傅俊磊，洪 華，曹素功，田 浩

（1.浙江省交通運(yùn)輸科學(xué)研究院，浙江 杭州 310023；2.浙江省道橋檢測(cè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311305）

在目前的橋梁設(shè)計(jì)和施工過程中，橋梁模型試驗(yàn)是驗(yàn)證新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝的常用方式，得到了廣泛的應(yīng)用。采用一定比例的縮尺模型，模擬橋梁原型的局部或全部特征，在試驗(yàn)機(jī)中施加對(duì)應(yīng)工況的荷載，所獲得的數(shù)據(jù)和結(jié)果可以推算至原型結(jié)構(gòu)上[1]。模型和原型相比，其結(jié)構(gòu)、材料、工況等因素相似程度越高，試驗(yàn)結(jié)果的針對(duì)性和準(zhǔn)確性也相應(yīng)越高，能推算出更真實(shí)的原型數(shù)據(jù)。橋梁在外界荷載的反復(fù)作用[2]下，疲勞損傷不斷累積，對(duì)其耐久性和使用壽命產(chǎn)生影響[3]，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)疲勞性能的研究很有必要。如何合理地設(shè)計(jì)疲勞試驗(yàn)，確定模型和試驗(yàn)工況[4]，是開展疲勞試驗(yàn)的重要前提。

諸多學(xué)者開展了不同類型的疲勞試驗(yàn)。劉占宏[5]以風(fēng)溝公路橋梁為研究對(duì)象，采用馬爾科夫鏈預(yù)測(cè)方法對(duì)其車輛荷載情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，研究表明鋼筋混凝土梁總疲勞壽命約為150 萬次，低于規(guī)范規(guī)定的200 萬次。樊素[6]以中小跨徑公路橋梁三路居橋?yàn)檠芯繉?duì)象，采用ANSYS 軟件建立該橋車輛荷載模型，計(jì)算該橋的疲勞應(yīng)力，同時(shí)開展了縱筋腐蝕梁等幅疲勞試驗(yàn)，研究結(jié)果表明試驗(yàn)梁極限循環(huán)次數(shù)大幅度下降，接近甚至小于200 萬次。王立成等[7]利用MTS 疲勞試驗(yàn)機(jī)和相關(guān)輔助加工設(shè)備，對(duì)施工縫施加水平和垂直荷載，進(jìn)行了靜載和先后兩次200 萬次不同荷載幅值的疲勞試驗(yàn)。余志武等[8]研究了重載鐵路橋梁12 片1/6 縮尺模型試件的疲勞加載試驗(yàn)，結(jié)果表明橋梁容許疲勞壽命為275～325 萬次，極限疲勞壽命為350～450 萬次。劉忠平等[9]設(shè)計(jì)了2 根預(yù)應(yīng)力型鋼筋混凝土梁，開展了靜載破壞試驗(yàn)和實(shí)橋等效應(yīng)力水平的疲勞試驗(yàn)，疲勞試驗(yàn)加載過程為先進(jìn)行200 萬次疲勞加載后進(jìn)行靜載破壞。陳開利[10]開展了2 片鋼筋混凝土梁和6 片用碳纖維布加固的鋼筋混凝土梁的模型試驗(yàn)，研究結(jié)果表明采用碳纖維加固的鋼筋混凝土梁經(jīng)過200 萬次疲勞加載后的抗彎承載力明顯提高。張興虎等[11]用碳纖維布加固1∶4 縮尺比的普通鋼筋混凝土梁和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁，并開展了疲勞試驗(yàn)研究，加固后的混凝土梁經(jīng)過200 萬次疲勞加載后強(qiáng)度和剛度未降低。趙金鋼等[12]設(shè)計(jì)并制作了1 根長(zhǎng)吊桿和1 根短吊桿并進(jìn)行足尺模型疲勞試驗(yàn)和承載力試驗(yàn)，其加載方案為先進(jìn)行200 萬次疲勞荷載循環(huán)加載后進(jìn)行靜力拉伸試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)設(shè)備

MTS 電液伺服高性能結(jié)構(gòu)測(cè)試系統(tǒng)（見圖1），由主機(jī)、泵站、伺服控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)與軟件系統(tǒng)、試驗(yàn)輔具、冷卻以及管路系統(tǒng)等組成，可對(duì)民用土木工程設(shè)施領(lǐng)域內(nèi)的材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的大載荷、大位移、滿尺度的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)特性測(cè)試。

圖1 電液伺服高性能結(jié)構(gòu)測(cè)試系統(tǒng)

大型液壓伺服加載系統(tǒng)（見圖2），由作動(dòng)器、液壓油源、數(shù)據(jù)采集與分析工作站、輸油管線系統(tǒng)、油源冷卻系統(tǒng)等部分組成，其主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室大尺度、大比例橋梁結(jié)構(gòu)模型動(dòng)靜力加載和疲勞加載破壞試驗(yàn)。

圖2 大型液壓伺服加載系統(tǒng)

HBM 數(shù)據(jù)采集儀（見圖3），從傳感器和其他待測(cè)設(shè)備等模擬和數(shù)字被測(cè)單元中自動(dòng)采集信息，通過模塊化硬件、應(yīng)用軟件和計(jì)算機(jī)的結(jié)合，測(cè)量電壓、電流、應(yīng)變、溫度、壓力或聲音等物理現(xiàn)象。數(shù)據(jù)采集儀整合了信號(hào)、傳感器、激勵(lì)器、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和應(yīng)用軟件等。

圖3 數(shù)據(jù)采集儀

試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)可用于分析各種設(shè)施結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件和結(jié)構(gòu)型式的連續(xù)疲勞、抗壓、抗風(fēng)、抗雪等工況，為各類民用工程領(lǐng)域內(nèi)的材料和結(jié)構(gòu)選型、設(shè)計(jì)、施工提供了設(shè)計(jì)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

2 橋面板疲勞加載試驗(yàn)方案

2.1 橋面板縱向連續(xù)構(gòu)造疲勞加載試驗(yàn)

本試驗(yàn)以2 片預(yù)制主梁的橋面板縱向連接段為研究對(duì)象，進(jìn)行足尺節(jié)段模型設(shè)計(jì)。以橋面板連續(xù)段支承在梁肋上的現(xiàn)澆部分的受力等效為原則進(jìn)行試件加載方案的設(shè)計(jì)，保證原型結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的橋面板連續(xù)段受力狀況一致。

為了考慮最不利的受力情況，試驗(yàn)加載達(dá)到的內(nèi)力按混凝土鉸形成前的狀況確定，以對(duì)橋面板連續(xù)段形成最大的正負(fù)彎矩；橋面板連續(xù)段承受的軸向拉力，考慮最不利狀態(tài)下支座最大摩阻力來計(jì)算；橋面板連續(xù)段承受的彎矩，按照永久作用產(chǎn)生的恒定彎矩值與活載產(chǎn)生的正彎矩和負(fù)彎矩值來施加。為了模擬實(shí)際情況，實(shí)現(xiàn)不同活載對(duì)試件作用不同的次數(shù)，將疲勞加載分為五個(gè)加載階段：第一階段，作用于試件永久作用彎矩值與車輛荷載產(chǎn)生的變化彎矩值；第二階段，在第一階段的基礎(chǔ)上加上橋面降溫產(chǎn)生的彎矩值；第三階段，在第一階段的基礎(chǔ)上，將車輛荷載產(chǎn)生的彎矩效應(yīng)提高25%；第四階段，在第一階段的基礎(chǔ)上，將車輛荷載產(chǎn)生的彎矩效應(yīng)提高50%；第五階段，在第一階段的基礎(chǔ)上加上橋面升溫產(chǎn)生的彎矩值。

通過疲勞機(jī)對(duì)試件進(jìn)行豎向加載，整個(gè)試驗(yàn)加載可分為以下幾個(gè)過程：

（1）預(yù)加載。疲勞機(jī)豎向施加10kN 的荷載，消除連接處的不良接觸，檢查測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)是否正常，校正儀器準(zhǔn)確后卸載。

（2）靜載循環(huán)。采用分級(jí)加載、卸載方式施加拉力與壓力，荷載分級(jí)如下：0kN→-50kN→-100kN→-150kN→-168kN→-150kN→-100kN→-50kN→0kN→50kN→61kN→50kN→0kN。重復(fù)施加3 次后靜載循環(huán)結(jié)束。

（3）疲勞加載。采用力控制方式加載，最大向下壓力-168kN，向上拉力61kN，施加固定頻率正弦荷載。第一階段的200 萬次疲勞加載過程是研究的重點(diǎn)，因此需要進(jìn)行加載制度的細(xì)分，當(dāng)疲勞加載次數(shù)分別達(dá)到1 萬次、2 萬次、5 萬次、10 萬次、20 萬次、40 萬次、60萬次、80 萬次、100 萬次、200 萬次，停機(jī)，按照靜載循環(huán)的分級(jí)制度施加靜載。

第一階段結(jié)束后，按順序進(jìn)行后續(xù)四個(gè)加載階段，疲勞機(jī)的作用力大小、加載頻率、作用次數(shù)列于表1中，其中加載力的正負(fù)號(hào)代表加載方向，負(fù)號(hào)表示疲勞機(jī)作用向下的力，正號(hào)表示疲勞機(jī)作用向上的力。

表1 疲勞加載分階段荷載表

如果五個(gè)疲勞加載循環(huán)后試件沒有破壞，則通過靜力加載至其發(fā)生破壞。當(dāng)出現(xiàn)下列現(xiàn)象時(shí)，認(rèn)為試件發(fā)生了破壞：

（1）試件某一根縱筋疲勞斷裂，或受壓區(qū)混凝土疲勞破壞。

（2）試件斜裂縫擴(kuò)展斷裂。

（3）支座處割縫混凝土出現(xiàn)大面積損壞。

（4）錨固鋼筋粘結(jié)滑移破壞。

2.2 橋面板接縫疲勞試驗(yàn)

本試驗(yàn)以兩片橋面板的后澆連接段為研究對(duì)象，進(jìn)行足尺節(jié)段模型設(shè)計(jì)（見圖4）?；谠囼?yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)際結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力等效的原則，設(shè)計(jì)試驗(yàn)加載工況、施加疲勞荷載。按照結(jié)構(gòu)自重與二期恒載產(chǎn)生的拉應(yīng)力和疲勞車輛荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力計(jì)算跨中施加的疲勞荷載，將疲勞加載分為三個(gè)階段：第一階段，永久作用和車輛荷載作用；第二階段，在第一階段的基礎(chǔ)上，將車輛荷載作用提高50%；第三階段，在第一階段的基礎(chǔ)上，將車輛荷載作用提高100%。

圖4 疲勞試驗(yàn)加載示意圖

通過疲勞機(jī)對(duì)試件進(jìn)行豎向加載，試驗(yàn)加載可分為以下幾個(gè)階段：

（1）預(yù)加載。對(duì)試件豎向施加1kN 的荷載，消除連接處的不良接觸，檢查測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)是否正常，校正儀器準(zhǔn)確后卸載。

（2）靜載循環(huán)。采用分級(jí)加載施加靜力荷載，荷載分級(jí)如下：0kN→2.6kN→5kN→10kN→15kN→21.7kN→0kN。

（3）疲勞加載。疲勞加載的最大力為21.7kN，最小力為2.6kN。采用力控制方式加載，施加固定頻率正弦荷載，循環(huán)加載次數(shù)為200 萬次，加載頻率5Hz。

第一階段：此階段的200 萬次疲勞加載過程是研究的重點(diǎn)，因此需要進(jìn)行加載制度的細(xì)分，當(dāng)疲勞加載次數(shù)分別達(dá)到1 萬次、5 萬次、10 萬次、20 萬次、40 萬次、60 萬次、80 萬次、100 萬次、150 萬次、200 萬次，停機(jī)，按照靜載循環(huán)的分級(jí)制度施加靜載。

第二階段：數(shù)據(jù)清零后，按照0kN→2.6kN→5kN→10kN→15kN→20kN→25kN→31.3kN→0kN 的分級(jí)加載施加靜載，之后施加2.6～31.3kN 疲勞荷載，加載20萬次。疲勞加載完成后，按照第二階段的靜載循環(huán)施加靜載。

第三階段：數(shù)據(jù)清零后，按照0kN→2.6kN→5kN→10kN→15kN→20kN→25kN→30kN→35kN→40.9kN→0kN 的分級(jí)加載施加靜力荷載，之后施加2.6～40.9kN疲勞荷載，加載次數(shù)與第二階段相同。疲勞加載完成后，按照第三階段的靜載循環(huán)施加靜載。

如果疲勞循環(huán)加載后試件沒有破壞，則通過靜力加載至其發(fā)生破壞。當(dāng)出現(xiàn)下列現(xiàn)象時(shí)，認(rèn)為試件發(fā)生了破壞：

（1）試件某一根縱筋疲勞斷裂，或受壓區(qū)混凝土疲勞破壞。

（2）試件斜裂縫擴(kuò)展導(dǎo)致脆性斷裂。

（3）預(yù)制和現(xiàn)澆混凝土連接接縫失效。

（4）錨固鋼筋粘結(jié)滑移破壞。

3 墩柱往復(fù)加載試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)以樁與承臺(tái)的連接構(gòu)造為研究對(duì)象，基于相似理論，采用1∶3 的縮尺比進(jìn)行模型設(shè)計(jì)（見圖5）?；谠囼?yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力等效的原則，豎向荷載由預(yù)埋在試件中心的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線施加，通過原結(jié)構(gòu)恒載壓力按照縮尺理論進(jìn)行換算，水平荷載則由作動(dòng)器施加。試驗(yàn)采用力-位移混合控制的加載方法，按照施加的水平荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力是否達(dá)到屈服，將加載過程分為兩個(gè)階段：第一階段，采用力控的方式進(jìn)行逐級(jí)加載，直到縱筋屈服，通過有限元估算縱筋屈服時(shí)的水平荷載，以此確定加載級(jí)差；第二階段，在第一階段的基礎(chǔ)上，取屈服位移δ 作為加載級(jí)差，采用位移控制的方式，逐級(jí)加載直至試件破壞。試驗(yàn)往復(fù)加載時(shí)，每級(jí)加載3 次。

圖5 往復(fù)加載試驗(yàn)示意圖

通過作動(dòng)器對(duì)試件進(jìn)行水平加載，試驗(yàn)加載可分為以下幾個(gè)階段：

（1）預(yù)加載。對(duì)試件施加±5kN 的荷載，消除連接處的不良接觸，檢查測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)是否正常，校正儀器準(zhǔn)確后卸載。

（2）力控加載。采用力控的方式進(jìn)行逐級(jí)加載，荷載分級(jí)如下：±20kN→±40kN→±60kN→±80kN→…→縱筋屈服。單向加載完持荷5 分鐘，再反向加載持荷5分鐘。

（3）位移控加載。取上一階段縱筋達(dá)到屈服狀態(tài)時(shí)作動(dòng)器的位移作為加載級(jí)差，采用位移控制的方式，分級(jí)如下：±δ→±2δ→±3δ→±4δ→…→試件破壞。單向加載完持荷5 分鐘，再反向加載持荷5 分鐘。

當(dāng)出現(xiàn)下列現(xiàn)象時(shí)，認(rèn)為試件發(fā)生了破壞：

（1）試件的縱筋拉斷。

（2）新循環(huán)最大加載力達(dá)到所有循環(huán)最大加載力的85%及以下。

4 結(jié)束語

疲勞試驗(yàn)的模型在與原型采用相同材料、滿足幾何相似、應(yīng)力相似等條件下，運(yùn)用結(jié)構(gòu)靜力相似準(zhǔn)則計(jì)算出試驗(yàn)所需工況對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)機(jī)力值，更進(jìn)一步，在模型安裝過程中，保證其運(yùn)動(dòng)學(xué)相似和動(dòng)力相似，采集到的數(shù)據(jù)可根據(jù)相似關(guān)系進(jìn)行換算得到實(shí)際結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。

疲勞試驗(yàn)的開展宜選取主要研究階段的工況，進(jìn)行200W 次的疲勞試驗(yàn)，并于指定次數(shù)停機(jī)重復(fù)靜載循環(huán)，記錄整個(gè)疲勞過程模型試件的變化。完成主要研究階段工況后，在此基礎(chǔ)上，將不同活載進(jìn)行組合（如溫度變化產(chǎn)生的荷載）或?qū)钶d進(jìn)行放大，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行不同次數(shù)的疲勞加載。如果疲勞試驗(yàn)結(jié)束試件仍未破壞，則施加靜力荷載直至其破壞，獲得極限承載力和破壞過程的相關(guān)數(shù)據(jù)。