节段预制拼装桥梁接缝疲劳性能分析

王 俊

（中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300450）

1 研究背景

目前，桥梁各段拼接主要采用预应力拼装技术[1]。该技术将梁体沿纵梁分块，对预制段或加工段进行预应力拼装使各个节段相互连接，从而使之达到要求的结构强度[2-3]。由于焊接接缝易出现焊接缺陷，在空间长期复杂受力情况下，焊接接缝区域的疲劳性能会发生很大变化。而列车运行时长期产生动载荷作用，同时大风、地震、海啸等自然灾害因素不断影响，接缝经常出现疲劳现象[4]。在长期压力作用下，疲劳接缝会不断地向断层延伸，造成结构损坏甚至倒塌。接缝是预制构件的一种特殊结构形式，也是其薄弱环节，因此为保证节段预制拼装桥梁的稳定性和可靠性，需对预制节点的疲劳性能进行分析与研究。

2 节段预制拼装桥梁接缝承载力分析

根据节段预制拼装桥梁的特点，用两点加载方法研究其节点的承载能力。在纯弯曲受力情况下，将模型梁的中心作为连接点；在弯曲剪切耦合受力情况下，将节点设置在加载点外，通过调节节点位置实现节点设计剪跨比[5]。下文对接缝受力加载情况展开详细分析。

2.1 接缝受力加载

2.1.1 弯曲受力加载

在纯弯曲受力情况下，节段预制桥梁中心节点下缘随荷载的增大而张开导致开裂，产生弯曲裂缝。随着荷载增加，裂纹沿纵向发展，裂纹宽度增大，最终形成破坏裂纹[6]。接缝处桥梁混凝土在达到极限强度时被压碎，受拉区域内的预应力筋达到屈服强度，但接缝外未屈服。因此，弯曲受力加载对接缝破坏影响程度不大。

2.1.2 弯剪耦合受力加载

在弯曲剪切耦合受力情况下，预制段桥梁接缝随荷载的增大而张开，从而产生裂纹。在接缝面连续加载后，裂缝垂直上升，最终压碎接缝面混凝土并破坏梁体。极限压应变比纯弯曲破坏小得多，且破坏模式与纯弯曲破坏相似。在纵向裂纹破坏过程中，箍筋的使用对接缝强度没有产生影响，箍直点受力远远小于屈服强度，因此弯剪耦合受力加载对接缝破坏影响程度一般[7]。

2.1.3 直剪受力加载

在直剪受力情况下，预制段桥梁接缝处的键齿接缝出现错位，从而形成裂纹[8]。随着直剪受力荷载不断增加，腹板粘结根部中央出现竖向裂缝，随后上下粘结根部也相继出现裂缝。裂缝随垂直方向扩展，形成相互贯通的发展形态，最终这些裂缝逐渐连接，直至完全切断腹板上键齿，因此直剪受力加载对接缝破坏影响程度较大。

2.2 承载力分析

在预制装配式桥梁受载节段预制接头弯曲承载力、弯剪耦合力、直剪力确定后，进行弯曲、弯剪耦合力和直剪力分析，为疲劳损伤非线性累积规律研究提供依据[9]。

2.2.1 弯曲承载力

预应力全截面混凝土梁节点受弯曲承载力的作用，板端混凝土的强度会比其他部位的强度低，造成压缩混凝土的早期坍塌，降低接缝截面承载能力[10]。

2.2.2 弯剪耦合承载力

由于连接弯剪区混凝土在正应力和剪切力的共同作用下，发生了二维应力断裂，未达到混凝土单轴抗压强度标准值，因此连接剪切区混凝土在正应力和剪切力的共同作用下，未达到其弯曲、剪切耦合力[11]。

2.2.3 直剪承载力

当节点处剪力值不断增大时，相邻节点段发生滑移，混凝土剪切受压部位高度不断降低。接合部与接合部节段之间的相对滑移导致接合部界面不平，造成接合部之间同时滑移的垂直错位现象。跨径头部表面预应力筋受轴向拉伸的拉力作用，拉力提供了一种外部夹紧力，将同样的压力作用于混凝土接缝的压缩区域，从而为混凝土在压裂区域的滑动提供了摩擦力。在预应力钢筋受拉屈服时，接缝抗滑移承载力随相对滑移的增大而减小，这时接缝处再次产生剪力，导致直剪破坏。

3 疲劳损伤非线性累积规律

在分析预制桥节段连接节点承载力的基础上，确定节点承载能力及其破坏机理，以此研究节段预制拼装桥梁接缝疲劳损伤的非线性累积规律。通常情况下，接缝疲劳损伤方程为：

式（1）中，δ为桥梁衔接点承载力；D为疲劳因子；Δσ为某接缝点处的荷载循环应力变化幅度；为在疲劳试验周期内，最大应力与最小应力的平均应力值；N为荷载次数。

当荷载作用不断增加时，疲劳损伤也会不断累积，直至出现裂纹，由此建立考虑应力幅的疲劳损伤演化微分方程，公式为：

式（2）中，a为荷载循环特征因子；p、q为温度参数，该微分方程是混凝土接缝疲劳性能分析的依据。

以半无限弹性体的节段预制拼装桥梁为例，其分段预制件为混凝土结构，间隙宽度一般为混凝土的土层厚度。弹性模量和泊松比在混凝土材料中是一样的，研究表明，在这种情况下，节点传力很弱，可以作为两端固定的混凝土梁结构来处理。考虑到混凝土层较薄，可以假设混凝土层在特定截面拉力作用下，其应力与应变呈线性关系。

4 接缝疲劳性能分析

根据节段预制拼装桥梁接缝受到弯曲承载力、弯剪耦合承载力和直剪承载力影响而呈现的线性分布规律，进行接缝疲劳性能分析。

4.1 初始接缝长度和临界尺寸

为估算疲劳接缝的延伸寿命，需要确定疲劳临界接缝尺寸以及其受给定弯曲承载力、弯剪耦合承载力和直剪承载力的影响。最大循环应力下的接缝韧性Kmax计算公式如下：

式（3）中，f为节段预制拼装桥梁接缝结构参数；δmax为最大循环应力；ac为桥梁接缝承载力；Kc为接缝韧性。由焊接缺陷引起的细小接头属于疲劳接头的裂纹长度，研究发现节段预制桥梁接缝的疲劳程度与应力强度因子的幅度有关。

4.2 应力强度因子幅度计算

在多轴非比例循环荷载条件下，可将预制构件的弯曲、弯剪和直剪进行组合应力强度因子幅度分析。由于预制桥接缝的轴向应力比弯曲应力大得多，一般可考虑轴向应力对接缝截面的影响，弯曲、弯剪和直剪的非比例循环荷载如图1所示。

采用循环计算法计算循环应力时程，首先提取接缝的循环应力幅值，然后通过对节点有限元进行分组，求出各节点的应力强度因子幅度。通过插值法可计算出有限组不同长度接缝的应力强度因子幅度，从而可求得任意长度接缝的应力强度因子幅度。

由于节点处于非比例负载下，所以应考虑混合节点扩展模式，计算等效应力强度因子幅度。设弯曲承载力、弯剪耦合承载力和直剪承载力对应的应力强度因子幅度分别为ΔK1、ΔK2、ΔK3，等效应力强度因子幅度计算公式为：

结合公式（4）可以计算预制桥梁的不规则接缝应力值，在疲劳分析中，对于变幅加载情况，应先用循环计数法计算各周期的应力强度系数，再分别用有限元模型对桥梁强度进行计算。应力强度因子幅度是反映接缝疲劳强度的重要参数，当疲劳接头为零时，膨胀范围趋于最小；当应力强度因子幅值小于最低幅值时，可以认为节段预制桥梁接无缩缝。

4.3 疲劳接缝扩展寿命计算

在已知节段预制桥梁结构的初始连接尺寸、疲劳荷载谱及连接延长参数下，使用循环计数方法计算应力强度因子幅值，通过与数据库中的应力强度因子幅值进行对比分析，确定在应力强度因子幅值大于最小值时，接缝发生膨胀。循环累积疲劳损伤，直到桥梁拼装处发生断裂为止，分析接缝的疲劳伸缩寿命。详细步骤如下。

步骤1：对节段预制拼装应力时程的循环应力幅进行统计，采用循环计数方法，并将其进行分组。

步骤2：在各种应力作用下，建立有限元模型，计算不同节理长度的应力强度因子幅值，并建立应力强度因子幅值数据库。

步骤3：根据节理初始尺寸，通过数据库内插法计算出第1组（按步骤1中的分组）应力的应力强度因子幅值。在应力强度因子幅值大于最小值时，接缝发生膨胀。

步骤4：在接缝长度方面，第2组（按步骤1中的分组）中不同节理长度的应力强度因子幅值与步骤3中新接缝的长度相同。

步骤5：对N组的应力强度因子幅值进行计算，重复步骤3和步骤4，求出下一期新接缝的尺寸，重复这一过程，直至N组接缝膨胀值计算完毕。根据该模型，计算预制桥梁在初期运营阶段节点的点扩展长度。

步骤6：在下一次动荷载作用下，预制桥面接缝的初始接缝为步骤5的新接缝。经过反复重复步骤1至步骤5，损伤在不断循环累积，直到桥梁拼装处发生断裂为止。

按以上步骤，可计算出接缝由最初连接尺寸到最终连接尺寸的伸缩周期，即接缝的疲劳伸缩寿命。

5 实例分析

以某座轨道交通跨湖大桥为例，其主通航孔是4 m×120 m的连续钢桥。桥接缝节点采用工厂整体焊接和现场拼接装配，为简化计算，以大悬臂三截面胶结梁为算例，对节点荷载-位移特性进行分析。

有盖梁的钢梁及截面结构如图2所示。按照JTJ 052-2000《 公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的要求，将试件卷成砂轮，切成380 mm×63.5 mm×50 mm小梁。利用统一威胁管理（UTM）试验机测得小梁的抗拉疲劳性能。控制正弦载荷的四点应变，负载频率为10 Hz，测试温度为0℃。

接缝A、B、C3点的荷载-位移曲线分析结果如图 3所示，由图可知：接缝A、B、C的荷载-位移分析结果与实际结果整体趋势保持一致，存在一定偏差，最大荷载偏差在接缝A点0.9 mm位移处出现，最大荷载偏差为80 N，在允许偏差范围（100 N）内。

6 结论

本文提出节段预制拼装桥梁接缝疲劳性能分析方法，可得出以下结论。

（1）连接节点的承载能力由与弯曲承载能力、弯剪耦合承载能力和直剪承载能力有关的曲线确定。

（2）随着节点截面破坏和法向应力降低，混凝土剪切带高度增加，节点抗弯承载力下降，但仍有较大的抗弯力。当剪切带高度等于截面高度时，节点的直剪承载力保持不变，弯曲承载力逐渐下降。

（3）节段预制拼装桥梁接缝的强度等级、接缝处理和弯曲角度对节段预制拼装桥梁接缝的承载能力有重要影响。该连接方式具有很强的抗直剪破坏能力，弯剪耦合性能好。

（4）用循环计数法计算预制段桥梁节点的循环应力幅值，将应力强度因子的幅值进行分组，解决了节段非比例荷载作用下桥梁结构的应力强度因子幅值计算问题。