混凝土矮箱梁桥疲劳性能监测与评估

管国东　翟慕赛　张培杰　王春生

摘要：采用动态称重（WIM）技术对陕西省省道S305线崾岘中桥进行交通荷载监测，分析得出了适合陕西省混凝土桥梁的标准疲劳车模型。采用动应变监测技术对混凝土矮箱梁关键部位进行长期动应变监测，获得了运营状态下混凝土矮箱梁的实测应力谱；运用Miner线性准则和应力幅-循环次数曲线对结构进行疲劳寿命评估；对超载情况下混凝土矮箱梁的疲劳寿命进行了分析。结果表明：在目前交通荷载作用下，混凝土矮箱梁的疲劳寿命为5 120年，考虑腐蚀疲劳的因素后疲劳寿命降至254年；当超载车辆比例低于1%时，超载对桥梁结构的疲劳寿命影响很小；当超载车辆比例达到10%时，结构的疲劳寿命随着超载率的提高而显著降低；该研究成果可为崾岘中桥未来维护管理提供技术支撑，同时为同类型其他桥梁的疲劳寿命评估提供参考。

关键词：混凝土矮箱梁桥；疲劳性能；运营监测；交通荷载；超载

中图分类号：U448.21 文献标志码：A

Fatigue Performance Monitoring and Assessment for Concrete Low-box Girder Bridge

GUAN Guo-dong1， ZHAI Mu-sai2， ZHANG Pei-jie2 ， WANG Chun-sheng2

（1. Xian Highway Research Institute， Xian 710054， Shaanxi， China； 2. Institute of Bridge Engineering， Changan University， Xian 710064， Shaanxi， China）

Abstract： Weigh-in-motion （WIM） system was adopted to monitor the fatigue loads of Yaoxian medium bridge in Shaanxi provincial road S305， and standard fatigue vehicle model for concrete bridges in Shaanxi province was determined based on recorded data. Dynamic strain monitoring technique was adopted to conduct continuous strain monitoring of key positions on concrete low-box girder， acquiring the real stress spectrum under service situation. Moreover， the fatigue life assessment of structures was carried out by using Miner linear criterion and stress amplitude-cycle number curve. The results show that the fatigue life of concrete low-box birder is 5 120 years under the present traffic load， and the fatigue life decreases to 254 years when taking into consideration of fatigue corrosion. Under overload situation， when the ratio of overload vehicle belows 1%， the influence is little； when the ratio reaches 10%， the fatigue life of structures will decrease sharply with increasing of the overload ratio. Research achievement can provide technical support for the future management and maintenance of Yaoxian medium bridge， and provide reference for fatigue life assessment of other similar bridges.

Key words： concrete low-box girder bridge； fatigue performance； service monitoring； traffic load； overload

0引 言

在中国的公路与城市道路建设中，混凝土结构桥梁使用广泛，而混凝土矮箱梁桥以其整体性好、跨越能力相对较高等优点，在中小跨径混凝土桥梁中占有很高比例。伴随着交通运输行业的迅猛发展，交通量、轴载及车速都在不断提高，超载现象也频繁发生，由此造成的混凝土构件疲劳损伤不容忽视。加上环境因素、材料性能的影响，混凝土桥梁在运营过程中梁体开裂、钢筋锈蚀问题日益突出。随着车辆荷载及外部环境的影响，在运营期内钢筋混凝土桥梁的承载能力不断降低，而实际交通的运营需求却不断增加。为了使混凝土矮箱梁桥在运营期内能够可靠、安全地完成其任务，并为后期维护管理提供相应技术依据，解决混凝土矮箱梁桥的疲劳寿命评估问题刻不容缓。

20世纪70年代以前，钢筋混凝土结构均是按照容许应力法进行设计的，因结构的容许应力较低，故运营期间因疲劳而破坏的工程实例较少[1]。因此，在以往混凝土结构的疲劳断裂问题方面没有给予足够的重视，中国公路规范在疲劳断裂问题方面亦未给出具体要求。相比一些发达国家已经着手研究混凝土结构的疲劳断裂问题而言，中国的相关研究和探索还处于开始阶段。近年来，钢筋混凝土结构逐步采用高强混凝土及高强钢筋，并且采用极限状态设计理论以充分利用材料的强度，这也导致结构中很多部位都处于高应力状态。随着高强材料的广泛应用使得结构的恒载不断降低，从而动载所占比例相对增大，动载引起的疲劳损伤日益严重。疲劳断裂引起的失效问题在各种结构构件中越来越突出，并且这一问题正在逐渐成为造成工程结构和构件失效的主要原因。在理论及设计方面，由于对结构的分析越来越精确，对混凝土的力学性能了解越来越全面，这也使我们认识到混凝土结构的疲劳断裂问题是一个不容忽视的问题，并已逐渐成为重要研究课题[2-5]。