部分预应力连续刚构桥梁疲劳分析研究

部分预应力连续刚构桥梁疲劳分析研究

尹泽政

尹泽政

广东华路交通科技有限公司510000

摘要：从设计上来说，混凝土桥梁是根据恒载和活载按最不利情况进行组合，采用静力强度来设计的，对桥梁在动荷载反复作用下的疲劳累积损伤考虑较少，而实际运营中的桥梁主要承受各种荷重车辆的反复作用，即使在尚未达到其承载能力极限的情况下，桥梁也可能出现混凝土开裂、钢筋锈蚀失效、整体承载能力下降等诸多病害。因此，对混凝土桥梁的疲劳寿命和使用安全日益受到桥梁管理部门的高度重视。为了确保部分预应力混凝土桥梁的安全使用，开展对其疲劳寿命的研究十分必要。

本文采用MSCFatigue疲劳分析软件对某部分预应力连续刚构桥进行了验算，结果表明受压区混凝土在使用过程中一般不会出现疲劳现象；且提高预应力度可有效改善受拉区普通钢筋的疲劳寿命，改善桥梁结构的整体疲劳性能。

关键词：部分预应力，连续刚构桥，荷载谱，MSCfatigue，疲劳寿命

0前言

近30多年来，我国桥梁建设事业得到了高速发展。由于受随机车辆载荷的频繁反复作用，加上现在超载现象越趋严重，很多桥梁由于疲劳而破坏。疲劳问题严重危及到社会生命财产安全，疲劳问题和桥梁的承载能力、稳定性一样，已经成为影响桥梁正常使用和耐久性的另一大因素。因此，桥梁的疲劳问题受到了研究者们的广泛关注。

1疲劳研究的基本理论和方法

基本理论：目前学者们提出多种疲劳累积损伤理论，其中Miner线性损伤理论、双线性累积损伤理论及非线性疲劳累积损伤理论应用较为广泛。本文研究采用的是Miner线性累积损伤理论，该理论具体介绍如下：

Miner线性累积损伤理论认为，材料在各级应力下的疲劳损伤是相互独立的，并且跟作用的时间先后顺序无关，材料总的损伤可以按线性形式累加起来。即假设在应力下材料达到破坏的循环次数为Ni，设D为最终断裂时的临界值。根据线性损伤理论，应力每作用一次对材料的损伤为D/Ni，则经过ni次后，对材料造成的总损伤为niD/Ni。

当各级应力对材料的损伤综合达到临界值D时，材料即发生破坏，即

上式称为线性累积损伤方程式，或帕姆格伦一迈因纳(Palingren-Miner)方程式。

基本方法：名义应力法的基本思想是[1]：用真实结构或结构模拟件进行疲劳寿命试验，获得真实结构在名义应力下的S-N曲线。然后利用计算得到的该部位的名义应力谱及Miner线性累积损伤理论计算结构的疲劳寿命。由于用于计算寿命的S-N曲线是直接由真实结构或结构模拟件的实验得到的，使得应力集中、尺寸效应及表面加工质量等影响疲劳强度的诸因素能够得到尽量精确的体现，所以用于疲劳寿命计算精度较高。

2疲劳分析方案流程

3工程应用实例

3.1工程概况

某大桥主桥为部分预应力连续刚构桥，桥面全宽12m，上部结构采用单箱单室箱型截面，其梁高及底板厚度按二次抛物线变化，预应力顶板束按墩顶截面对称布置，跨中和边跨底板布置底板束，腹板未设置预应力筋，主墩采用哑铃型双薄壁墩，基础采用钻孔灌注桩。全桥设计荷载为汽-20，挂-100，人群荷载3.5kN/m。

3.2材料参数定义

清华大学吴佩刚等[2]通过多组实验，采用动态应变仪进行数据采集的方式对混凝土疲劳性能进行研究，其研究结果表明，高强度混凝土疲劳强度的S-N关系的表达式为：

图3-5桥梁三维几何模型

根据疲劳寿命分析结果来看，由于连续刚构桥墩梁固结处构造变化，梁底转角处出现较大应力集中，导致该处很快出现疲劳损坏，其疲劳寿命为18000次，如图3-6所示，由图3-4中一个弯矩幅循环为25个月进行换算，因此应力集中处的疲劳寿命为37.5年。由此可以说明，应力集中对疲劳的影响相当大，显著降低了桥梁的疲劳寿命。

如果不计由于应力集中的影响，计算表明部分预应力连续刚构桥的疲劳破坏始于中跨跨中受拉区普通钢筋的疲劳损坏，其最低寿命为42000次，根据一个弯矩幅循环为25个月计算，钢筋最短寿命为87.5年。受拉区普通钢筋在循环荷载的反复作用下，首先由单根开始出现疲劳，随后其他钢筋也立即出现疲劳破坏，最后导致结构破坏。受压区（墩顶主梁下缘）普通钢筋由于压区混凝土承受了大部分压应力，其最大应力和应力幅度均比较小，因此较受拉区普通钢筋疲劳寿命更长，这表明相对受拉区钢筋来说，受压区普通钢筋并不容易产生疲劳破坏。预应力筋的张拉控制应力为1302MPa，在疲劳荷载的作用下，其疲劳寿命可达到以上，较普通钢筋和混凝土而言，其疲劳寿命大很多。预应力钢筋的疲劳问题不是桥梁结构疲劳破坏的控制因素。

图3-6墩梁固结处局部寿命云图图3-7钢筋及预应力筋寿命云图

4结论

①应力集中现象对桥梁疲劳影响很大，需在构造上应避免应力集中部位的产生，如设置倒角，减少应力集中程度。②相对受压区钢筋来说，受拉区普通钢筋更容易产生疲劳破坏，因此在桥梁设计时可对受拉区钢筋进行补强。③预应力钢筋在疲劳寿命方面较混凝土及普通钢筋较长，疲劳性能较好。

参考文献:

[1]傅祥炯．结构疲劳与断裂[M]．西安：西北工业大学出版社，1995．174

[2]吴佩刚，赵光仪，白利明．高性能混凝土抗压疲劳性能的研究[J]．土木工程学报，1994，27(3)：33-40

[3]曾志斌，李之榕．普通混凝土梁用钢筋的疲劳S-N曲线研究[J]．土木工程学报．1999，32(5)：10-14

[4]马林．国产1860级低松弛预应力钢绞线疲劳性能研究[J]．铁道标准设计．2000，20(5)：21-23