桥梁疲劳试验加载方案简析*

傅俊磊，洪 华，曹素功，田 浩

（1.浙江省交通运输科学研究院，浙江 杭州 310023；2.浙江省道桥检测与养护技术研究重点实验室，浙江 杭州 311305）

在目前的桥梁设计和施工过程中，桥梁模型试验是验证新材料、新结构、新工艺的常用方式，得到了广泛的应用。采用一定比例的缩尺模型，模拟桥梁原型的局部或全部特征，在试验机中施加对应工况的荷载，所获得的数据和结果可以推算至原型结构上[1]。模型和原型相比，其结构、材料、工况等因素相似程度越高，试验结果的针对性和准确性也相应越高，能推算出更真实的原型数据。桥梁在外界荷载的反复作用[2]下，疲劳损伤不断累积，对其耐久性和使用寿命产生影响[3]，对桥梁结构疲劳性能的研究很有必要。如何合理地设计疲劳试验，确定模型和试验工况[4]，是开展疲劳试验的重要前提。

诸多学者开展了不同类型的疲劳试验。刘占宏[5]以风沟公路桥梁为研究对象，采用马尔科夫链预测方法对其车辆荷载情况进行预测，研究表明钢筋混凝土梁总疲劳寿命约为150 万次，低于规范规定的200 万次。樊素[6]以中小跨径公路桥梁三路居桥为研究对象，采用ANSYS 软件建立该桥车辆荷载模型，计算该桥的疲劳应力，同时开展了纵筋腐蚀梁等幅疲劳试验，研究结果表明试验梁极限循环次数大幅度下降，接近甚至小于200 万次。王立成等[7]利用MTS 疲劳试验机和相关辅助加工设备，对施工缝施加水平和垂直荷载，进行了静载和先后两次200 万次不同荷载幅值的疲劳试验。余志武等[8]研究了重载铁路桥梁12 片1/6 缩尺模型试件的疲劳加载试验，结果表明桥梁容许疲劳寿命为275～325 万次，极限疲劳寿命为350～450 万次。刘忠平等[9]设计了2 根预应力型钢筋混凝土梁，开展了静载破坏试验和实桥等效应力水平的疲劳试验，疲劳试验加载过程为先进行200 万次疲劳加载后进行静载破坏。陈开利[10]开展了2 片钢筋混凝土梁和6 片用碳纤维布加固的钢筋混凝土梁的模型试验，研究结果表明采用碳纤维加固的钢筋混凝土梁经过200 万次疲劳加载后的抗弯承载力明显提高。张兴虎等[11]用碳纤维布加固1∶4 缩尺比的普通钢筋混凝土梁和预应力钢筋混凝土梁，并开展了疲劳试验研究，加固后的混凝土梁经过200 万次疲劳加载后强度和刚度未降低。赵金钢等[12]设计并制作了1 根长吊杆和1 根短吊杆并进行足尺模型疲劳试验和承载力试验，其加载方案为先进行200 万次疲劳荷载循环加载后进行静力拉伸试验。

1 试验设备

MTS 电液伺服高性能结构测试系统（见图1），由主机、泵站、伺服控制系统、计算机与软件系统、试验辅具、冷却以及管路系统等组成，可对民用土木工程设施领域内的材料和结构进行精确的大载荷、大位移、满尺度的静态和动态力学特性测试。

图1 电液伺服高性能结构测试系统

大型液压伺服加载系统（见图2），由作动器、液压油源、数据采集与分析工作站、输油管线系统、油源冷却系统等部分组成，其主要应用于结构实验室大尺度、大比例桥梁结构模型动静力加载和疲劳加载破坏试验。

图2 大型液压伺服加载系统

HBM 数据采集仪（见图3），从传感器和其他待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集信息，通过模块化硬件、应用软件和计算机的结合，测量电压、电流、应变、温度、压力或声音等物理现象。数据采集仪整合了信号、传感器、激励器、信号调理、数据采集设备和应用软件等。

图3 数据采集仪

试验所得数据可用于分析各种设施结构基本构件和结构型式的连续疲劳、抗压、抗风、抗雪等工况，为各类民用工程领域内的材料和结构选型、设计、施工提供了设计参数和实验标准。

2 桥面板疲劳加载试验方案

2.1 桥面板纵向连续构造疲劳加载试验

本试验以2 片预制主梁的桥面板纵向连接段为研究对象，进行足尺节段模型设计。以桥面板连续段支承在梁肋上的现浇部分的受力等效为原则进行试件加载方案的设计，保证原型结构与试验结构的桥面板连续段受力状况一致。

为了考虑最不利的受力情况，试验加载达到的内力按混凝土铰形成前的状况确定，以对桥面板连续段形成最大的正负弯矩；桥面板连续段承受的轴向拉力，考虑最不利状态下支座最大摩阻力来计算；桥面板连续段承受的弯矩，按照永久作用产生的恒定弯矩值与活载产生的正弯矩和负弯矩值来施加。为了模拟实际情况，实现不同活载对试件作用不同的次数，将疲劳加载分为五个加载阶段：第一阶段，作用于试件永久作用弯矩值与车辆荷载产生的变化弯矩值；第二阶段，在第一阶段的基础上加上桥面降温产生的弯矩值；第三阶段，在第一阶段的基础上，将车辆荷载产生的弯矩效应提高25%；第四阶段，在第一阶段的基础上，将车辆荷载产生的弯矩效应提高50%；第五阶段，在第一阶段的基础上加上桥面升温产生的弯矩值。

通过疲劳机对试件进行竖向加载，整个试验加载可分为以下几个过程：

（1）预加载。疲劳机竖向施加10kN 的荷载，消除连接处的不良接触，检查测试系统数据是否正常，校正仪器准确后卸载。

（2）静载循环。采用分级加载、卸载方式施加拉力与压力，荷载分级如下：0kN→-50kN→-100kN→-150kN→-168kN→-150kN→-100kN→-50kN→0kN→50kN→61kN→50kN→0kN。重复施加3 次后静载循环结束。

（3）疲劳加载。采用力控制方式加载，最大向下压力-168kN，向上拉力61kN，施加固定频率正弦荷载。第一阶段的200 万次疲劳加载过程是研究的重点，因此需要进行加载制度的细分，当疲劳加载次数分别达到1 万次、2 万次、5 万次、10 万次、20 万次、40 万次、60万次、80 万次、100 万次、200 万次，停机，按照静载循环的分级制度施加静载。

第一阶段结束后，按顺序进行后续四个加载阶段，疲劳机的作用力大小、加载频率、作用次数列于表1中，其中加载力的正负号代表加载方向，负号表示疲劳机作用向下的力，正号表示疲劳机作用向上的力。

表1 疲劳加载分阶段荷载表

如果五个疲劳加载循环后试件没有破坏，则通过静力加载至其发生破坏。当出现下列现象时，认为试件发生了破坏：

（1）试件某一根纵筋疲劳断裂，或受压区混凝土疲劳破坏。

（2）试件斜裂缝扩展断裂。

（3）支座处割缝混凝土出现大面积损坏。

（4）锚固钢筋粘结滑移破坏。

2.2 桥面板接缝疲劳试验

本试验以两片桥面板的后浇连接段为研究对象，进行足尺节段模型设计（见图4）。基于试验模型与实际结构的拉应力等效的原则，设计试验加载工况、施加疲劳荷载。按照结构自重与二期恒载产生的拉应力和疲劳车辆荷载产生的拉应力计算跨中施加的疲劳荷载，将疲劳加载分为三个阶段：第一阶段，永久作用和车辆荷载作用；第二阶段，在第一阶段的基础上，将车辆荷载作用提高50%；第三阶段，在第一阶段的基础上，将车辆荷载作用提高100%。

图4 疲劳试验加载示意图

通过疲劳机对试件进行竖向加载，试验加载可分为以下几个阶段：

（1）预加载。对试件竖向施加1kN 的荷载，消除连接处的不良接触，检查测试系统数据是否正常，校正仪器准确后卸载。

（2）静载循环。采用分级加载施加静力荷载，荷载分级如下：0kN→2.6kN→5kN→10kN→15kN→21.7kN→0kN。

（3）疲劳加载。疲劳加载的最大力为21.7kN，最小力为2.6kN。采用力控制方式加载，施加固定频率正弦荷载，循环加载次数为200 万次，加载频率5Hz。

第一阶段：此阶段的200 万次疲劳加载过程是研究的重点，因此需要进行加载制度的细分，当疲劳加载次数分别达到1 万次、5 万次、10 万次、20 万次、40 万次、60 万次、80 万次、100 万次、150 万次、200 万次，停机，按照静载循环的分级制度施加静载。

第二阶段：数据清零后，按照0kN→2.6kN→5kN→10kN→15kN→20kN→25kN→31.3kN→0kN 的分级加载施加静载，之后施加2.6～31.3kN 疲劳荷载，加载20万次。疲劳加载完成后，按照第二阶段的静载循环施加静载。

第三阶段：数据清零后，按照0kN→2.6kN→5kN→10kN→15kN→20kN→25kN→30kN→35kN→40.9kN→0kN 的分级加载施加静力荷载，之后施加2.6～40.9kN疲劳荷载，加载次数与第二阶段相同。疲劳加载完成后，按照第三阶段的静载循环施加静载。

如果疲劳循环加载后试件没有破坏，则通过静力加载至其发生破坏。当出现下列现象时，认为试件发生了破坏：

（1）试件某一根纵筋疲劳断裂，或受压区混凝土疲劳破坏。

（2）试件斜裂缝扩展导致脆性断裂。

（3）预制和现浇混凝土连接接缝失效。

（4）锚固钢筋粘结滑移破坏。

3 墩柱往复加载试验方案

本试验以桩与承台的连接构造为研究对象，基于相似理论，采用1∶3 的缩尺比进行模型设计（见图5）。基于试验模型与实际结构的受力等效的原则，竖向荷载由预埋在试件中心的无粘结预应力钢绞线施加，通过原结构恒载压力按照缩尺理论进行换算，水平荷载则由作动器施加。试验采用力-位移混合控制的加载方法，按照施加的水平荷载产生的拉应力是否达到屈服，将加载过程分为两个阶段：第一阶段，采用力控的方式进行逐级加载，直到纵筋屈服，通过有限元估算纵筋屈服时的水平荷载，以此确定加载级差；第二阶段，在第一阶段的基础上，取屈服位移δ 作为加载级差，采用位移控制的方式，逐级加载直至试件破坏。试验往复加载时，每级加载3 次。

图5 往复加载试验示意图

通过作动器对试件进行水平加载，试验加载可分为以下几个阶段：

（1）预加载。对试件施加±5kN 的荷载，消除连接处的不良接触，检查测试系统数据是否正常，校正仪器准确后卸载。

（2）力控加载。采用力控的方式进行逐级加载，荷载分级如下：±20kN→±40kN→±60kN→±80kN→…→纵筋屈服。单向加载完持荷5 分钟，再反向加载持荷5分钟。

（3）位移控加载。取上一阶段纵筋达到屈服状态时作动器的位移作为加载级差，采用位移控制的方式，分级如下：±δ→±2δ→±3δ→±4δ→…→试件破坏。单向加载完持荷5 分钟，再反向加载持荷5 分钟。

当出现下列现象时，认为试件发生了破坏：

（1）试件的纵筋拉断。

（2）新循环最大加载力达到所有循环最大加载力的85%及以下。

4 结束语

疲劳试验的模型在与原型采用相同材料、满足几何相似、应力相似等条件下，运用结构静力相似准则计算出试验所需工况对应的试验机力值，更进一步，在模型安装过程中，保证其运动学相似和动力相似，采集到的数据可根据相似关系进行换算得到实际结构的数据。

疲劳试验的开展宜选取主要研究阶段的工况，进行200W 次的疲劳试验，并于指定次数停机重复静载循环，记录整个疲劳过程模型试件的变化。完成主要研究阶段工况后，在此基础上，将不同活载进行组合（如温度变化产生的荷载）或对活载进行放大，根据实际情况进行不同次数的疲劳加载。如果疲劳试验结束试件仍未破坏，则施加静力荷载直至其破坏，获得极限承载力和破坏过程的相关数据。