中小跨徑組合梁橋面板疲勞性能試驗研究★

田 波，易志宏，趙喻賢，劉玉擎

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

0 引言

橋梁在運營時除了承受靜載作用外，還要承受重復荷載的作用。結構材料在重復荷載作用下，將會發(fā)生低于靜載強度的脆性破壞，即疲勞破壞[1]。隨著交通量的劇增，部分路段車輛超載情況嚴重，實際運營荷載大于設計荷載，對橋梁結構的正常運營壽命產生較大影響。同時，對于不同工程背景下，混凝土橋面板是否需要施加預應力存在一定的爭議；另一方面，在國內橋梁建設中，對于中小跨徑組合梁橋，與混凝土和鋼橋相比，組合結構橋梁具有更好的綜合效益[2]，其所占比例也在不斷提高。因此，對中小跨徑組合梁的橋面板開展疲勞性能的研究，具有明確的工程背景和實際應用價值。

本文以跨徑為4 m的鋼筋混凝土橋面板及預應力混凝土橋面板為研究對象開展足尺模型的靜力試驗及疲勞試驗，研究施加預應力對于混凝土橋面板疲勞性能的影響。足尺模型中的鋼筋和預應力鋼筋按照我國規(guī)范[3-6]要求進行合理設計，比較施加預應力對混凝土橋面板疲勞性能的影響，為設計組合梁橋面板結構提供了參考。

1 靜力與疲勞試驗設計

同濟大學土木工程學院建筑結構試驗室擁有50 t液壓脈動疲勞試驗機(PMS-500)，可滿足本研究疲勞試驗的加載條件。反力架通過螺栓鉚釘在地面上提供反力。疲勞試驗機的做動頭直接作用在加載梁上。橋面板兩端布置鋼支座對橋面板進行支撐，如圖4，圖5所示。

各試件施加疲勞荷載的上下限如表1所示。

表1 靜力試驗及疲勞試驗施加荷載 kN

2 橋面板靜力與疲勞試驗結果分析

根據混凝土及預應力混凝土橋面板靜力試驗與疲勞試驗的測試結果，分析兩種橋面板的初始剛度及在疲勞荷載作用下彎曲剛度的變化情況，比較預應力對混凝土橋面板剛度及抗疲勞性能的改善作用。通過應變片測試混凝土及鋼筋的應變分布，比較靜力荷載及疲勞荷載作用下各測點的應變變化情況。在試驗過程中，觀察了靜力荷載和疲勞荷載下混凝土及預應力混凝土橋面板試件底部裂縫產生及發(fā)展情況。

2.1 靜力加載試驗

靜力加載共分為三輪進行，每次分級加載至疲勞試驗力的上峰值后，一次性卸載?？缰袚隙热鐖D6所示。

靜力加載試驗中，混凝土開裂對試件剛度影響較大。由廣義的胡克定律可知，RC1和RC2試件結構剛度分別由初期加載的41 kN/mm和48 kN/mm，在開裂后降低至13 kN/mm左右，下降幅度達70%。而PC1和PC2試件有效限制了混凝土開裂，保持試件剛度穩(wěn)定，在整個靜力加載過程中，剛度維持在40 kN/mm。

RC1和RC2試件靜力試驗后裂縫分布如圖7所示。

由圖7可以看出裂縫分布較為集中，主要分布在左右四分點之間。在試件RC1底面，跨中部分出現(xiàn)縱向貫穿整個試件的裂縫，未見沿橋面板橫向發(fā)展的裂縫。在試件側面，跨中裂縫發(fā)展高度較大，超過橋面板試件高度方向中線。隨著裂縫位置和跨中位置的間距逐漸增加，裂縫高度逐漸減小。

根據裂縫分布圖(見圖8)，兩邊裂縫分布較為均勻，且都集中于跨中彎矩最不利位置。PC梁第三圈加載結束后，在100 kN持荷期間，仔細觀察試件側面可以發(fā)現(xiàn)少量裂縫，在卸載后，所觀察到的大部分裂縫均重新閉合。

由此可見，施加預應力有效限制了裂縫的發(fā)展。鋼筋混凝土試件每側面約產生裂縫12根～15根，跨中裂縫長度超過試件高度的1/2，同時底面產生較多裂縫。預應力混凝土試件僅側面產生6條～10條裂縫，且裂縫發(fā)展高度較小，底面未見明顯裂縫。

2.2 疲勞加載試驗

進行疲勞加載時，荷載幅值變化采用正弦波形。圖 9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。測試方法和測試內容與靜力試驗相同，采用激光位移計監(jiān)測橋面板試件跨中撓度變化。在混凝土板的頂面和底面粘貼應變片，測試混凝土頂?shù)酌娴膽冏兓闆r，同時通過試件內部的鋼筋表面應變片監(jiān)測鋼筋的縱向應變。加載初期每5萬次進行一次疲勞數(shù)據采集，20萬次后，每10萬次進行一次疲勞數(shù)據采集。每次數(shù)據采集持續(xù)100 s～200 s。

根據試驗過程中在板底跨中布置位移計的測試結果，跨中激光位移器所監(jiān)測的撓度幅值變化情況如圖10所示。

混凝土板頂共粘貼12個表面應變片以測試混凝土的表面應變，應變片為4個一組，分別位于混凝土板底跨中、左支座四分點以及右支座四分點，跨中頂板測點的測試結果如圖11所示。

由疲勞加載過程中，鋼筋混凝土試件的跨中位移幅值及板頂混凝土壓應力幅值均呈“S”型增長，即初始加載時增長較快，之后較長一段時間內保持，最后在破壞時再次出現(xiàn)快速增長。預應力混凝土試件因未發(fā)生破壞，僅具有前兩個階段的特點。

在疲勞試驗中，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鋼筋發(fā)生疲勞斷裂，如圖12所示。

而在疲勞試驗中，兩塊預應力鋼筋混凝土橋面板試件未發(fā)生破壞。PC1板側面裂縫不斷沿試件高度方向發(fā)展，板底產生大量裂縫，分布情況如圖13所示。根據試驗結果，板底裂縫全部沿短邊方向發(fā)展，共2條裂縫貫穿橋面板，裂縫分布于左右兩個四分點之間，未觀察到沿長邊方向發(fā)展的裂縫。在卸載之后，所有可觀察到的裂縫均閉合。

PC2板底產生沿短邊方向發(fā)展的裂縫，未產生沿長邊方向發(fā)展的裂縫。但是沿短邊方向發(fā)展的裂縫并沒有相互連接形成貫通底板的裂縫。裂縫分布的范圍相對于試件PC1的分布范圍較小，也未超過左右兩四分點，如圖14所示，在卸載之后，所有可觀察到的裂縫均閉合。

根據測試結果，施加預應力鋼筋有效減少了混凝土在疲勞荷載下的開裂，預應力混凝土試件側面裂縫數(shù)量增多，但高度均未超過試件高度的1/2，底面產生縱橋向裂縫，卸載后裂縫均閉合。

3 結語

本文以中小跨徑組合梁的橋面板為研究對象，對鋼筋混凝土及預應力混凝土兩種類型的橋面板開展足尺模型的靜力試驗及疲勞試驗，對比了施加預應力對于混凝土橋面板疲勞性能的影響。結果表明：

1)鋼筋混凝土橋面板在開裂后剛度較小，在疲勞加載的過程中可下降的幅度較小。在剛度達到穩(wěn)定期時，疲勞剛度約為初始剛度的98%，在試件發(fā)生破壞時，疲勞剛度下降至初始剛度的91%。相比較而言，預應力混凝土橋面板并未發(fā)生破壞跡象。因此，施加預應力可以有效限制板底混凝土開裂，增強混凝土試件剛度，預留更多的安全空間。

2)由于疲勞加載破壞了鋼筋混凝土橋面板，其跨中撓度、板頂混凝土壓應力變化規(guī)律，均呈現(xiàn)出初期較快，中期長時間穩(wěn)定，在破壞前再次加速發(fā)展的“S”型曲線。鋼筋混凝土橋面板在發(fā)生破壞時，破壞現(xiàn)象為跨中形成主裂縫，最外側鋼筋發(fā)生斷裂，跨中撓度快速發(fā)展。預應力混凝土試件因未發(fā)生破壞，僅具有前兩個階段的特點。

3)鋼筋混凝土橋面板荷載作用下，底部混凝土易開裂，有效受壓區(qū)高度降低，截面中性軸上移，造成底部受拉鋼筋應力值增大。施加預應力可有效限制混凝土開裂，使受拉鋼筋與混凝土共同作用，因此施加預應力可有效延長橋面板疲勞壽命。