公路钢筋混凝土疲劳试验及耐久性研究

公路钢筋混凝土疲劳试验及耐久性研究

? 公路钢筋混凝土疲劳试验及耐久性研究 公路钢筋混凝土疲劳试验及耐久性研究 樊 素 (四川建筑职业技术学院 结构技术中心， 四川 德阳 618000) [摘 要] 随着公路服役年限的增加，公路钢筋混凝土梁疲劳破坏已在工程领域引起重视。首先建立了公路桥梁车辆荷载模型，然后以中小跨径公路桥梁三路居桥为例，结合ANSYS 9.0软件验算了算例桥梁的疲劳应力，最后结合超载问题以及实际运营荷载已不满足规范要求现状，对公路桥梁进行了试验研究，通过纵筋腐蚀梁等幅疲劳试验得出结论：各个试验梁极限循环次数大幅度下降，已经接近甚至小于200万次，表明我国中小跨径公路桥梁耐久性大大降低，存在潜在的安全事故问题。 [关键词] 车辆荷载模型； 疲劳应力； 等幅疲劳试验 0 引言 我国对跨河、跨海桥梁进行了大量的研究，然而仅有少量试验对公路桥梁的应力水平、疲劳水平进行研究，公路桥梁作为公路交通的瓶颈，在运营安全方面具有十分重大的意义。自上世纪以来，钢筋混凝土桥梁因其造价经济，制造简单等诸多优点，在中小跨径公路桥梁设计中得到了广泛的应用。在我国公路通车里程中，钢筋混凝土公路桥梁约占领总桥梁数的80%，因此钢筋混凝土公路桥梁在公路工程中占据着非常重要的地位，其设计、施工、养护等流程都十分重要。 钢

筋混凝土公路桥梁地位如此之重，却也存在着两个非常突出的安全问题： ①车辆对桥梁的承载能力要求越来越高； ②随着服役时间的增长，其承载能力逐渐减小且发生疲劳破坏的可能性日益增大。如果这两个问题不能得到有效的解决，必然会导致交通事故发生。引起公路桥梁承载力下降的因素有许多，主要包括材料自身特性、不良环境侵蚀以及长期汽车荷载作用。在长期的汽车荷载作用下，桥梁结构内部易引起损伤积累，使得桥梁发生疲劳破坏。 因此本文有针对性的选取了常见的典型中小跨度公路桥梁，进行实际运营荷载下的耐久性研究，已期提高公路桥梁的耐久性，进而提高公路的使用寿命。本文首先建立了公路桥梁车辆荷载模型，并选取中小跨径公路桥梁三路居桥为算例，结合ANSYS9.0软件验算了三路居桥梁的疲劳应力，通过模型与计算可知在小跨径公路桥梁荷载问题中，活荷载所占比重较高，存在较大的疲劳破坏潜在风险；并且由于我国超载问题较为严重，虽然算例桥梁的设计荷载满足规范要求，但是在实际运营荷载状况下已不满足规范要求，并不能将200万次作为公路桥梁的疲劳破坏界限，因此对公路桥梁进一步进行试验研究，通过纵筋腐蚀梁等幅疲劳试验可知各个试验梁极限循环次数大幅度下降，表明我国中小跨径公路桥梁存在很大的安全事故风险。 1 公路车辆疲劳荷载模型的建立 在实际工程中，公路桥梁的应力水平往往决定了公路的使用耐久性，我国对

跨河、跨海桥梁进行了大量的研究，然而仅有少量试验对公路桥梁的应力水平、超载水平进行研究，因此本文有针对性地选取了常见的典型中小跨度公路桥梁，进行实际运营荷载下的耐久性研究，以期提高公路桥梁的耐久性，进而提高公路的使用寿命。本文选取正在服役的三路居桥作为中小跨径桥梁的代表，该桥为三跨简支钢筋混凝土桥梁，全长37.9 m，宽度4.8 m，桥跨组合10 m+14.96 m+10 m，始建于1982年，并于2008年进行维修，维修后上部结构采取装配式钢筋混凝土T梁，中心间距1.6 m，其基本概况见表1，图1。 1.1 荷载模型及参数设计 根据我国现行《公路桥涵通道设计规范》(JTG D60 — 2004)，一般采取车道荷载与车辆荷载两种形式，车道荷载由均布荷载与集中荷载组成，按照公路1级水平，结合影响线最不利荷载方式来计算结构的荷载效应。车辆荷载用于桥梁局部加载效应计算，车道荷载与车辆荷载用于桥梁的静力计算，针对车辆动力效应，需要引入冲击数来对静力效应调整(见图2)。 表1 三路居桥钢筋混凝土基本概况Table1

Thebasicsituationofthreeroadbridgeofreinforcedconcrete桥梁名称跨径/m截面形式荷载等级车道数桥梁宽度/m梁高/m主梁片数混凝土等级纵筋数量及等级三路居桥14.96T梁公路1级14.80.753C30顶4?28底12?28 图1 三路居桥主梁跨中断面及构造配筋图

Figure 1 Three road bridge girder section and span structure reinforcement chart 图2 公路1级车道荷载模型 Figure 2 Load model of 1 grade highway 由于桥梁结构与车辆荷载相互作用会产生荷载变幅，因此要考虑恒荷载与活荷载的组合效应。在设计基本组合中，根据《公路桥涵通用设计规范》(JTG D60 — 2004)，恒荷载标准值组合系数取1.2，活荷载标准值组合系数取1.4。针对疲劳荷载组合，查阅美国AASHTO规范可知，AASHTO规范将疲劳极限状态并列于承载能力极限状态以及正常使用极限状态提出，疲劳荷载组合中仅仅考虑了0.75的活荷载组合系数。根据我国《混凝土结构设计规范》(GB 50010 — 2010)指出，在疲劳荷载验算中荷载应取标准值，吊车荷载需乘以动力系数，根据我国《钢结构设计规范》(GB50017 — 2003)，针对直接承受动力荷载结构，荷载标准值不乘以动力系数。综合上述规范可知，在各个荷载组合方法中，疲劳极限状态设计并未独立出来，因此结合公路桥梁实际问题，考虑到汽车荷载冲击效应明显，本文采取《混凝土结构设计规范》(GB 50010 — 2010)中的组合方法，对汽车荷载考虑冲击系数μ，具体组合方法如表2所示。 表2 荷载组合方式及参数Table2

Loadcombinationmodeandparameters荷载组合组合名称组合系数恒荷载活荷载组合1设计基本组合1.21.4组合2疲劳组合11+μ 冲击系数μ根据《公路桥涵通用设计规范》(JTGD60