預應力混凝土橋面板疲勞性能試驗研究

田 波，易志宏，趙喻賢，劉玉擎

（1.四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610041；2.同濟大學，上海 200092）

1 引言

隨著我國經濟建設的發展，越來越多的中小跨徑橋梁由于其實用性投入運營。而由于外部環境的復雜，橋梁會受到風、車輛運營等重復的動荷載作用，結構材料在重復荷載作用下，將會發生低于靜載強度的脆性破壞，即疲勞破壞。日本Kinuura橋、英國Seven橋、虎門大橋、武漢長江大橋等橋面板上發現疲勞裂紋和疲勞破壞。由于國內經濟生活發展迅速，各橋梁交通量激增，其運營荷載高于設計荷載，而組合橋面板由于其優良的力學性能和經濟性廣泛應用于中小跨徑橋梁，因此此類橋梁的疲勞性能應得到足夠的重視。而針對混凝土橋面板是否需要施加預應力，以及施加預應力對其疲勞性能影響的研究還較少。

為了對中小跨徑預應力混凝土橋面板的疲勞性能展開研究，文章利用鋼筋混凝土橋面板展開對照試驗研究，通過利用液壓脈動疲勞試驗機進行正弦波加載試驗，為盡可能貼近實際情況，結合在同濟大學建筑結構試驗室進行了足尺模型試驗，其結果可為同類型橋梁的設計和運營提供參考。

2 橋面板疲勞試驗

文章研究對象為中小跨徑橋梁組合橋面板，因此根據試驗設備要求和實際工程背景，試件尺寸定為長度4 m，寬度1.2 m，高0.181 m，同時為了更好模擬實際車輪荷載，設計了面積略寬于車輛輪軌荷載面積的加載梁，加載梁寬70 cm，長22.5 cm。試件為鋼筋混凝土橋面板和預應力混凝土橋面板兩種，考慮到試驗結果能為工程實踐提供參考，兩類橋面板配筋情況均參照規范要求，其中預應力鋼筋一般位于板截面的中部。在進行實驗前，應按照標準制作和養護流程對試件進行制作和養護，試件制作相關圖片如圖1所示。

圖1 試件制作及養護

試驗在同濟大學結構試驗中進行，試驗主要應用到的儀器包括50 t液壓脈動疲勞試驗機（PMS-500），應變片和拉線位移計。疲勞試驗機的作動頭直接作用在加載梁上，作用力由加載梁均勻傳遞給橋面板，試驗如圖2。而實驗通過循環反復加載實現對交通荷載的模擬，循環次數200萬次，動荷載的上限為靜荷載結果，下限為靜荷載結果的一半，荷載幅值變化采用正弦波形。圖3為試件RC1所采用的加載波形，上峰值為125 kN，下峰值為60 kN，加載幅值65 kN，加載頻率為4 Hz。

圖2 疲勞試驗

圖3 疲勞試驗荷載加載曲線

3 橋面板疲勞試驗結果分析

通過應變片和位移計進行試驗結果統計，試驗結果也包括在加載過程中觀察到的裂縫產生和發展的情況。

位移計主要統計了板底跨中位置的位移，應變片統計了各測點應力變化情況，而裂縫的產生和發展則通過試驗觀察和紀錄得到。跨中位移情況主要是鋼筋混凝土橋面板在循環荷載加載到47萬次之后跨中撓度劇烈增加，發生疲勞破壞，與之相對應的是預應力混凝土橋面板在290萬次循環荷載后跨中撓度才急劇提升，發生疲勞破壞。跨中頂板應變片應力試驗如圖4所示。

圖4 跨中頂板應力變化曲線

在疲勞試驗中，兩塊鋼筋混凝土橋面板試件均發生疲勞破壞，破壞現象均為跨中形成主裂縫，貫穿試件截面，底部混凝土發生脫落，鑿開主要裂縫處周圍30 cm的混凝土，找到并觀察主裂縫處的鋼筋，破壞原因均為試件跨中外側鋼筋發生疲勞斷裂，如圖5。而在疲勞試驗中，預應力鋼筋混凝土橋面板試件未發生破壞，僅僅產生裂縫。根據測試結果，施加預應力鋼筋有效減少了混凝土在疲勞荷載下的開裂。

圖5 鋼筋混凝土橋面板疲勞試驗

4 結語

文章未研究中小跨徑橋梁預應力混凝土橋面板的疲勞性能，對預應力混凝土橋面板和鋼筋混凝土橋面板進行疲勞試驗，其中鋼筋混凝土橋面板作為對照組，通過試驗模擬車輛荷載作用，得到預應力混凝土橋面板的疲勞性能與鋼筋混凝土橋面板的疲勞性能，結果表明：

（1）鋼筋混凝土橋在荷載較低和動荷載加載次數較低情況下即產生裂縫，而預應力混凝土橋面板能夠有效延后裂縫的發生。

（2）跨中頂板應力的結果顯示，預應力混凝土橋面板和鋼筋混凝土橋面板跨中頂板受力特性相似。在試驗工況下，預應力混凝土橋面板未破壞，而預應力混凝土橋面板頂板受力高于鋼筋混凝土。這也側面說明了預應力能夠提高混凝土橋面板的疲勞性能。

（3）鋼筋混凝土橋面板在開裂后由于截面中性軸的上移，其鋼筋受力較預應力混凝土更高，其疲勞性能明顯低于預應力混凝土橋板。