劉博

（福州城投混凝土有限公司，福州 350017）

1 引言

橋梁結(jié)構(gòu)承受的動(dòng)荷載隨著車(chē)輛載重的提升而不斷增加，致使橋梁預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)易陷入疲勞狀態(tài)，繼而引發(fā)安全問(wèn)題，該問(wèn)題現(xiàn)已在各地路橋基礎(chǔ)設(shè)施中普遍出現(xiàn)，對(duì)路橋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成極大的威脅。為避免安全事故的發(fā)生，需采用各種檢測(cè)方法了解橋梁預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的安全性能。

2 抗疲勞性能檢測(cè)的必要性

汽車(chē)運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)在新時(shí)代背景下迅猛發(fā)展，社會(huì)交通運(yùn)輸需求驟增，為滿(mǎn)足當(dāng)代產(chǎn)業(yè)運(yùn)輸需求，引發(fā)了汽車(chē)重載化現(xiàn)象，在汽車(chē)超重條件下，道路橋梁所承受的動(dòng)荷載逐漸增加，繼而對(duì)道路路面及橋梁結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞，致使橋梁疲勞失效現(xiàn)象過(guò)早出現(xiàn)，出現(xiàn)如圖1、圖2所示裂縫問(wèn)題。引發(fā)疲勞失效的關(guān)鍵在結(jié)構(gòu)的于靜態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度高于破壞應(yīng)力，以此對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成緩慢破壞。從本質(zhì)上來(lái)看，橋梁疲勞失效屬于損傷逐漸累積的緩慢過(guò)程。預(yù)應(yīng)力疲勞現(xiàn)象不僅出現(xiàn)在鋼架橋梁結(jié)構(gòu)中，也對(duì)混凝土橋梁結(jié)構(gòu)造成了嚴(yán)重破壞，若橋梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期處于該狀態(tài)，混凝土橋梁結(jié)構(gòu)使用壽命會(huì)大幅縮減，結(jié)構(gòu)耐久性及穩(wěn)定性會(huì)大大降低，繼而埋下安全隱患[1]。因此，為有效規(guī)避由預(yù)應(yīng)力疲勞問(wèn)題引發(fā)的安全問(wèn)題，需實(shí)時(shí)檢測(cè)混凝土橋梁結(jié)構(gòu)抗疲勞性能。

圖1 橋梁跨中裂縫

圖2 橋梁板底縱向裂縫

通過(guò)上述分析研究可見(jiàn)，對(duì)橋梁混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗疲勞性能檢測(cè)極有必要。結(jié)合現(xiàn)階段檢測(cè)情況來(lái)看，傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)主要是通過(guò)檢測(cè)疲勞載荷狀況下橋梁預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的剛度退化、裂縫發(fā)展情況而演算得出剛度退化方程，并基于該剛度退化方程編寫(xiě)橋梁用預(yù)應(yīng)力混凝土疲勞撓度計(jì)算程序。完成上述檢測(cè)步驟后，需進(jìn)一步分析橋梁結(jié)構(gòu)的受力特性，并構(gòu)建早期裂縫的數(shù)學(xué)有限元分析模型，用于反映橋梁混凝土結(jié)構(gòu)疲勞損傷情況，同時(shí)基于所搭建的有限元模型計(jì)算橋梁混凝土在橫向作用力下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，在此基礎(chǔ)上融入疲勞損傷累計(jì)理論，以此即可綜合性完成抗疲勞性能檢測(cè)作業(yè)。但在具體實(shí)踐檢測(cè)過(guò)程中，除借助方程模型理論檢測(cè)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)外，還可結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)的具體表現(xiàn)，應(yīng)用更為直觀的檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力混凝土疲勞病害檢測(cè)，如滲透探傷（其技術(shù)原理見(jiàn)圖3）、超聲波檢測(cè)等無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。其中，超聲波檢測(cè)技術(shù)可得出橋梁預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂縫變化情況，而滲透探傷在橋梁表面裂縫檢測(cè)中效果更佳。

圖3 滲透探傷技術(shù)原理

3 橋梁預(yù)應(yīng)力混凝土抗疲勞性能檢測(cè)技術(shù)

根據(jù)上述分析可知，傳統(tǒng)的抗疲勞性能檢測(cè)方法存在一定的缺陷，因此，本文在原有檢測(cè)方式的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。結(jié)合傳統(tǒng)檢測(cè)方法完成有限元模型的構(gòu)建后，改變理論基礎(chǔ)，引入裂縫黏結(jié)滑移理論，對(duì)橋梁混凝土結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力裂縫寬度最大值進(jìn)行計(jì)算，繼而檢測(cè)抗疲勞性能。在檢測(cè)過(guò)程中，橋梁混凝土結(jié)構(gòu)功能函數(shù)中存在基本變量，此外，作用于橋梁混凝土結(jié)構(gòu)的荷載較多，主要為風(fēng)荷載、活荷載、恒荷載，在極限狀態(tài)下時(shí)，3種荷載共同作用，致使橋梁混凝土結(jié)構(gòu)陷入疲勞狀態(tài)，將橋梁混凝土結(jié)構(gòu)能夠承受的破壞次數(shù)及幅值分別設(shè)為Ni和σai，在整個(gè)抗疲勞性能檢測(cè)中，基于結(jié)構(gòu)的損傷情況設(shè)定循環(huán)，即循環(huán)一次所造成的預(yù)應(yīng)力疲勞損傷為1/N，若橋梁混凝土結(jié)構(gòu)受到的荷載不同，則可進(jìn)一步將損傷設(shè)定為n1/N1、n2/N2，將橋梁混凝土結(jié)構(gòu)承受的預(yù)應(yīng)力損傷設(shè)定為1，此時(shí)可將式（1）作為疲勞損傷的判定依據(jù)，公式如下：

式中，D、ni分別為橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞損傷程度和實(shí)際損傷度對(duì)應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；Ni為破壞次數(shù)，可進(jìn)一步表示為橋梁混凝土結(jié)構(gòu)遭受損傷后的壽命[2]。按照上述參數(shù)及關(guān)系式能夠得出橋梁混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞損傷程度，繼而可完成結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的計(jì)算，并得出應(yīng)力最大值與最小值。

當(dāng)車(chē)輛于橋梁結(jié)構(gòu)上通行時(shí)，橋梁混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定的撓度，對(duì)于該部分受彎構(gòu)件，可通過(guò)計(jì)算預(yù)應(yīng)力裂縫寬度得出結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗疲勞性能。在預(yù)應(yīng)力裂縫寬度計(jì)算過(guò)程中，主要涉及受拉區(qū)預(yù)應(yīng)力受力點(diǎn)至結(jié)構(gòu)界面合力點(diǎn)間的距離、應(yīng)力為零時(shí)的預(yù)應(yīng)力縱向合力、應(yīng)力為零時(shí)的預(yù)應(yīng)力合力、后張法結(jié)構(gòu)次彎矩等參數(shù)。計(jì)算得出橋梁混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力裂縫寬度最大值，并進(jìn)一步分析最大裂縫寬度狀況下對(duì)應(yīng)的最大疲勞強(qiáng)度，在實(shí)際橋梁通行環(huán)境下，若動(dòng)荷載預(yù)應(yīng)力強(qiáng)度造成的疲勞裂縫寬度超出上述計(jì)算的最大值，則意味著橋梁存在垮塌隱患?；诹芽p黏結(jié)滑移理論總結(jié)最大裂縫寬度計(jì)算公式：

式中，wmax為最大裂縫寬度；a為試驗(yàn)參數(shù)；φc,n為壓應(yīng)變?cè)龃笙禂?shù)。

4 抗疲勞性能檢測(cè)技術(shù)試驗(yàn)分析

4.1 試驗(yàn)思路

為檢驗(yàn)基于裂縫黏結(jié)滑移理論的預(yù)應(yīng)力混凝土抗疲勞性能檢測(cè)方法的有效性，按照某運(yùn)行多年的中小跨徑預(yù)應(yīng)力橋梁中的結(jié)構(gòu)制造試驗(yàn)構(gòu)件，借助改進(jìn)后的抗疲勞檢測(cè)方法檢測(cè)該試驗(yàn)構(gòu)件的抗疲勞性能，得出該試驗(yàn)構(gòu)件發(fā)生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)。在此基礎(chǔ)上，采用車(chē)輛荷載模擬的方式對(duì)試驗(yàn)構(gòu)件進(jìn)行加載，用于驗(yàn)證其抗疲勞性能檢測(cè)情況，同時(shí)因試驗(yàn)構(gòu)件的原型為某中小跨徑預(yù)應(yīng)力橋梁，故可將疲勞性能模擬試驗(yàn)結(jié)果與該中小跨徑預(yù)應(yīng)力橋梁具體情況進(jìn)行對(duì)比，借助超聲波檢測(cè)法、滲透探傷檢測(cè)法得出預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)裂縫病害信息，經(jīng)綜合對(duì)比得出裂縫黏結(jié)滑移理論抗疲勞性。

4.2 試驗(yàn)過(guò)程

按照某中小跨徑預(yù)應(yīng)力橋梁混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造試驗(yàn)構(gòu)件，試件長(zhǎng)度、高度、寬度分別為400 cm、18.1 cm、120 cm，同時(shí)為便于了解試驗(yàn)構(gòu)件應(yīng)變情況，在制作試驗(yàn)構(gòu)件時(shí)，在構(gòu)件內(nèi)部埋設(shè)應(yīng)變片。此外，為模擬橋梁預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)受到的荷載，單獨(dú)設(shè)計(jì)并制造了模擬車(chē)輛荷載所需的加載梁，加載梁面積與車(chē)輛荷載面積相符，其長(zhǎng)度、寬度分別為22.5 cm、70 cm。為提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，參照中小跨徑預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范的要求對(duì)試驗(yàn)構(gòu)件所處環(huán)境進(jìn)行調(diào)整，將預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)置于試驗(yàn)板截面中部，力圖還原試驗(yàn)構(gòu)件原型預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在橋梁中的存在場(chǎng)景。在正式試驗(yàn)之前，按照中小跨徑預(yù)應(yīng)力橋梁混凝土結(jié)構(gòu)施工作業(yè)要求對(duì)試驗(yàn)試件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，用于保障試驗(yàn)構(gòu)件狀態(tài)。完成試驗(yàn)構(gòu)件處理步驟后，準(zhǔn)備預(yù)應(yīng)力加載試驗(yàn)所需設(shè)備，即拉線(xiàn)位移計(jì)、疲勞試驗(yàn)機(jī)（50 t）。其中，疲勞試驗(yàn)機(jī)能夠?qū)虞d梁施加作用力，該作用力可通過(guò)加載梁均勻傳輸給試驗(yàn)構(gòu)件。

試驗(yàn)期間采用循環(huán)反復(fù)的形式模擬橋梁交通荷載，其中，動(dòng)荷載上限與靜荷載結(jié)果一致，靜荷載結(jié)果的50%為動(dòng)荷載的下限，在此條件下，所形成的應(yīng)力幅呈正弦波形規(guī)律，其中上峰值、下峰值分別為125 kN、60 kN，加載幅值、加載頻率分別為65 kN、4 Hz[3]。確定試驗(yàn)構(gòu)件加載條件后，運(yùn)用裂縫黏結(jié)滑移理論抗疲勞檢測(cè)方法計(jì)算求解，最終發(fā)現(xiàn)在上述加載條件及試驗(yàn)條件下，該試驗(yàn)構(gòu)件可在2.5×106次循環(huán)反復(fù)加載后進(jìn)入疲勞狀態(tài)，并發(fā)生結(jié)構(gòu)損壞。為檢驗(yàn)裂縫黏結(jié)滑移理論抗疲勞檢測(cè)方法有效性性，借助應(yīng)變片獲得試驗(yàn)構(gòu)件應(yīng)力變化情況，同時(shí)運(yùn)用拉線(xiàn)位移計(jì)記錄采集預(yù)應(yīng)力試驗(yàn)構(gòu)件制底板跨中位置數(shù)據(jù)，通過(guò)觀察了解試驗(yàn)構(gòu)件發(fā)生裂縫的情況。通過(guò)該次加載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力試驗(yàn)構(gòu)件在循環(huán)反復(fù)第2.9×106次時(shí)出現(xiàn)疲勞損壞現(xiàn)象，跨中撓度急劇上升，應(yīng)變片所采集到的應(yīng)力數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 預(yù)應(yīng)力試驗(yàn)構(gòu)件應(yīng)力變化情況

在預(yù)應(yīng)力試驗(yàn)構(gòu)件疲勞加載檢測(cè)試驗(yàn)中，構(gòu)件在2.9×106次循環(huán)反復(fù)時(shí)發(fā)生疲勞損壞現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為跨中裂縫。裂縫黏結(jié)滑移理論抗疲勞檢測(cè)方法與加載試驗(yàn)所得出的結(jié)果存在差異，為進(jìn)一步了解裂縫黏結(jié)滑移理論抗疲勞檢測(cè)方法的精度，對(duì)試驗(yàn)構(gòu)件原型橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查。采用超聲波檢測(cè)法與滲透探傷檢測(cè)法確定橋梁預(yù)應(yīng)力混凝土裂縫發(fā)展程度，并將橋梁混凝土結(jié)構(gòu)所處環(huán)境與試驗(yàn)加載模擬情況進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)疲勞損壞發(fā)生節(jié)點(diǎn)與裂縫黏結(jié)滑移理論抗疲勞檢測(cè)方法所得結(jié)果更為接近，換算成試驗(yàn)循環(huán)反復(fù)次數(shù)來(lái)看，約為2.5×106次。裂縫黏結(jié)滑移理論抗疲勞檢測(cè)方法與加載試驗(yàn)產(chǎn)生偏差的原因主要為風(fēng)荷載等荷載變量，在裂縫黏結(jié)滑移理論抗疲勞檢測(cè)方法所構(gòu)建的模型中，綜合考慮了多種荷載類(lèi)型，而加載試驗(yàn)內(nèi)并未添加風(fēng)荷載等條件，以此導(dǎo)致了檢測(cè)結(jié)果差異的產(chǎn)生。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在橋梁混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力疲勞檢測(cè)過(guò)程中，采用傳統(tǒng)檢測(cè)方法存在一定缺陷，具有效率低、精度不滿(mǎn)足要求等問(wèn)題，可能無(wú)法良好地得出橋梁混凝土結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能情況。針對(duì)這一現(xiàn)象，本本融入了新的理論基礎(chǔ)，提出了新的檢測(cè)技術(shù)思路，并通過(guò)試驗(yàn)的方式對(duì)檢測(cè)效果進(jìn)行了檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)本次所提出的檢測(cè)技術(shù)具有優(yōu)良效果，優(yōu)勢(shì)顯著，可將其應(yīng)用到橋梁混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力疲勞檢測(cè)作業(yè)中。