P為多車道橋梁在單車道內(nèi)貨車交通量的占比。

3.3 國(guó)內(nèi)疲勞荷載規(guī)定

JTG D60-2015 《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》規(guī)定，在疲勞檢算時(shí)可按3種計(jì)算模型進(jìn)行。計(jì)算模型I采用等效的車道荷載，集中荷載為0.7Pk(Pk為集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值)，均布荷載采用0.3qk(qk為公路車道荷載均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值)，同時(shí)采用該計(jì)算模型應(yīng)考慮多車道的影響；該模型對(duì)應(yīng)于無限壽命設(shè)計(jì)方法。計(jì)算模型II采用雙車模型，兩模型車軸距與軸重相同，總重均為405 kN，其單車的軸重和軸距布置見圖4。計(jì)算模型III采用單車模型，其單車的軸重和軸距布置見圖5。該計(jì)算模型III車重最重，輪數(shù)較少，適用于正交異性板、橫隔板(梁)、縱梁等直接承受車輪荷載構(gòu)件的疲勞驗(yàn)算。

圖4 疲勞荷載計(jì)算模型II

圖5 疲勞荷載計(jì)算模型III(尺寸單位：m)

3.4 疲勞試驗(yàn)荷載計(jì)算

從上文可以看出，各國(guó)都是根據(jù)本地區(qū)的實(shí)際情況，提供各種標(biāo)準(zhǔn)車荷載用于疲勞檢算。通過對(duì)比，我國(guó)公路橋規(guī)的計(jì)算模型II疲勞加載標(biāo)準(zhǔn)車的軸重最大，可以認(rèn)為相同次數(shù)的循環(huán)加載下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力幅可能最大，受力最為不利。因此，在進(jìn)行本文項(xiàng)目節(jié)段預(yù)制拼裝梁抗疲勞分析時(shí)，采用國(guó)內(nèi)公路橋規(guī)規(guī)定，結(jié)果偏于安全。

在進(jìn)行疲勞檢算時(shí)，首先以預(yù)制拼裝箱梁跨中彎矩為目標(biāo)，求得該位置彎矩影響線,見圖6。

圖6 節(jié)段預(yù)制拼裝梁跨中部位彎矩影響線

由圖6可見，加載車輛通過橋梁時(shí)，跨中部位將經(jīng)歷1次應(yīng)力循環(huán)。在此基礎(chǔ)上，分別施加規(guī)范中模型I與模型II對(duì)應(yīng)的車道荷載，可計(jì)算得到跨中部位彎矩幅值。另外，為保證偏于安全，取最大彎矩幅值作為疲勞試驗(yàn)依據(jù)。通過計(jì)算得到模型I、II加載后對(duì)應(yīng)的彎矩幅分別為6 138.6，2 449.2 kN·m。因此，取6 138.6 kN·m作為疲勞試驗(yàn)荷載依據(jù)。

4 疲勞理論分析

4.1 混凝土抗拉、抗壓疲勞問題

對(duì)于全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件來說，在設(shè)計(jì)使用荷載作用下，混凝土上、下緣均不會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，更不會(huì)出現(xiàn)開裂[2]。因此，本結(jié)構(gòu)混凝土無抗拉疲勞問題。

對(duì)于混凝土的抗壓疲勞性能，研究者通常通過大量的試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果并通過概率統(tǒng)計(jì)的方法將試驗(yàn)結(jié)果組織成簡(jiǎn)單易用的形式，常見的有S-N曲線等。同時(shí)研究得到，只要混凝土構(gòu)件最大壓應(yīng)力不超過某個(gè)規(guī)定限值，即可滿足耐久性要求。另外，混凝土構(gòu)件疲勞強(qiáng)度還與荷載特征有關(guān)，即重復(fù)荷載下限值σmin與上限值σmax之比ρ(荷載循環(huán)特征系數(shù))有關(guān)[3]。鐵道部科學(xué)研究院[4]曾通過試驗(yàn)測(cè)得抗壓疲勞強(qiáng)度為(0.55～0.65)fck，對(duì)于較低等級(jí)的混凝土，則為(0.4～0.5)fck。在國(guó)外研究成果中，也較多以混凝土疲勞極值的形式以供參考。比較典型的有瑞士洛桑橋梁與結(jié)構(gòu)工程協(xié)會(huì)(IABSE)報(bào)告[5]，給出受壓混凝土疲勞壽命的計(jì)算式，其中當(dāng)σmin=0，N=200萬次時(shí)，推斷出受壓疲勞強(qiáng)度為0.63fck。

通過橋梁整體分析，本文研究的結(jié)構(gòu)在使用階段受壓區(qū)混凝土最大壓應(yīng)力為11.8 MPa，約為0.36fck，小于上述國(guó)內(nèi)外研究成果的疲勞強(qiáng)度相關(guān)限值。另外根據(jù)GB 50010-2010 《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中表4.1.6規(guī)定，混凝土抗疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)值按強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘疲勞強(qiáng)度修正系數(shù)γρ確定，其中γρ與疲勞應(yīng)力比值ρc(構(gòu)件疲勞檢算時(shí)，截面同一纖維上混凝土的最小、最大應(yīng)力)相關(guān)。由于本文結(jié)構(gòu)受力以恒載為主，在考慮疲勞等效荷載后，在跨中位置的疲勞應(yīng)力比值ρc遠(yuǎn)大于0.5，即抗疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)值無須折減。因此，綜合分析得到節(jié)段預(yù)制拼裝梁混凝土抗壓疲勞性能是滿足相關(guān)要求的。

4.2 體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線疲勞問題

體外預(yù)應(yīng)力鋼束一般在橋梁兩端錨固，并通過在橋跨特定位置布置轉(zhuǎn)向器，使其參與并提高結(jié)構(gòu)承載力。在汽車活載作用下，梁體下?lián)献冃问沟皿w外束長(zhǎng)度發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致鋼束應(yīng)力變化。待汽車活載卸載后，鋼束應(yīng)力則回歸到原應(yīng)力水平，這個(gè)過程即為應(yīng)力循環(huán)。

在國(guó)外體外預(yù)應(yīng)力疲勞研究方面，國(guó)際預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會(huì)FIP建議[6]，帶錨具的整根預(yù)應(yīng)力筋在上限應(yīng)力σpmax=0.65fptk和循環(huán)次數(shù)N=2×106的條件下，能經(jīng)受的應(yīng)力幅度Δσp應(yīng)不低于80 MPa。美國(guó)ACI215委員會(huì)建議，預(yù)應(yīng)力筋σpmin在達(dá)到抗拉極限強(qiáng)度的60%時(shí)，在重復(fù)荷載作用下，鋼絞線的應(yīng)力變化幅度不得超過0.10fptk(若按標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1 860 MPa，該幅值為186 MPa)。在國(guó)內(nèi)，長(zhǎng)沙鐵道學(xué)院[7]于1987年曾開展過7φs5鋼絞線的不同應(yīng)力幅的疲勞試驗(yàn)研究，其上限應(yīng)力σpmin采用鐵路橋規(guī)規(guī)定的最大值0.65fptk，應(yīng)力幅Δσp分為采用50，100，150，200，250 MPa，通過2×106次循環(huán)荷載加載的鋼絞線，其應(yīng)力變化幅度基本在150 MPa以下，這與美國(guó)ACI215規(guī)定0.10fptk較接近。

一般認(rèn)為，體外預(yù)應(yīng)力束在各個(gè)自由段(即錨固點(diǎn)與轉(zhuǎn)向塊之間區(qū)域、轉(zhuǎn)向塊與轉(zhuǎn)向塊之間區(qū)域)內(nèi)的應(yīng)力值相等，活載應(yīng)力變幅相對(duì)于體內(nèi)束是小的。國(guó)內(nèi)外均有研究表明[8]，在典型體外預(yù)應(yīng)力橋梁中，體外預(yù)應(yīng)力束的活載應(yīng)力變幅要小于25 MPa。結(jié)合本橋，通過計(jì)算體外束的應(yīng)力幅值為15 MPa，該值與前文研究成果基本相符。另外，JT 329.2-1997 《公路橋梁預(yù)應(yīng)力鋼絞線用錨具、連接器試驗(yàn)方法及檢驗(yàn)規(guī)則》要求，鋼絞線錨具組裝件應(yīng)能經(jīng)受住200萬次的疲勞試驗(yàn)，疲勞幅為80 MPa，也遠(yuǎn)大于本研究對(duì)象的體外束應(yīng)力幅15 MPa。因此，可以認(rèn)為本橋預(yù)制拼裝箱梁體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線的抗疲勞能力具有較大余量，不控制結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期耐久性。

5 疲勞試驗(yàn)

雖然從理論分析上，排除了結(jié)構(gòu)各組成材料單獨(dú)出現(xiàn)疲勞破壞的可能性，但考慮到在運(yùn)營(yíng)過程中是否出現(xiàn)局部應(yīng)力重分布，或者3種材料作為一個(gè)整體，是否出現(xiàn)疲勞損傷，還需進(jìn)一步驗(yàn)證，因此有必要開展節(jié)段預(yù)制拼裝試驗(yàn)梁模擬疲勞試驗(yàn)。

5.1 試驗(yàn)加載

依據(jù)相似理論，將前文疲勞彎矩幅計(jì)算值6 138.6 kN·m，換算到模型為113.7 kN·m。由于無法直接施加彎矩，可通過對(duì)跨中施加豎向力實(shí)現(xiàn)。同時(shí)為保證跨中承受純彎矩受力，采用兩點(diǎn)加載。為使試驗(yàn)結(jié)果偏安全，將該豎向力乘以1.2倍的安全系數(shù)。試驗(yàn)在MTS-1000 kN萬能試驗(yàn)作動(dòng)器下進(jìn)行，加載次數(shù)為200萬次。加載示意圖見圖7。

圖7 節(jié)段預(yù)制拼裝試驗(yàn)梁模擬疲勞試驗(yàn)加載示意圖(單位：mm)

5.2 試驗(yàn)結(jié)果

疲勞試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)主要針對(duì)跨中、跨中接縫附近(距接縫100 cm)等典型斷面，測(cè)點(diǎn)布置見圖8。由于測(cè)試數(shù)據(jù)較多，本文僅給出2號(hào)接縫頂板縱向應(yīng)變數(shù)據(jù)予以說明。測(cè)點(diǎn)每隔約20萬次的應(yīng)變變化見圖9，200萬次加載后測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變荷載曲線見圖10。

圖8 節(jié)段預(yù)制拼裝試驗(yàn)梁測(cè)點(diǎn)布置圖(單位：mm)

圖9 2號(hào)接縫各測(cè)點(diǎn)每隔約20萬次的應(yīng)變變化

圖10 200萬次加載后測(cè)點(diǎn)應(yīng)變荷載曲線

從圖9、圖10可以看出，2號(hào)接縫頂板附近各測(cè)點(diǎn)在每隔20萬次疲勞荷載加載下，應(yīng)變變化較小，基本呈水平直線狀。在經(jīng)過200萬次加載后，測(cè)點(diǎn)應(yīng)變與荷載應(yīng)變呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，表明結(jié)構(gòu)力學(xué)特性并未隨循環(huán)次數(shù)的增加而發(fā)生明顯改變，仍處于彈性受力狀態(tài)。

試驗(yàn)結(jié)束后經(jīng)全面檢查，節(jié)段預(yù)制拼裝模型結(jié)構(gòu)也未見明顯受力裂縫和缺陷，進(jìn)一步驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)具有足夠的抗疲勞性能，滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

1) 對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外規(guī)范關(guān)于疲勞荷載的計(jì)算方法，表明我國(guó)公路橋規(guī)提供的計(jì)算模型II軸重最大，相同次數(shù)的循環(huán)加載下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力幅最大，受力最為不利，最適宜作為節(jié)段預(yù)制拼裝梁疲勞試驗(yàn)疲勞荷載計(jì)算依據(jù)。

2) 通過理論分析，體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝梁包含的混凝土和鋼絞線等構(gòu)件抗疲勞能力具有較大余量，不控制結(jié)構(gòu)的耐久性。

3) 模型在200萬次疲勞加載后,各部位均未發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋,模型的力學(xué)特性未隨循環(huán)次數(shù)的增加而發(fā)生明顯改變，驗(yàn)證了體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝梁結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)的合理性和安全性。