中小跨径组合梁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)

0 引言

桥梁在运营时除了承受静载作用外，还要承受重复荷载的作用。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[1]。随着交通量的剧增，部分路段车辆超载情况严重，实际运营荷载大于设计荷载，对桥梁结构的正常运营寿命产生较大影响。同时，对于不同工程背景下，混凝土桥面板是否需要施加预应力存在一定的争议；另一方面，在国内桥梁建设中，对于中小跨径组合梁桥，与混凝土和钢桥相比，组合结构桥梁具有更好的综合效益[2]，其所占比例也在不断提高。因此，对中小跨径组合梁的桥面板开展疲劳性能的研究，具有明确的工程背景和实际应用价值。

本文以跨径为4 m的钢筋混凝土桥面板及预应力混凝土桥面板为研究对象开展足尺模型的静力试验及疲劳试验，研究施加预应力对于混凝土桥面板疲劳性能的影响。足尺模型中的钢筋和预应力钢筋按照我国规范[3-6]要求进行合理设计，比较施加预应力对混凝土桥面板疲劳性能的影响，为设计组合梁桥面板结构提供了参考。

1 静力与疲劳试验设计

同济大学土木工程学院建筑结构试验室拥有50 t液压脉动疲劳试验机(PMS-500)，可满足本研究疲劳试验的加载条件。反力架通过螺栓铆钉在地面上提供反力。疲劳试验机的做动头直接作用在加载梁上。桥面板两端布置钢支座对桥面板进行支撑，如图4，图5所示。

各试件施加疲劳荷载的上下限如表1所示。

表1 静力试验及疲劳试验施加荷载 kN

2 桥面板静力与疲劳试验结果分析

根据混凝土及预应力混凝土桥面板静力试验与疲劳试验的测试结果，分析两种桥面板的初始刚度及在疲劳荷载作用下弯曲刚度的变化情况，比较预应力对混凝土桥面板刚度及抗疲劳性能的改善作用。通过应变片测试混凝土及钢筋的应变分布，比较静力荷载及疲劳荷载作用下各测点的应变变化情况。在试验过程中，观察了静力荷载和疲劳荷载下混凝土及预应力混凝土桥面板试件底部裂缝产生及发展情况。

2.1 静力加载试验

静力加载共分为三轮进行，每次分级加载至疲劳试验力的上峰值后，一次性卸载。跨中挠度如图6所示。

静力加载试验中，混凝土开裂对试件刚度影响较大。由广义的胡克定律可知，RC1和RC2试件结构刚度分别由初期加载的41 kN/mm和48 kN/mm，在开裂后降低至13 kN/mm左右，下降幅度达70%。而PC1和PC2试件有效限制了混凝土开裂，保持试件刚度稳定，在整个静力加载过程中，刚度维持在40 kN/mm。

RC1和RC2试件静力试验后裂缝分布如图7所示。

由图7可以看出裂缝分布较为集中，主要分布在左右四分点之间。在试件RC1底面，跨中部分出现纵向贯穿整个试件的裂缝，未见沿桥面板横向发展的裂缝。在试件侧面，跨中裂缝发展高度较大，超过桥面板试件高度方向中线。随着裂缝位置和跨中位置的间距逐渐增加，裂缝高度逐渐减小。

根据裂缝分布图(见图8)，两边裂缝分布较为均匀，且都集中于跨中弯矩最不利位置。PC梁第三圈加载结束后，在100 kN持荷期间，仔细观察试件侧面可以发现少量裂缝，在卸载后，所观察到的大部分裂缝均重新闭合。

由此可见，施加预应力有效限制了裂缝的发展。钢筋混凝土试件每侧面约产生裂缝12根～15根，跨中裂缝长度超过试件高度的1/2，同时底面产生较多裂缝。预应力混凝土试件仅侧面产生6条～10条裂缝，且裂缝发展高度较小，底面未见明显裂缝。

2.2 疲劳加载试验

进行疲劳加载时，荷载幅值变化采用正弦波形。图 9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。测试方法和测试内容与静力试验相同，采用激光位移计监测桥面板试件跨中挠度变化。在混凝土板的顶面和底面粘贴应变片，测试混凝土顶底面的应变变化情况，同时通过试件内部的钢筋表面应变片监测钢筋的纵向应变。加载初期每5万次进行一次疲劳数据采集，20万次后，每10万次进行一次疲劳数据采集。每次数据采集持续100 s～200 s。

根据试验过程中在板底跨中布置位移计的测试结果，跨中激光位移器所监测的挠度幅值变化情况如图10所示。

混凝土板顶共粘贴12个表面应变片以测试混凝土的表面应变，应变片为4个一组，分别位于混凝土板底跨中、左支座四分点以及右支座四分点，跨中顶板测点的测试结果如图11所示。

由疲劳加载过程中，钢筋混凝土试件的跨中位移幅值及板顶混凝土压应力幅值均呈“S”型增长，即初始加载时增长较快，之后较长一段时间内保持，最后在破坏时再次出现快速增长。预应力混凝土试件因未发生破坏，仅具有前两个阶段的特点。

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12所示。

而在疲劳试验中，两块预应力钢筋混凝土桥面板试件未发生破坏。PC1板侧面裂缝不断沿试件高度方向发展，板底产生大量裂缝，分布情况如图13所示。根据试验结果，板底裂缝全部沿短边方向发展，共2条裂缝贯穿桥面板，裂缝分布于左右两个四分点之间，未观察到沿长边方向发展的裂缝。在卸载之后，所有可观察到的裂缝均闭合。

PC2板底产生沿短边方向发展的裂缝，未产生沿长边方向发展的裂缝。但是沿短边方向发展的裂缝并没有相互连接形成贯通底板的裂缝。裂缝分布的范围相对于试件PC1的分布范围较小，也未超过左右两四分点，如图14所示，在卸载之后，所有可观察到的裂缝均闭合。

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，预应力混凝土试件侧面裂缝数量增多，但高度均未超过试件高度的1/2，底面产生纵桥向裂缝，卸载后裂缝均闭合。

3 结语

本文以中小跨径组合梁的桥面板为研究对象，对钢筋混凝土及预应力混凝土两种类型的桥面板开展足尺模型的静力试验及疲劳试验，对比了施加预应力对于混凝土桥面板疲劳性能的影响。结果表明：

1)钢筋混凝土桥面板在开裂后刚度较小，在疲劳加载的过程中可下降的幅度较小。在刚度达到稳定期时，疲劳刚度约为初始刚度的98%，在试件发生破坏时，疲劳刚度下降至初始刚度的91%。相比较而言，预应力混凝土桥面板并未发生破坏迹象。因此，施加预应力可以有效限制板底混凝土开裂，增强混凝土试件刚度，预留更多的安全空间。

2)由于疲劳加载破坏了钢筋混凝土桥面板，其跨中挠度、板顶混凝土压应力变化规律，均呈现出初期较快，中期长时间稳定，在破坏前再次加速发展的“S”型曲线。钢筋混凝土桥面板在发生破坏时，破坏现象为跨中形成主裂缝，最外侧钢筋发生断裂，跨中挠度快速发展。预应力混凝土试件因未发生破坏，仅具有前两个阶段的特点。

3)钢筋混凝土桥面板荷载作用下，底部混凝土易开裂，有效受压区高度降低，截面中性轴上移，造成底部受拉钢筋应力值增大。施加预应力可有效限制混凝土开裂，使受拉钢筋与混凝土共同作用，因此施加预应力可有效延长桥面板疲劳寿命。