基于疲勞損傷的公路橋梁耐久性設計研究

摘要：公路橋梁疲勞損傷是材料在長期反復荷載作用下性能劣化的結果，其受到諸多因素的影響。橋梁所承受的汽車荷載是主要的外界影響因素，同時材料的性能下降以及溫度、濕度及腐蝕性環境等環境條件也對疲勞損傷產生了明顯的作用。現有耐久性設計方法有一定缺陷，為了提高橋梁耐久性，需要從優化結構設計、選擇高性能材料、加強施工質量等方面進行控制。同時，介紹了健康監測與評價技術，通過先進的傳感器與大數據分析等手段對橋梁健康狀態進行實時的監測與評價，從而確保橋梁長期安全運行。

關鍵詞：疲勞損傷耐久性設計車輛荷載材料性能健康監測

DurabilityDesignResearchofHighwayBridgesBasedonFatigueDamage

LIGuozhen

ShaanxiXinxiCommercialEngineeringTechnologyCo.，Ltd.，Xi'an，ShaanxiProvince，710000China

Abstract：Fatiguedamageofhighwaybridgesisthe resultofmaterialperformancedegradationunderlong-termrepeatedloading，whichisinfluencedbyvariousfactors.Thevehicleloadsbornebybridgesarethemainexternalinfluencingfactors，andtheperformancedegradationofmaterialsaswellasenvironmentalconditionssuchastemperature，humidity，andcorrosiveenvironmentsalsohaveasignificantimpactonfatiguedamage.Theexistingdurabilitydesignmethodshavecertaindefects.Inordertoimprovethedurabilityofbridges，controlmeasuresneedtobetakenfromaspectssuchasoptimizingstructuraldesign，selectinghigh-performancematerials，andstrengtheningconstructionquality.Thearticlealsointroduceshealthmonitoringandevaluationtechnologies，whichmonitorandevaluatethehealthstatusofbridgesinrealtimethroughadvancedsensorsandbigdataanalysis，ensuringthelong-termsafeoperationofbridges.

KeyWords：Fatiguedamage;Durabilitydesign;Vehicleloading;Materialperformance;Healthmonitoring

在交通運輸需求與日俱增的情況下，公路橋梁這一重要交通基礎設施的安全性與耐久性問題引起了人們的普遍關注。疲勞損傷是危害橋梁結構安全最主要的因素之一。目前，橋梁耐久性設計方法在實踐中暴露出來的問題較多。因此，深入研究橋梁疲勞損傷形成機理及其影響因素、優化耐久性設計方法對提高橋梁使用壽命與安全性至關重要。

1公路橋梁疲勞損傷的形成機制及影響因素

1.1汽車荷載對橋梁疲勞損傷的影響

汽車荷載作為橋梁結構的主要外部荷載，其重要性不言而喻。經常有汽車通行特別是重型車輛在橋梁上連續動態作用使橋梁結構處于反復受拉壓的受力狀態，從而造成疲勞損傷。據橋梁交通流量與疲勞損傷關系的相關研究與統計數據，一座每天平均有2萬輛汽車通行的橋梁，其疲勞損傷的發生率是交通流量較低的橋梁的3倍之多。

1.2材料性能劣化對疲勞損傷的影響

材料經過長期服役后，其物理及化學性能都會出現劣化現象，如鋼材腐蝕、混凝土碳化等。這些劣化現象將導致材料抗疲勞性能下降和疲勞裂紋擴展速率提高。根據材料性能與腐蝕對橋梁壽命影響的相關分析數據，可參考《材料科學與工程》，每當橋梁的鋼材腐蝕增加1mm，其疲勞使用壽命會下降大約20%[1]。所以，材料的性能劣化對于橋梁的疲勞壽命有明顯影響。

2公路橋梁耐久性設計方法的現狀與問題

2.1現行耐久性設計規范和標準

目前，關于公路混凝土橋梁的耐久性設計規范和標準主要是有《公路橋涵設計通用規范》（JTGD60-2015）、《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG3362-2018）及《公路工程混凝土結構耐久性設計規范》（JTG/T3310-2019）等。這些規范對公路混凝土橋梁的基本設計原則，設計荷載、環境類別、環境作用等級及相關構造要求等作了詳細的規定，為公路混凝土橋梁耐久性設計提出了基本的要求和設計方法。但由于交通量、環境等外部使用條件的變化等原因，現有規范在特殊條件下的針對性設計方面略顯欠缺。

2.2耐久性設計方法存在的不足

現行的耐久性設計方法多依靠經驗與定性分析，缺少系統量化評估與長期性能預測。在設計過程中常忽略材料長期惡化與環境因素共同作用。另外，在施工質量控制及后期維護管理等方面都沒有充分考慮耐久性的要求。根據橋梁耐久性設計方法及其缺陷的統計數據，在實際使用中，大約30%的橋梁因耐久性問題而需要提前進行大規模的維修或加固工作。所以，目前耐久性設計方法的系統性與全面性還有明顯缺陷。

3公路橋梁疲勞損傷與耐久性的改進措施

3.1優化結構設計

3.1.1采用合理的橋梁結構形式

橋梁作為重點基礎設施，橋梁安全性與耐久性尤為重要。而采取合理的橋梁結構形式和梁板構件類型是保證這些特性的重要途徑，其能夠在降低維護成本的前提下有效地降低疲勞損傷和提高橋梁使用壽命。

在橋梁結構形式方面，以拱橋為例，這種結構形式巧妙的運用力學原理，使拱肋主要承受壓力而不承受拉力，利用拱部承壓特性將絕大部分荷載轉換為拱部本身壓力并傳遞給橋臺以降低梁部剪切及彎曲應力，利用不拉不疲的原理很好的解決了疲勞損傷的問題。以我國著名的趙州橋為例，這座始建于隋朝的石拱橋不僅以其優美的造型聞名世界，更以其超過1400年的悠久歷史而享譽盛名，也很好的展示了拱橋結構的出色耐久性。例如：連續梁橋，利用連續梁結構影響線的分布特征，使汽車荷載對結構產生的效應得到了有效的降低，緩解橋梁局部受力過大的問題。根據橋梁結構優化設計和材料性能改進的相關研究數據，可參考《土木工程學報》，連續梁橋與簡支梁橋相比，其疲勞壽命可以提高約25%[2]。這意味著在相似的使用環境中和汽車荷載作用下，連續橋梁由于疲勞損傷引發的耐久性問題較簡支梁橋得到了顯著的改善。

在梁板構件類型方面，混凝土結構的疲勞損傷主要是在拉應力及侵蝕性環境作用下產生的，而采用預應力混凝土構件，尤其是這部分預應力混凝土A類構件或全預應力混凝土構件，由于強大的預應力為混凝土提供了較高的預壓力，使整個構件在使用階段雖允許出現拉應力但不開裂或不出現拉應力，這樣就有效降低了構件的疲勞損傷，提高了構件的耐久性。

3.1.2優化橋梁構造細節

橋梁安全性與耐久性通常依賴于其構造細節。對這些細節進行優化，例如：強化混凝土保護層厚度和焊接接頭設計，不但能夠顯著增強橋梁抗疲勞性，而且能夠延長橋梁使用壽命、減少維護成本。

混凝土保護層厚度是保證結構耐久性的最基本的要求。根據橋位處的環境類別及環境作用等級，合理確定混凝土保護層厚度，不但能提高混凝土對鋼筋的握裹力，保證鋼筋受力，還能有效的為鋼筋提供保護，使其免于直接與氧氣、水以及空氣中的腐蝕性離子接觸，進而保護鋼筋免于銹蝕，提高結構的耐久性。

焊接接頭作為橋梁構造的關鍵部分，是應力集中、疲勞裂紋產生的根源。根據新型高性能混凝土（High-PerformanceConcrete，HPC）的研究成果，通過對焊接接頭設計的優化，如采用更為精細的制造工藝和調整焊縫的形態，可以將應力集中系數降低20%，從而顯著增強橋梁的疲勞使用壽命，大約增加15%[3]。這樣就等于提高橋梁使用壽命及經濟效益而又不會增加額外費用。

3.2合理選擇原材料

3.2.1研發與應用新型高性能混凝土

HPC由于其特有的高強度、高耐久性、優異的抗疲勞性能等特點，給現代橋梁建設帶來了一種新型解決方案。依據HPC應用效果的科學調查數據，可參考《土木工程學報》，與傳統混凝土相比，HPC的疲勞使用壽命有了明顯的增長，平均增長幅度超出了30%。這就意味著使用HPC修建的橋梁受到同樣荷載作用時，結構疲勞破壞時間會大大推遲，橋梁安全性及耐久性大大提高。以歐洲為例，一項長期的研究表明：一座用HPC修建的橋梁經歷了幾十年高強度交通負荷之后，結構完整性仍處于極好的水平。另外，HPC具有輕量化特性，這也是它特有的優點。得益于其出色的強度，在確保結構穩固的同時，可以大幅減少混凝土的使用，進而減輕橋梁的整體重量。這樣在施工過程中既降低材料成本又減少對施工設備依賴、簡化施工流程、縮短工期。同時，輕量化設計還有利于降低橋梁運營過程中對基礎的壓力和增強其穩定性。從環保的角度來看，使用HPC能夠減少由于結構損傷或性能降低導致的頻繁維護和更換，進而在整個生命周期中減少碳的排放量。

3.2.2優化混凝土結構的原材料與配合比

水泥和骨料作為混凝土結構最重要的原材料，其選用對橋梁結構的耐久性至關重要。合理選擇水泥強度等級、抗滲透性和耐久性，并考慮其工程性能，可以提高橋梁結構的耐久性和可靠性。

水灰比作為混凝土配合比設計的重要控制參數，合理控制水灰比可以顯著影響混凝土的強度和耐久性。較低的水灰比可以降低混凝土中的孔隙率，提高其致密性和抗滲性，從而減少水分和有害物質的滲透，延長橋梁結構的使用壽命。

3.3加強施工質量控制

3.3.1建立完善的施工質量管理制度

為保證橋梁及其他基礎設施耐久性，制定科學、嚴格、全面的施工質量管理制度應該包含詳細的質量控制流程、嚴格的監督檢查機制和公平的獎懲措施，以確保施工過程中從材料采購、施工操作到驗收的每一個步驟的質量標準和檢查方法的每個細節均符合標準。例如：對橋梁建設來說，要求保證所用混凝土強度、鋼筋規格等均滿足設計要求，而通過對施工期進行定期檢測與測試，對可能存在的問題及時進行發現與解決。監Y0Mgr7PYok8mhtkVG++UqA==督檢查機制則由內部質量檢查部門和外部第三方檢測機構組成，這些機構與施工團隊無關，通過定期抽查、專項檢查等方式，能夠及時發現可能存在的質量隱患，避免小問題發展為大災害。同時，獎懲措施能調動施工團隊主動遵守質量管理制度的積極性[4]。依據相關的學術研究，一個健全的施工質量管理體系能有效降低施工過程中的缺陷，據統計數據表明，這一體系能顯著延長橋梁的使用壽命大約20%。

3.3.2提高施工人員的技術水平和質量意識

施工人員技術水平以及質量意識都是影響工程品質的關鍵性因素。而定期開展施工人員技術培訓與質量意識教育來加強其對于橋梁耐久性重要性認識是促進施工質量提高的必然手段。根據施工質量管理和施工人員培訓效果的行業研究報告，例如《建設工程管理》，通過有系統和有針對性地培訓，施工人員在施工過程中出現的技術錯誤和遺漏可以得到顯著地減少，從而使施工缺陷率平均降低了30%，而施工質量的提高，橋梁的結構穩定性、抗腐蝕性和抗疲勞性等耐久性指標可提升15%，從而大大延長了橋梁的使用壽命，節省了后期的維護成本[5]。例如：某大型建筑企業在執行此策略之后，其建設項目的缺陷率從原先的15%減至10%，同時新建的橋梁的耐用性也增長了20年。

4結語

綜上所述，公路橋梁的疲勞損傷和耐久性設計是一個涉及多學科、多因素的復雜問題。通過深入研究疲勞損傷的形成機制和影響因素，優化結構設計，合理選擇原材料，加強施工質量控制，并引入健康監測和評估技術，可以顯著提高橋梁的耐久性和安全性。未來，應進一步完善耐久性設計規范和標準，結合現代科技手段，如大數據，實現橋梁健康狀況的實時監測和評估，確保橋梁結構的長期安全運營。

參考文獻

[1]賈玉夢.大跨鋼混組合梁懸索橋的動力特性與疲勞性能研究[D].北京：北方工業大學，2023.

[2]王俊峰.基于足尺構件破壞試驗的混凝土橋梁疲勞壽命預測與裂縫分形研究[D].西安：長安大學，2022.

[3]史小川.基于疲勞腐蝕與重載耦合作用下的鋼-混凝土組合橋梁時變可靠度研究[D].西安：長安大學，2022.

[4]劉家齊.高速公路橋梁伸縮縫疲勞破壞機理分析及快速修復技術研究[D].鄭州：鄭州大學，2022.

[5]郁勝.公路橋梁監測數據孿生車流和溫度作用模型與疲勞評估方法[D].大連：大連理工大學，2021.