摘要：疲勞破壞是橋梁運(yùn)營期間的一大隱患，在國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，文章主要從材料、加載、加固、預(yù)應(yīng)力度等四方面總結(jié)了鋼筋混凝土梁疲勞性能的影響因素，其中材料和加固的影響最為顯著，這些影響因素應(yīng)在以后的橋梁設(shè)計(jì)中引起足夠的重視。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土；橋梁疲勞；材料；加載；加固；預(yù)應(yīng)力度

中圖分類號：U445 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）06-0089-02

由于交通量的增加，中國公路上大量鋼筋混凝土橋梁承受著日益繁重的交通荷載。而疲勞破壞是橋梁運(yùn)營期間的一大隱患。學(xué)者們過去對疲勞問題進(jìn)行了很多研究，也取得了一些研究成果，但對鋼筋混凝土橋梁的疲勞研究相對較少。鑒于此，本文將介紹鋼筋混凝土橋梁疲勞性能的各種影響因素。

一、材料對鋼筋混凝土梁疲勞性能的影響

（一）混凝土材料的影響

隨著科技的發(fā)展，高強(qiáng)混凝土和高性能混凝土在橋梁中的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，而高強(qiáng)鋼筋混凝土在低應(yīng)力水平的疲勞荷載作用下，梁截面應(yīng)變?nèi)匀环掀浇孛婕俣?。在正常配筋條件下，高強(qiáng)混凝土梁具有比普通混凝土梁更好的疲勞性能，而且疲勞強(qiáng)度與混凝土的強(qiáng)度成正比例關(guān)系。

（二）混凝土中摻合料的影響

混凝土發(fā)生疲勞破壞是一個損傷累積的過程。在混凝土材料中加入一些摻合料，如粉煤灰、磨細(xì)礦渣和纖維等，可以減少混凝土初始缺陷，在損傷累積過程中抑制裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，從而提高混凝土梁的力學(xué)性能，延長梁的疲勞壽命。

在混凝土中摻高性能粉煤灰能夠改善混凝土的和易性，降低水灰比，減小新拌混凝土的塌落損失度，降低水化熱。摻加一定量（20％～40％）高性能粉煤灰能顯著減小混凝土梁裂縫的間距、寬度、高度，抑制裂縫的擴(kuò)展，對提高梁體的耐久性有重要意義。

混凝土中摻入纖維的種類、數(shù)量以及長度等對其的疲勞性能均有影響。單一纖維的混凝土結(jié)構(gòu)，如鋼纖維、碳纖維和腈綸纖維混凝土等的疲勞強(qiáng)度較普通混凝土均有較大提高，且在一定的摻入量下，隨摻入量的增加混凝土的疲勞強(qiáng)度也會增加。而在混凝土中摻合兩種或以上的纖維時(shí)，混凝土的疲勞性能又比單一纖維混凝土的有明顯的提高，這是因?yàn)槌浞职l(fā)揮了各單一纖維的功效，各種纖維在混凝土基體中可產(chǎn)生對混雜纖維混凝土的疲勞性能有利的混雜效應(yīng)，即正的混雜效應(yīng)，這種混凝土就是混雜纖維增強(qiáng)混凝土（HFRC）。另外，長纖維可有效的阻止裂縫的擴(kuò)展，因其可減緩纖維從基體中拔出，能充分發(fā)揮纖維的優(yōu)良性能，它是道路和橋梁工程需要的較理想的結(jié)構(gòu)形式。

由此可見，材料對鋼筋混凝土梁的疲勞性能影響是非常大的，在混凝土材料中加入摻合料或進(jìn)行一些處理可以顯著地提高鋼筋混凝土梁的疲勞性能，所以當(dāng)結(jié)構(gòu)對疲勞性能要求比較高時(shí)，從材料層面上著手不失為比較好的方法。

二、加載的影響

首先，加載大小的影響。眾所周知，梁的疲勞壽命（N）會隨著應(yīng)力水平（S）的增加而減小，可由圖1來示意：

圖1應(yīng)力水平對疲勞壽命的影響

在一定的應(yīng)力條件下，當(dāng)橋梁所加的車輛荷載加大1倍時(shí)，疲勞損傷度則增大了近10倍。由此說明超載對整個結(jié)構(gòu)的安全性構(gòu)成了潛在的威脅。橋梁使用過程中可能會出現(xiàn)局部的損傷，而長期超載運(yùn)輸能將這種局部損傷急劇擴(kuò)大和增大，導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的承載能力下降，或整個結(jié)構(gòu)的破壞，且破壞前無任何的征兆。它明顯縮短橋梁的使用壽命，且威脅著人民生命和財(cái)產(chǎn)安全。因此，超載運(yùn)輸對橋梁的疲勞影響不容忽視。

另外，加載的順序和加載的頻率對疲勞壽命均有一定的影響。先加低應(yīng)力比先加高應(yīng)力的梁的壽命長。加載頻率越接近試件的固有頻率，疲勞壽命越短，反之越長。

三、加固的影響

混凝土梁的加固有多種方法，其中最主要的兩種是粘鋼加固和碳纖維加固。

（一）粘鋼加固

對于粘鋼加固不但可以大幅度提高鋼筋混凝土梁的靜載強(qiáng)度，而且當(dāng)粘鋼補(bǔ)強(qiáng)方法適當(dāng)時(shí)，加固梁較對比梁的疲勞性能有明顯提高，其裂縫產(chǎn)生時(shí)間也顯著地延長。在通常情況下，混凝土原梁在重復(fù)荷載作用下，其疲勞破壞均發(fā)生在跨中的純彎段上；而經(jīng)粘鋼補(bǔ)強(qiáng)的加固梁，則常因?yàn)榱憾思袅^(qū)補(bǔ)強(qiáng)方式不夠妥善，而使疲勞破壞多發(fā)生在梁端附近彎剪作用區(qū)，且多在沿45°的主拉應(yīng)力方向。經(jīng)粘鋼補(bǔ)強(qiáng)后的加固梁的剛度都有明顯的提高，混凝土梁正截面加固底部鋼板對加固梁的剛度提高起了主要作用，且底部鋼板厚度越大，剛度提高越多。

（二）碳纖維加固

在一定的應(yīng)力水平下，碳纖維加固可以提高梁的疲勞強(qiáng)度。經(jīng)歷相同次數(shù)的疲勞荷載后，加固后的梁的撓度明顯降低，如圖2。在疲勞試驗(yàn)中，隨著荷載重復(fù)次數(shù)的增加，撓度增加緩慢，荷載－撓度曲線基本上是一組平行直線，反映出試驗(yàn)其間剛度基本保持不變，經(jīng)過荷載循環(huán)，應(yīng)力仍然按三階段規(guī)律（即損傷的形成、損傷穩(wěn)定擴(kuò)展和損傷破壞三階段）發(fā)展，中間穩(wěn)定擴(kuò)展階段得到較大延長。

圖2加固前后梁的荷載撓度曲線比較

粘貼碳纖維布可以改善構(gòu)件疲勞裂紋的形態(tài)。由于膠體填補(bǔ)了梁底凹凸不平的表面，使沿構(gòu)件長度出現(xiàn)裂紋的幾率相對相等，分散了原來體系中數(shù)目少而粗大的裂紋，從而延緩了裂紋的開展。試驗(yàn)表明，碳纖維布對改善構(gòu)件的正截面疲勞性能起到較大的作用，在不同的應(yīng)力水平下疲勞壽命均有所提高。

四、預(yù)應(yīng)力度的影響

對于全預(yù)應(yīng)力混凝土梁，疲勞荷載對其疲勞性能影響很小；而對于部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁，疲勞荷載對其變形有明顯的影響。

影響疲勞荷載作用下變形增加的主要因素是截面的應(yīng)力狀態(tài)，定義預(yù)應(yīng)力度λ來反映該項(xiàng)影響：

（4）

式中，M0為截面消壓彎矩，M為使用荷載產(chǎn)生的彎矩。

研究結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力度λ越大，梁的撓度增量較?。活A(yù)應(yīng)力度λ越小，梁的撓度增量較大，所以對于承受疲勞荷載作用的部分預(yù)應(yīng)力梁，預(yù)應(yīng)力度不宜太低。

五、結(jié)論

本文介紹了橋梁的鋼筋混凝土梁疲勞性能的影響因素，主要從材料、加載、加固、預(yù)應(yīng)力度等四方面總結(jié)了鋼筋混凝土梁疲勞性能的影響因素，其中材料和加固的影響最為顯著，這兩種因素均可以顯著地提高混凝土梁的疲勞性能。這些影響因素應(yīng)在以后的設(shè)計(jì)中引起足夠的重視。

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作者簡介：劉策云（1980-），男，廣東清遠(yuǎn)人，供職于廣東省清遠(yuǎn)市佛岡縣交通運(yùn)輸局，研究方向：路橋。

（責(zé)任編輯：趙秀娟）