預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板疲勞性能試驗(yàn)研究

田 波，易志宏，趙喻賢，劉玉擎

（1.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610041；2.同濟(jì)大學(xué)，上海 200092）

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，越來越多的中小跨徑橋梁由于其實(shí)用性投入運(yùn)營。而由于外部環(huán)境的復(fù)雜，橋梁會(huì)受到風(fēng)、車輛運(yùn)營等重復(fù)的動(dòng)荷載作用，結(jié)構(gòu)材料在重復(fù)荷載作用下，將會(huì)發(fā)生低于靜載強(qiáng)度的脆性破壞，即疲勞破壞。日本Kinuura橋、英國Seven橋、虎門大橋、武漢長江大橋等橋面板上發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋和疲勞破壞。由于國內(nèi)經(jīng)濟(jì)生活發(fā)展迅速，各橋梁交通量激增，其運(yùn)營荷載高于設(shè)計(jì)荷載，而組合橋面板由于其優(yōu)良的力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)性廣泛應(yīng)用于中小跨徑橋梁，因此此類橋梁的疲勞性能應(yīng)得到足夠的重視。而針對混凝土橋面板是否需要施加預(yù)應(yīng)力，以及施加預(yù)應(yīng)力對其疲勞性能影響的研究還較少。

為了對中小跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板的疲勞性能展開研究，文章利用鋼筋混凝土橋面板展開對照試驗(yàn)研究，通過利用液壓脈動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行正弦波加載試驗(yàn)，為盡可能貼近實(shí)際情況，結(jié)合在同濟(jì)大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室進(jìn)行了足尺模型試驗(yàn)，其結(jié)果可為同類型橋梁的設(shè)計(jì)和運(yùn)營提供參考。

2 橋面板疲勞試驗(yàn)

文章研究對象為中小跨徑橋梁組合橋面板，因此根據(jù)試驗(yàn)設(shè)備要求和實(shí)際工程背景，試件尺寸定為長度4 m，寬度1.2 m，高0.181 m，同時(shí)為了更好模擬實(shí)際車輪荷載，設(shè)計(jì)了面積略寬于車輛輪軌荷載面積的加載梁，加載梁寬70 cm，長22.5 cm。試件為鋼筋混凝土橋面板和預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板兩種，考慮到試驗(yàn)結(jié)果能為工程實(shí)踐提供參考，兩類橋面板配筋情況均參照規(guī)范要求，其中預(yù)應(yīng)力鋼筋一般位于板截面的中部。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)制作和養(yǎng)護(hù)流程對試件進(jìn)行制作和養(yǎng)護(hù)，試件制作相關(guān)圖片如圖1所示。

圖1 試件制作及養(yǎng)護(hù)

試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中進(jìn)行，試驗(yàn)主要應(yīng)用到的儀器包括50 t液壓脈動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)（PMS-500），應(yīng)變片和拉線位移計(jì)。疲勞試驗(yàn)機(jī)的作動(dòng)頭直接作用在加載梁上，作用力由加載梁均勻傳遞給橋面板，試驗(yàn)如圖2。而實(shí)驗(yàn)通過循環(huán)反復(fù)加載實(shí)現(xiàn)對交通荷載的模擬，循環(huán)次數(shù)200萬次，動(dòng)荷載的上限為靜荷載結(jié)果，下限為靜荷載結(jié)果的一半，荷載幅值變化采用正弦波形。圖3為試件RC1所采用的加載波形，上峰值為125 kN，下峰值為60 kN，加載幅值65 kN，加載頻率為4 Hz。

圖2 疲勞試驗(yàn)

圖3 疲勞試驗(yàn)荷載加載曲線

3 橋面板疲勞試驗(yàn)結(jié)果分析

通過應(yīng)變片和位移計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果也包括在加載過程中觀察到的裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的情況。

位移計(jì)主要統(tǒng)計(jì)了板底跨中位置的位移，應(yīng)變片統(tǒng)計(jì)了各測點(diǎn)應(yīng)力變化情況，而裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展則通過試驗(yàn)觀察和紀(jì)錄得到?？缰形灰魄闆r主要是鋼筋混凝土橋面板在循環(huán)荷載加載到47萬次之后跨中撓度劇烈增加，發(fā)生疲勞破壞，與之相對應(yīng)的是預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板在290萬次循環(huán)荷載后跨中撓度才急劇提升，發(fā)生疲勞破壞。跨中頂板應(yīng)變片應(yīng)力試驗(yàn)如圖4所示。

圖4 跨中頂板應(yīng)力變化曲線

在疲勞試驗(yàn)中，兩塊鋼筋混凝土橋面板試件均發(fā)生疲勞破壞，破壞現(xiàn)象均為跨中形成主裂縫，貫穿試件截面，底部混凝土發(fā)生脫落，鑿開主要裂縫處周圍30 cm的混凝土，找到并觀察主裂縫處的鋼筋，破壞原因均為試件跨中外側(cè)鋼筋發(fā)生疲勞斷裂，如圖5。而在疲勞試驗(yàn)中，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋面板試件未發(fā)生破壞，僅僅產(chǎn)生裂縫。根據(jù)測試結(jié)果，施加預(yù)應(yīng)力鋼筋有效減少了混凝土在疲勞荷載下的開裂。

圖5 鋼筋混凝土橋面板疲勞試驗(yàn)

4 結(jié)語

文章未研究中小跨徑橋梁預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板的疲勞性能，對預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板和鋼筋混凝土橋面板進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，其中鋼筋混凝土橋面板作為對照組，通過試驗(yàn)?zāi)M車輛荷載作用，得到預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板的疲勞性能與鋼筋混凝土橋面板的疲勞性能，結(jié)果表明：

（1）鋼筋混凝土橋在荷載較低和動(dòng)荷載加載次數(shù)較低情況下即產(chǎn)生裂縫，而預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板能夠有效延后裂縫的發(fā)生。

（2）跨中頂板應(yīng)力的結(jié)果顯示，預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板和鋼筋混凝土橋面板跨中頂板受力特性相似。在試驗(yàn)工況下，預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板未破壞，而預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板頂板受力高于鋼筋混凝土。這也側(cè)面說明了預(yù)應(yīng)力能夠提高混凝土橋面板的疲勞性能。

（3）鋼筋混凝土橋面板在開裂后由于截面中性軸的上移，其鋼筋受力較預(yù)應(yīng)力混凝土更高，其疲勞性能明顯低于預(yù)應(yīng)力混凝土橋板。