基于疲勞損傷的公路橋梁耐久性設(shè)計(jì)研究

摘要：公路橋梁疲勞損傷是材料在長(zhǎng)期反復(fù)荷載作用下性能劣化的結(jié)果，其受到諸多因素的影響。橋梁所承受的汽車荷載是主要的外界影響因素，同時(shí)材料的性能下降以及溫度、濕度及腐蝕性環(huán)境等環(huán)境條件也對(duì)疲勞損傷產(chǎn)生了明顯的作用。現(xiàn)有耐久性設(shè)計(jì)方法有一定缺陷，為了提高橋梁耐久性，需要從優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選擇高性能材料、加強(qiáng)施工質(zhì)量等方面進(jìn)行控制。同時(shí)，介紹了健康監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)，通過(guò)先進(jìn)的傳感器與大數(shù)據(jù)分析等手段對(duì)橋梁健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)，從而確保橋梁長(zhǎng)期安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：疲勞損傷耐久性設(shè)計(jì)車輛荷載材料性能健康監(jiān)測(cè)

DurabilityDesignResearchofHighwayBridgesBasedonFatigueDamage

LIGuozhen

ShaanxiXinxiCommercialEngineeringTechnologyCo.，Ltd.，Xi'an，ShaanxiProvince，710000China

Abstract：Fatiguedamageofhighwaybridgesisthe resultofmaterialperformancedegradationunderlong-termrepeatedloading，whichisinfluencedbyvariousfactors.Thevehicleloadsbornebybridgesarethemainexternalinfluencingfactors，andtheperformancedegradationofmaterialsaswellasenvironmentalconditionssuchastemperature，humidity，andcorrosiveenvironmentsalsohaveasignificantimpactonfatiguedamage.Theexistingdurabilitydesignmethodshavecertaindefects.Inordertoimprovethedurabilityofbridges，controlmeasuresneedtobetakenfromaspectssuchasoptimizingstructuraldesign，selectinghigh-performancematerials，andstrengtheningconstructionquality.Thearticlealsointroduceshealthmonitoringandevaluationtechnologies，whichmonitorandevaluatethehealthstatusofbridgesinrealtimethroughadvancedsensorsandbigdataanalysis，ensuringthelong-termsafeoperationofbridges.

KeyWords：Fatiguedamage;Durabilitydesign;Vehicleloading;Materialperformance;Healthmonitoring

在交通運(yùn)輸需求與日俱增的情況下，公路橋梁這一重要交通基礎(chǔ)設(shè)施的安全性與耐久性問(wèn)題引起了人們的普遍關(guān)注。疲勞損傷是危害橋梁結(jié)構(gòu)安全最主要的因素之一。目前，橋梁耐久性設(shè)計(jì)方法在實(shí)踐中暴露出來(lái)的問(wèn)題較多。因此，深入研究橋梁疲勞損傷形成機(jī)理及其影響因素、優(yōu)化耐久性設(shè)計(jì)方法對(duì)提高橋梁使用壽命與安全性至關(guān)重要。

1公路橋梁疲勞損傷的形成機(jī)制及影響因素

1.1汽車荷載對(duì)橋梁疲勞損傷的影響

汽車荷載作為橋梁結(jié)構(gòu)的主要外部荷載，其重要性不言而喻。經(jīng)常有汽車通行特別是重型車輛在橋梁上連續(xù)動(dòng)態(tài)作用使橋梁結(jié)構(gòu)處于反復(fù)受拉壓的受力狀態(tài)，從而造成疲勞損傷。據(jù)橋梁交通流量與疲勞損傷關(guān)系的相關(guān)研究與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，一座每天平均有2萬(wàn)輛汽車通行的橋梁，其疲勞損傷的發(fā)生率是交通流量較低的橋梁的3倍之多。

1.2材料性能劣化對(duì)疲勞損傷的影響

材料經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期服役后，其物理及化學(xué)性能都會(huì)出現(xiàn)劣化現(xiàn)象，如鋼材腐蝕、混凝土碳化等。這些劣化現(xiàn)象將導(dǎo)致材料抗疲勞性能下降和疲勞裂紋擴(kuò)展速率提高。根據(jù)材料性能與腐蝕對(duì)橋梁壽命影響的相關(guān)分析數(shù)據(jù)，可參考《材料科學(xué)與工程》，每當(dāng)橋梁的鋼材腐蝕增加1mm，其疲勞使用壽命會(huì)下降大約20%[1]。所以，材料的性能劣化對(duì)于橋梁的疲勞壽命有明顯影響。

2公路橋梁耐久性設(shè)計(jì)方法的現(xiàn)狀與問(wèn)題

2.1現(xiàn)行耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)

目前，關(guān)于公路混凝土橋梁的耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)主要是有《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTGD60-2015）、《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG3362-2018）及《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T3310-2019）等。這些規(guī)范對(duì)公路混凝土橋梁的基本設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)荷載、環(huán)境類別、環(huán)境作用等級(jí)及相關(guān)構(gòu)造要求等作了詳細(xì)的規(guī)定，為公路混凝土橋梁耐久性設(shè)計(jì)提出了基本的要求和設(shè)計(jì)方法。但由于交通量、環(huán)境等外部使用條件的變化等原因，現(xiàn)有規(guī)范在特殊條件下的針對(duì)性設(shè)計(jì)方面略顯欠缺。

2.2耐久性設(shè)計(jì)方法存在的不足

現(xiàn)行的耐久性設(shè)計(jì)方法多依靠經(jīng)驗(yàn)與定性分析，缺少系統(tǒng)量化評(píng)估與長(zhǎng)期性能預(yù)測(cè)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中常忽略材料長(zhǎng)期惡化與環(huán)境因素共同作用。另外，在施工質(zhì)量控制及后期維護(hù)管理等方面都沒(méi)有充分考慮耐久性的要求。根據(jù)橋梁耐久性設(shè)計(jì)方法及其缺陷的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在實(shí)際使用中，大約30%的橋梁因耐久性問(wèn)題而需要提前進(jìn)行大規(guī)模的維修或加固工作。所以，目前耐久性設(shè)計(jì)方法的系統(tǒng)性與全面性還有明顯缺陷。

3公路橋梁疲勞損傷與耐久性的改進(jìn)措施

3.1優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1.1采用合理的橋梁結(jié)構(gòu)形式

橋梁作為重點(diǎn)基礎(chǔ)設(shè)施，橋梁安全性與耐久性尤為重要。而采取合理的橋梁結(jié)構(gòu)形式和梁板構(gòu)件類型是保證這些特性的重要途徑，其能夠在降低維護(hù)成本的前提下有效地降低疲勞損傷和提高橋梁使用壽命。

在橋梁結(jié)構(gòu)形式方面，以拱橋?yàn)槔?，這種結(jié)構(gòu)形式巧妙的運(yùn)用力學(xué)原理，使拱肋主要承受壓力而不承受拉力，利用拱部承壓特性將絕大部分荷載轉(zhuǎn)換為拱部本身壓力并傳遞給橋臺(tái)以降低梁部剪切及彎曲應(yīng)力，利用不拉不疲的原理很好的解決了疲勞損傷的問(wèn)題。以我國(guó)著名的趙州橋?yàn)槔?，這座始建于隋朝的石拱橋不僅以其優(yōu)美的造型聞名世界，更以其超過(guò)1400年的悠久歷史而享譽(yù)盛名，也很好的展示了拱橋結(jié)構(gòu)的出色耐久性。例如：連續(xù)梁橋，利用連續(xù)梁結(jié)構(gòu)影響線的分布特征，使汽車荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的效應(yīng)得到了有效的降低，緩解橋梁局部受力過(guò)大的問(wèn)題。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和材料性能改進(jìn)的相關(guān)研究數(shù)據(jù)，可參考《土木工程學(xué)報(bào)》，連續(xù)梁橋與簡(jiǎn)支梁橋相比，其疲勞壽命可以提高約25%[2]。這意味著在相似的使用環(huán)境中和汽車荷載作用下，連續(xù)橋梁由于疲勞損傷引發(fā)的耐久性問(wèn)題較簡(jiǎn)支梁橋得到了顯著的改善。

在梁板構(gòu)件類型方面，混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞損傷主要是在拉應(yīng)力及侵蝕性環(huán)境作用下產(chǎn)生的，而采用預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，尤其是這部分預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件或全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，由于強(qiáng)大的預(yù)應(yīng)力為混凝土提供了較高的預(yù)壓力，使整個(gè)構(gòu)件在使用階段雖允許出現(xiàn)拉應(yīng)力但不開裂或不出現(xiàn)拉應(yīng)力，這樣就有效降低了構(gòu)件的疲勞損傷，提高了構(gòu)件的耐久性。

3.1.2優(yōu)化橋梁構(gòu)造細(xì)節(jié)

橋梁安全性與耐久性通常依賴于其構(gòu)造細(xì)節(jié)。對(duì)這些細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，例如：強(qiáng)化混凝土保護(hù)層厚度和焊接接頭設(shè)計(jì)，不但能夠顯著增強(qiáng)橋梁抗疲勞性，而且能夠延長(zhǎng)橋梁使用壽命、減少維護(hù)成本。

混凝土保護(hù)層厚度是保證結(jié)構(gòu)耐久性的最基本的要求。根據(jù)橋位處的環(huán)境類別及環(huán)境作用等級(jí)，合理確定混凝土保護(hù)層厚度，不但能提高混凝土對(duì)鋼筋的握裹力，保證鋼筋受力，還能有效的為鋼筋提供保護(hù)，使其免于直接與氧氣、水以及空氣中的腐蝕性離子接觸，進(jìn)而保護(hù)鋼筋免于銹蝕，提高結(jié)構(gòu)的耐久性。

焊接接頭作為橋梁構(gòu)造的關(guān)鍵部分，是應(yīng)力集中、疲勞裂紋產(chǎn)生的根源。根據(jù)新型高性能混凝土（High-PerformanceConcrete，HPC）的研究成果，通過(guò)對(duì)焊接接頭設(shè)計(jì)的優(yōu)化，如采用更為精細(xì)的制造工藝和調(diào)整焊縫的形態(tài)，可以將應(yīng)力集中系數(shù)降低20%，從而顯著增強(qiáng)橋梁的疲勞使用壽命，大約增加15%[3]。這樣就等于提高橋梁使用壽命及經(jīng)濟(jì)效益而又不會(huì)增加額外費(fèi)用。

3.2合理選擇原材料

3.2.1研發(fā)與應(yīng)用新型高性能混凝土

HPC由于其特有的高強(qiáng)度、高耐久性、優(yōu)異的抗疲勞性能等特點(diǎn)，給現(xiàn)代橋梁建設(shè)帶來(lái)了一種新型解決方案。依據(jù)HPC應(yīng)用效果的科學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)，可參考《土木工程學(xué)報(bào)》，與傳統(tǒng)混凝土相比，HPC的疲勞使用壽命有了明顯的增長(zhǎng)，平均增長(zhǎng)幅度超出了30%。這就意味著使用HPC修建的橋梁受到同樣荷載作用時(shí)，結(jié)構(gòu)疲勞破壞時(shí)間會(huì)大大推遲，橋梁安全性及耐久性大大提高。以歐洲為例，一項(xiàng)長(zhǎng)期的研究表明：一座用HPC修建的橋梁經(jīng)歷了幾十年高強(qiáng)度交通負(fù)荷之后，結(jié)構(gòu)完整性仍處于極好的水平。另外，HPC具有輕量化特性，這也是它特有的優(yōu)點(diǎn)。得益于其出色的強(qiáng)度，在確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的同時(shí)，可以大幅減少混凝土的使用，進(jìn)而減輕橋梁的整體重量。這樣在施工過(guò)程中既降低材料成本又減少對(duì)施工設(shè)備依賴、簡(jiǎn)化施工流程、縮短工期。同時(shí)，輕量化設(shè)計(jì)還有利于降低橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中對(duì)基礎(chǔ)的壓力和增強(qiáng)其穩(wěn)定性。從環(huán)保的角度來(lái)看，使用HPC能夠減少由于結(jié)構(gòu)損傷或性能降低導(dǎo)致的頻繁維護(hù)和更換，進(jìn)而在整個(gè)生命周期中減少碳的排放量。

3.2.2優(yōu)化混凝土結(jié)構(gòu)的原材料與配合比

水泥和骨料作為混凝土結(jié)構(gòu)最重要的原材料，其選用對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性至關(guān)重要。合理選擇水泥強(qiáng)度等級(jí)、抗?jié)B透性和耐久性，并考慮其工程性能，可以提高橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性和可靠性。

水灰比作為混凝土配合比設(shè)計(jì)的重要控制參數(shù)，合理控制水灰比可以顯著影響混凝土的強(qiáng)度和耐久性。較低的水灰比可以降低混凝土中的孔隙率，提高其致密性和抗?jié)B性，從而減少水分和有害物質(zhì)的滲透，延長(zhǎng)橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命。

3.3加強(qiáng)施工質(zhì)量控制

3.3.1建立完善的施工質(zhì)量管理制度

為保證橋梁及其他基礎(chǔ)設(shè)施耐久性，制定科學(xué)、嚴(yán)格、全面的施工質(zhì)量管理制度應(yīng)該包含詳細(xì)的質(zhì)量控制流程、嚴(yán)格的監(jiān)督檢查機(jī)制和公平的獎(jiǎng)懲措施，以確保施工過(guò)程中從材料采購(gòu)、施工操作到驗(yàn)收的每一個(gè)步驟的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和檢查方法的每個(gè)細(xì)節(jié)均符合標(biāo)準(zhǔn)。例如：對(duì)橋梁建設(shè)來(lái)說(shuō)，要求保證所用混凝土強(qiáng)度、鋼筋規(guī)格等均滿足設(shè)計(jì)要求，而通過(guò)對(duì)施工期進(jìn)行定期檢測(cè)與測(cè)試，對(duì)可能存在的問(wèn)題及時(shí)進(jìn)行發(fā)現(xiàn)與解決。監(jiān)Y0Mgr7PYok8mhtkVG++UqA==督檢查機(jī)制則由內(nèi)部質(zhì)量檢查部門和外部第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)組成，這些機(jī)構(gòu)與施工團(tuán)隊(duì)無(wú)關(guān)，通過(guò)定期抽查、專項(xiàng)檢查等方式，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能存在的質(zhì)量隱患，避免小問(wèn)題發(fā)展為大災(zāi)害。同時(shí)，獎(jiǎng)懲措施能調(diào)動(dòng)施工團(tuán)隊(duì)主動(dòng)遵守質(zhì)量管理制度的積極性[4]。依據(jù)相關(guān)的學(xué)術(shù)研究，一個(gè)健全的施工質(zhì)量管理體系能有效降低施工過(guò)程中的缺陷，據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，這一體系能顯著延長(zhǎng)橋梁的使用壽命大約20%。

3.3.2提高施工人員的技術(shù)水平和質(zhì)量意識(shí)

施工人員技術(shù)水平以及質(zhì)量意識(shí)都是影響工程品質(zhì)的關(guān)鍵性因素。而定期開展施工人員技術(shù)培訓(xùn)與質(zhì)量意識(shí)教育來(lái)加強(qiáng)其對(duì)于橋梁耐久性重要性認(rèn)識(shí)是促進(jìn)施工質(zhì)量提高的必然手段。根據(jù)施工質(zhì)量管理和施工人員培訓(xùn)效果的行業(yè)研究報(bào)告，例如《建設(shè)工程管理》，通過(guò)有系統(tǒng)和有針對(duì)性地培訓(xùn)，施工人員在施工過(guò)程中出現(xiàn)的技術(shù)錯(cuò)誤和遺漏可以得到顯著地減少，從而使施工缺陷率平均降低了30%，而施工質(zhì)量的提高，橋梁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、抗腐蝕性和抗疲勞性等耐久性指標(biāo)可提升15%，從而大大延長(zhǎng)了橋梁的使用壽命，節(jié)省了后期的維護(hù)成本[5]。例如：某大型建筑企業(yè)在執(zhí)行此策略之后，其建設(shè)項(xiàng)目的缺陷率從原先的15%減至10%，同時(shí)新建的橋梁的耐用性也增長(zhǎng)了20年。

4結(jié)語(yǔ)

綜上所述，公路橋梁的疲勞損傷和耐久性設(shè)計(jì)是一個(gè)涉及多學(xué)科、多因素的復(fù)雜問(wèn)題。通過(guò)深入研究疲勞損傷的形成機(jī)制和影響因素，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，合理選擇原材料，加強(qiáng)施工質(zhì)量控制，并引入健康監(jiān)測(cè)和評(píng)估技術(shù)，可以顯著提高橋梁的耐久性和安全性。未來(lái)，應(yīng)進(jìn)一步完善耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合現(xiàn)代科技手段，如大數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)橋梁健康狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)估，確保橋梁結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期安全運(yùn)營(yíng)。

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