预应力混凝土桥面板疲劳性能试验研究

田 波，易志宏，赵喻贤，刘玉擎

（1.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610041；2.同济大学，上海 200092）

1 引言

随着我国经济建设的发展，越来越多的中小跨径桥梁由于其实用性投入运营。而由于外部环境的复杂，桥梁会受到风、车辆运营等重复的动荷载作用，结构材料在重复荷载作用下，将会发生低于静载强度的脆性破坏，即疲劳破坏。日本Kinuura桥、英国Seven桥、虎门大桥、武汉长江大桥等桥面板上发现疲劳裂纹和疲劳破坏。由于国内经济生活发展迅速，各桥梁交通量激增，其运营荷载高于设计荷载，而组合桥面板由于其优良的力学性能和经济性广泛应用于中小跨径桥梁，因此此类桥梁的疲劳性能应得到足够的重视。而针对混凝土桥面板是否需要施加预应力，以及施加预应力对其疲劳性能影响的研究还较少。

为了对中小跨径预应力混凝土桥面板的疲劳性能展开研究，文章利用钢筋混凝土桥面板展开对照试验研究，通过利用液压脉动疲劳试验机进行正弦波加载试验，为尽可能贴近实际情况，结合在同济大学建筑结构试验室进行了足尺模型试验，其结果可为同类型桥梁的设计和运营提供参考。

2 桥面板疲劳试验

文章研究对象为中小跨径桥梁组合桥面板，因此根据试验设备要求和实际工程背景，试件尺寸定为长度4 m，宽度1.2 m，高0.181 m，同时为了更好模拟实际车轮荷载，设计了面积略宽于车辆轮轨荷载面积的加载梁，加载梁宽70 cm，长22.5 cm。试件为钢筋混凝土桥面板和预应力混凝土桥面板两种，考虑到试验结果能为工程实践提供参考，两类桥面板配筋情况均参照规范要求，其中预应力钢筋一般位于板截面的中部。在进行实验前，应按照标准制作和养护流程对试件进行制作和养护，试件制作相关图片如图1所示。

图1 试件制作及养护

试验在同济大学结构试验中进行，试验主要应用到的仪器包括50 t液压脉动疲劳试验机（PMS-500），应变片和拉线位移计。疲劳试验机的作动头直接作用在加载梁上，作用力由加载梁均匀传递给桥面板，试验如图2。而实验通过循环反复加载实现对交通荷载的模拟，循环次数200万次，动荷载的上限为静荷载结果，下限为静荷载结果的一半，荷载幅值变化采用正弦波形。图3为试件RC1所采用的加载波形，上峰值为125 kN，下峰值为60 kN，加载幅值65 kN，加载频率为4 Hz。

图2 疲劳试验

图3 疲劳试验荷载加载曲线

3 桥面板疲劳试验结果分析

通过应变片和位移计进行试验结果统计，试验结果也包括在加载过程中观察到的裂缝产生和发展的情况。

位移计主要统计了板底跨中位置的位移，应变片统计了各测点应力变化情况，而裂缝的产生和发展则通过试验观察和纪录得到。跨中位移情况主要是钢筋混凝土桥面板在循环荷载加载到47万次之后跨中挠度剧烈增加，发生疲劳破坏，与之相对应的是预应力混凝土桥面板在290万次循环荷载后跨中挠度才急剧提升，发生疲劳破坏。跨中顶板应变片应力试验如图4所示。

图4 跨中顶板应力变化曲线

在疲劳试验中，两块钢筋混凝土桥面板试件均发生疲劳破坏，破坏现象均为跨中形成主裂缝，贯穿试件截面，底部混凝土发生脱落，凿开主要裂缝处周围30 cm的混凝土，找到并观察主裂缝处的钢筋，破坏原因均为试件跨中外侧钢筋发生疲劳断裂，如图5。而在疲劳试验中，预应力钢筋混凝土桥面板试件未发生破坏，仅仅产生裂缝。根据测试结果，施加预应力钢筋有效减少了混凝土在疲劳荷载下的开裂。

图5 钢筋混凝土桥面板疲劳试验

4 结语

文章未研究中小跨径桥梁预应力混凝土桥面板的疲劳性能，对预应力混凝土桥面板和钢筋混凝土桥面板进行疲劳试验，其中钢筋混凝土桥面板作为对照组，通过试验模拟车辆荷载作用，得到预应力混凝土桥面板的疲劳性能与钢筋混凝土桥面板的疲劳性能，结果表明：

（1）钢筋混凝土桥在荷载较低和动荷载加载次数较低情况下即产生裂缝，而预应力混凝土桥面板能够有效延后裂缝的发生。

（2）跨中顶板应力的结果显示，预应力混凝土桥面板和钢筋混凝土桥面板跨中顶板受力特性相似。在试验工况下，预应力混凝土桥面板未破坏，而预应力混凝土桥面板顶板受力高于钢筋混凝土。这也侧面说明了预应力能够提高混凝土桥面板的疲劳性能。

（3）钢筋混凝土桥面板在开裂后由于截面中性轴的上移，其钢筋受力较预应力混凝土更高，其疲劳性能明显低于预应力混凝土桥板。