畢浩軍

（邢臺(tái)路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，河北 邢臺(tái) 054000）

0 引言

目前，國內(nèi)橋梁工程建設(shè)通常采用預(yù)應(yīng)力拼裝工藝開展不同段的拼裝，首先拼裝橋梁上部結(jié)構(gòu)預(yù)制段，而后進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉及拼裝[1]。應(yīng)用預(yù)應(yīng)力拼裝技術(shù)時(shí)，首先需要沿縱梁方向?qū)⒘后w分塊，將加工段、預(yù)制段逐個(gè)拼裝至橋梁結(jié)構(gòu)上并使用專用設(shè)備安裝，通過預(yù)應(yīng)力拼裝提高不同段之間的連接效果，確保橋梁整體強(qiáng)度[2]。拼接橋梁時(shí)，桿塔拼裝位置出現(xiàn)裂縫的概率較高，由于桿塔系統(tǒng)中桿塔面積較大且為鋼結(jié)構(gòu)，不同結(jié)構(gòu)之間通常通過焊接的方式連接，且不同區(qū)域組成十分復(fù)雜[3]。桿塔系統(tǒng)中采用焊接連接的位置容易出現(xiàn)焊接缺陷，短時(shí)間內(nèi)運(yùn)行可能不會(huì)出現(xiàn)問題，但長期受到車輛荷載、自然因素影響，或在海嘯、大風(fēng)等自然災(zāi)害影響下很容易出現(xiàn)接縫疲勞問題[4]。在多方面因素共同影響下，疲勞接縫延伸至斷層，最終會(huì)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)受損，甚至引發(fā)橋梁倒塌事故。接縫作為特殊預(yù)制構(gòu)件形式，在橋梁結(jié)構(gòu)中強(qiáng)度較低，屬于薄弱環(huán)節(jié)，要采取有效措施確保拼裝橋梁穩(wěn)定性，還須進(jìn)一步分析橋梁預(yù)制節(jié)點(diǎn)疲勞性能。

1 節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁接縫承載力分析

采用兩點(diǎn)加載法，基于節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁特點(diǎn)分析其承載能力，假設(shè)階段為純彎曲受力且受彎曲剪切耦合作用，節(jié)點(diǎn)設(shè)置在加載點(diǎn)外，即可調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)剪跨比變動(dòng)[5]。若接縫在承受直接剪切力條件下依然處于加載點(diǎn)外，應(yīng)在接縫位置周圍設(shè)置支點(diǎn)。本文結(jié)合上述條件開展試驗(yàn)分析，探究接縫受力情況。

1.1 接縫受力加載

1.1.1 彎曲受力

節(jié)段預(yù)制橋梁所受荷載提升過程中，中心節(jié)點(diǎn)下緣首先開始受力產(chǎn)生彎曲裂縫并開裂，而后隨荷載進(jìn)一步增加，裂紋寬度增加并呈現(xiàn)縱向發(fā)展趨勢，最終產(chǎn)生破壞裂紋[6]。應(yīng)力達(dá)到混凝土極限強(qiáng)度后，接縫位置附近橋梁混凝土破碎，這一狀態(tài)下接縫外預(yù)應(yīng)力筋未達(dá)到屈服強(qiáng)度，受拉區(qū)域內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋達(dá)到屈服強(qiáng)度。由此可知，彎曲受力加載過程不會(huì)對接縫產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。

1.1.2 彎剪耦合受力

荷載作用下，彎剪耦合會(huì)導(dǎo)致預(yù)制橋梁接縫擴(kuò)張，造成橋梁結(jié)構(gòu)表面裂紋。隨施加連續(xù)加載作用，接縫面的裂縫高度不斷提升，會(huì)對混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不斷增大的應(yīng)力影響，最終導(dǎo)致混凝土梁破壞。極限壓應(yīng)變破壞模式類似彎曲破壞，但具體效果不明顯。相較于屈服強(qiáng)度，箍筋點(diǎn)受力效果可以忽略不計(jì)，因此不考慮縱裂破壞作用下箍筋對接縫強(qiáng)度的影響，彎剪耦合受力加載不會(huì)對接縫產(chǎn)生嚴(yán)重破壞[7]。

1.1.3 直剪受力

接縫鍵齒在直剪受力加載條件下錯(cuò)位并形成裂紋[8]。腹板黏結(jié)根部中央在直剪受力荷載持續(xù)提升條件下逐漸產(chǎn)生豎向裂縫，而后裂縫擴(kuò)張發(fā)展并相互貫通，連接形成宏觀裂縫后切斷腹板上鍵齒。由此可見，接縫破壞效果會(huì)受到直剪受力加載的顯著影響。

1.2 承載力分析

本文以預(yù)制裝配式橋梁預(yù)制接頭所受直剪耦合力、接頭彎曲力和彎剪耦合力為基礎(chǔ)，開展非線性累積條件下疲勞損傷研究[9]。

1.2.1 彎曲承載力

對預(yù)制裝配式橋梁預(yù)制接頭施加彎曲作用力的條件下，不同混凝土梁節(jié)點(diǎn)之間存在強(qiáng)度差異，強(qiáng)度最低位置為混凝土梁端部，可能會(huì)出現(xiàn)混凝土壓縮問題，導(dǎo)致早期坍塌，對界面承載能力產(chǎn)生負(fù)面影響[10]。

1.2.2 彎剪耦合承載力

在剪切力、正應(yīng)力共同影響下，連接彎剪區(qū)混凝土未達(dá)混凝土單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值而出現(xiàn)二維應(yīng)力斷裂，因此，在剪切力、正應(yīng)力作用下連接剪切區(qū)混凝土未達(dá)剪切、彎曲耦合力[11]。

1.2.3 直剪承載力

隨直剪力大小增加，相鄰節(jié)點(diǎn)之間出現(xiàn)位置偏移，同時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)接剪切受壓位置下降，導(dǎo)致相鄰接合節(jié)段之間滑移，使得結(jié)合部界面平整性下降，出現(xiàn)垂直錯(cuò)位問題[12]?？鐝筋^部位置受到預(yù)應(yīng)力筋拉力影響，該拉力的垂直拉伸作用，可視作外部夾緊力作用至混凝土接縫壓縮位置，應(yīng)強(qiáng)化壓裂區(qū)域混凝土摩擦力，避免結(jié)構(gòu)滑動(dòng)。接縫的抗滑移承載力在預(yù)應(yīng)力受拉屈服條件下隨滑動(dòng)幅度提升而降低，這一狀態(tài)下接縫處會(huì)重新產(chǎn)生剪力并導(dǎo)致直剪破壞問題。

2 疲勞損傷非線性累積規(guī)律

在初步明確預(yù)制橋連接節(jié)點(diǎn)破壞機(jī)理、承載力作用機(jī)理的條件下，探究預(yù)制拼裝橋的接縫疲勞損傷累積計(jì)算方式，損傷累積為非線性增長，其計(jì)算方程為[13]:

式（1）中，該接縫位置處循環(huán)荷載的應(yīng)力變化情況用σΔ 表示，疲勞試驗(yàn)周期內(nèi)應(yīng)力均值用表示，疲勞因子和荷載次數(shù)分別用D和N表示。

預(yù)制拼裝橋接縫疲勞損傷會(huì)隨荷載作用的持續(xù)而累積，并逐漸產(chǎn)生裂紋。因此需要考慮應(yīng)力幅構(gòu)件疲勞損傷的微分方程，具體如（2）所示。

式（2）中，循環(huán)過程中荷載特征使用因子a表示，使用p、q兩種參數(shù)表示溫度。

結(jié)合式（2）可簡要評價(jià)預(yù)制拼裝橋梁混凝土接縫的疲勞性能強(qiáng)弱。以節(jié)段預(yù)制拼接橋梁為例，某一節(jié)段使用半無限彈性體設(shè)置，各預(yù)制件為混凝土結(jié)構(gòu)，且各個(gè)預(yù)制件混凝土土層厚度均與預(yù)制件間隙寬度基本相等[14]。水平縫隙受到標(biāo)準(zhǔn)車輛循環(huán)荷載作用時(shí)，荷載集中于縫隙填料位置，混凝土材料和縫隙填料的泊松比、彈性模量相同，在這一狀態(tài)下不同節(jié)點(diǎn)之間的傳力效果達(dá)到極小值，因此可將橋梁結(jié)構(gòu)簡化處理為一段混凝土結(jié)構(gòu)，兩端固定且混凝土厚度較小，如果施加界面壓力，則混凝土層的線性應(yīng)變?yōu)榫€性變化[15]。

3 接縫疲勞性能分析

在彎剪耦合承載力、彎曲承載力和直剪承載力的共同作用下，節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁接縫的線性應(yīng)變?yōu)榫€性變化，本文基于此開展疲勞性能分析。

3.1 初始接縫長度

明確疲勞接縫尺寸，設(shè)置具體的直剪承載力、彎剪耦合承載力和彎曲耦合力數(shù)值，并通過公式（3）計(jì)算最大循環(huán)應(yīng)力條件下接縫的韌性。

式（3）中，節(jié)段預(yù)制橋梁接縫結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)以f表示，最大循環(huán)用力使用δmax表示，計(jì)算結(jié)果接縫韌性用Kc表示。經(jīng)分析，應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度會(huì)直接影響預(yù)制橋梁接縫疲勞程度。

3.2 應(yīng)力強(qiáng)度因子幅計(jì)算

預(yù)制段橋梁主要指橋梁預(yù)制段和規(guī)則接縫橋梁，為獲取應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值，將應(yīng)力強(qiáng)度因子換算為應(yīng)力幅值。設(shè)置多軸非比例循環(huán)荷載，此時(shí)可直接分析彎曲、直剪和彎剪組合應(yīng)力條件下應(yīng)力強(qiáng)度因子變化情況。由于軸向應(yīng)力遠(yuǎn)大于彎曲應(yīng)力，因此僅須考慮預(yù)制橋接縫的軸向應(yīng)力。非比例循環(huán)荷載條件下，直剪荷載、彎剪荷載和彎曲荷載作用如圖1所示。

圖1 彎曲、彎剪和直剪的非比例循環(huán)荷載

結(jié)合圖1可知，計(jì)算循環(huán)應(yīng)力時(shí)，如使用循環(huán)計(jì)算法，則須首先明確對接接縫循環(huán)應(yīng)力幅值，而后分組建立有限元并計(jì)算獲取不同節(jié)點(diǎn)循環(huán)應(yīng)力幅度條件下的應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度。結(jié)合差值獲取不同接縫對應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子，并以此為依據(jù)計(jì)算出任意長度接縫所對應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子。

由于橋梁各個(gè)節(jié)點(diǎn)均處于非比例負(fù)載狀態(tài)，因此要計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子幅，須首先考慮混合節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展模式。設(shè)彎曲承載力對應(yīng)應(yīng)力強(qiáng)度因子幅為ΔK1、彎剪耦合承載力對應(yīng)應(yīng)力強(qiáng)度因子幅為ΔK2、直剪承載力對應(yīng)應(yīng)力強(qiáng)度因子幅為ΔK3，獲得公式（4）：

公式（4）用于計(jì)算等效應(yīng)力強(qiáng)度因子幅，也可用于計(jì)算不規(guī)則拼接縫的應(yīng)力強(qiáng)度因子幅。疲勞分析時(shí)要考慮變幅加載條件，則須首先采用循環(huán)計(jì)數(shù)法獲取不同周期拼接縫應(yīng)力強(qiáng)度系數(shù)，而后分別建立有限元模型。應(yīng)力強(qiáng)度因子能夠用于評價(jià)接縫疲勞強(qiáng)度，接縫膨脹范圍隨疲勞接頭變化而變化，其中最小值在疲勞接頭為0時(shí)出現(xiàn)，增大過程中，應(yīng)力幅小于最小值時(shí)可等效認(rèn)為節(jié)段接縫不存在縮縫。

3.3 擴(kuò)展壽命計(jì)算

明確節(jié)段預(yù)制橋梁各項(xiàng)基礎(chǔ)參數(shù)后，通過循環(huán)計(jì)數(shù)法具體計(jì)算各節(jié)段應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值，對比數(shù)據(jù)庫中最小值判斷是否膨脹，模擬循環(huán)累積過程，接縫疲勞損傷不斷累加至拼裝位置出現(xiàn)斷裂，由此計(jì)算接縫疲勞伸縮壽命，具體步驟為：

（1）采用循環(huán)計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)階段預(yù)制拼裝應(yīng)力時(shí)的循環(huán)應(yīng)力幅并分組。

（2）構(gòu)建不同應(yīng)力幅作用下含節(jié)理有限元模型并計(jì)算對應(yīng)的強(qiáng)度因子幅值，依據(jù)計(jì)算結(jié)果建立應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值庫。

（3）結(jié)合數(shù)據(jù)庫內(nèi)插，以節(jié)理初始尺寸為依據(jù)計(jì)算第一組應(yīng)力強(qiáng)度因子幅，判定強(qiáng)力因子幅是否大于最小值，若大于，則接縫膨脹。

（4）將第三步中新接縫長度設(shè)置為第二組應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值。

（5）重復(fù)上述步驟，計(jì)算N組應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值并獲取下一期接縫尺寸，重復(fù)計(jì)算至N組計(jì)算完畢，而后根據(jù)上述模型計(jì)算初期運(yùn)營過程中節(jié)點(diǎn)預(yù)制橋梁點(diǎn)的擴(kuò)展長度。

（6）將第五步中新接縫設(shè)置為下一次動(dòng)荷載時(shí)預(yù)制橋面接縫初始接縫，而后重復(fù)計(jì)算前五步，累加橋梁接縫損傷直至斷裂為止。

綜合上述步驟，最終獲取的接縫尺寸從最初連接尺寸發(fā)展至連接尺寸耗時(shí)即被認(rèn)為接縫的疲勞伸縮壽命。

4 實(shí)例分析

本文以某地跨湖大橋工程為例，該橋?yàn)檫B續(xù)鋼橋，主通航孔為4×120m，結(jié)合工程整體焊接、現(xiàn)場搭接裝配構(gòu)設(shè)橋接縫節(jié)點(diǎn)。為提高計(jì)算簡便性，結(jié)合大選量三界面鉸接梁情形分析，探究節(jié)點(diǎn)位移與荷載之間的關(guān)系，其中蓋梁截面、鋼梁結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 蓋梁鋼束及斷面示意圖

結(jié)合工程相關(guān)規(guī)范要求將試件卷成砂輪后切割成小梁，小梁長寬高分別為380mm、63.5mm和50mm。設(shè)置溫度為0℃、頻率為10Hz，控制正弦荷載四點(diǎn)應(yīng)變并通過UTM試驗(yàn)機(jī)分析小梁抗疲勞性能。分析圖2中接縫A點(diǎn)、接縫B點(diǎn)、接縫C點(diǎn)荷載-位移變化，結(jié)果如圖3所示。

圖3 接縫A、B、C三點(diǎn)的荷載-位移曲線

由圖3（a）可知，接縫A點(diǎn)處，實(shí)際荷載-位移曲線可大致分為數(shù)段，其中位移在0mm～0.5mm范圍內(nèi)，接縫荷載從0N逐漸提升至1200N附近，位移增加至0.9mm期間位移僅上升至1250N，位移進(jìn)一步增加至1.6mm時(shí)荷載逐漸下降至520N，位移增加至2.6mm期間荷載保持不變，數(shù)值為520N。分析曲線位移在0mm時(shí)為0N，位移提升至0.5mm期間增加至1120N，位移增加至0.9mm過程中荷載逐漸提升至1180N，位移提升至1.6mm過程中荷載下降至520N，位移增加至2.6mm期間荷載始終維持不變，數(shù)值為520N。

由圖3（b）可知，接縫B點(diǎn)處，實(shí)際荷載-位移曲線在位移為0mm時(shí)荷載為0N，位移提升至0.7mm期間荷載增加至1950N，位移提升至1.2mm期間荷載維持固定值，數(shù)值為1950N，位移增加至1.6mm期間荷載下降至1650N，位移增加至2.5mm期間位移下降至1300N，位移增加至3.3mm期間荷載維持不變，數(shù)值為1300N。分析曲線在位移為0mm時(shí)荷載為0N，位移增加至1.2mm期間荷載提升至1800N，位移增加至1.6mm期間荷載降低至1550N，位移增加至2.5mm期間荷載降低至1210N，位移增加至3.3mm期間荷載維持不變，數(shù)值為1210N。

由圖3（c）可知，接縫C點(diǎn)處，實(shí)際荷載-位移曲線在位移為0mm時(shí)荷載為0N，位移增加至0.7mm時(shí)荷載增加至2000N，位移增加至3.3mm期間荷載維持不變，數(shù)值為2000N。分析曲線在位移為0mm時(shí)荷載為0N，位移增加至0.7mm時(shí)荷載提升至1900N，位移增加至3.3mm期間荷載維持不變，數(shù)值為1900N。

綜上所述，分析結(jié)果和實(shí)際值之間存在一定偏差，其中，接縫A點(diǎn)處出現(xiàn)最大偏差，位移在0.5mm～0.9mm之間時(shí)荷載偏差達(dá)到最大值，為80N，但處于允許范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語

結(jié)合本文應(yīng)用的節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁接縫疲勞性能分析法，獲取以下結(jié)論：彎曲承載能力、直剪承載能力和彎剪耦合承載能力相關(guān)曲線都會(huì)直接影響連接節(jié)點(diǎn)承載能力；法向應(yīng)力降低和節(jié)點(diǎn)截面破壞都會(huì)導(dǎo)致混凝土剪切帶提升高度，若降低節(jié)點(diǎn)的抗彎承載力，依舊保留較強(qiáng)的抗彎能力，當(dāng)混凝土剪切帶高度和截面平齊時(shí)，節(jié)點(diǎn)直剪承載力不受影響，但彎曲承載力會(huì)有所降低；節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁接縫承載能力受到接縫強(qiáng)度等級、彎曲角度、接縫處理等多方面因素影響，該種連接方式彎剪耦合性能良好且抗直剪破壞能力較強(qiáng)；使用循環(huán)計(jì)數(shù)法計(jì)算循環(huán)應(yīng)力幅值并分組計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值，有效解決了非比例荷載條件下預(yù)制橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值計(jì)算困難的問題。