空心板梁橋鉸縫疲勞損傷試驗(yàn)及評(píng)估方法研究

康愛(ài)紅，顧倩儷，唐站站，沈 楸

(1.揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.江蘇省玄武巖纖維復(fù)合建筑材料工程研究中心，江蘇 揚(yáng)州 225127)

0 引言

近年來(lái)，隨著中國(guó)交通量及交通荷載的增加，在役混凝土空心板梁橋的病害問(wèn)題日益突出，嚴(yán)重影響了橋梁的安全性和使用壽命。因此，混凝土梁的疲勞性能越來(lái)越受到重視，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們對(duì)此進(jìn)行了大量研究[1-3]。文獻(xiàn)[4]對(duì)鋼-混凝土組合梁的疲勞剛度退化情況進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其剛度退化呈現(xiàn)“S”形曲線，即在疲勞荷載作用下，結(jié)構(gòu)受荷初期和末期的退化速率較大。文獻(xiàn)[5-7]對(duì)空心板梁進(jìn)行了疲勞性能試驗(yàn)，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合得到剛度退化的定量描述。目前，眾多學(xué)者通過(guò)理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方法得到了疲勞荷載作用下混凝土梁的損傷規(guī)律等相關(guān)結(jié)論。但是，關(guān)于空心板梁鉸縫的性能劣化規(guī)律和評(píng)估的研究較為缺乏。

鉸縫在橋梁中起到連接空心板梁的作用，使各板梁形成整體，共同承受荷載。一旦鉸縫失效，將最終形成“單板受力”的現(xiàn)象，非常容易引起橋梁的破壞事故。因此，研究并評(píng)估鉸縫在空心板梁橋中的損傷狀態(tài)非常重要。文獻(xiàn)[8]對(duì)8 m空心板梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在鉸縫沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷前，板梁下?lián)吓c荷載呈現(xiàn)線性變化，而在鉸縫出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷后發(fā)生明顯變化，且鉸縫開(kāi)合快速增長(zhǎng)。文獻(xiàn)[9]通過(guò)有限元軟件對(duì)空心板進(jìn)行受力分析，由此建立了鉸縫損傷程度的分級(jí)評(píng)價(jià)方法。文獻(xiàn)[10]以鉸接板理論為基礎(chǔ)建立了空心板梁鉸縫損傷后的模型，發(fā)現(xiàn)鉸縫損傷將影響板梁橫向傳力能力，且損傷越大，影響越明顯。文獻(xiàn)[11]采用非接觸式方法對(duì)板梁鉸縫進(jìn)行檢測(cè)，并以鉸縫相對(duì)位移與板撓度之比作為鉸縫損傷的評(píng)估指標(biāo)。文獻(xiàn)[12-13]對(duì)鉸縫受損后的橋梁動(dòng)力響應(yīng)變化情況進(jìn)行了研究，提出了以鉸縫加速度幅值比這一指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)其損傷狀況。文獻(xiàn)[14]提出以結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)中的荷載-位移曲線的斜率來(lái)評(píng)價(jià)鉸縫損傷狀態(tài)的方法。文獻(xiàn)[15]以鉸縫損傷過(guò)程中的應(yīng)變模態(tài)變化為基礎(chǔ)，確定了鉸縫損傷的評(píng)價(jià)方案。文獻(xiàn)[16-17]則以鉸縫剛度衰減作為鉸縫損傷的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)靜載試驗(yàn)或數(shù)值模擬等方法，提出了不同的鉸縫損傷評(píng)價(jià)手段[18-21]，然而實(shí)際上鉸縫大多受到交通荷載的反復(fù)作用，其破壞屬于疲勞破壞范疇。因此，本文設(shè)計(jì)了三梁兩鉸結(jié)構(gòu)體系的疲勞試驗(yàn)，研究了在疲勞荷載作用下鉸縫的損傷和性能退化規(guī)律，提出了鉸縫損傷系數(shù)這一評(píng)價(jià)指標(biāo)，相關(guān)研究可為公路橋梁鉸縫損傷狀態(tài)的檢測(cè)及評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 板梁結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1為試驗(yàn)梁的截面尺寸及配筋情況。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了8 m長(zhǎng)的空心板梁，板梁橫向尺寸為0.495 m×0.425 m。試驗(yàn)梁采用C40的整體化現(xiàn)澆混凝土，板端封頭為C25混凝土，鉸縫采用C35商品混凝土。先張法預(yù)應(yīng)力采用Φs12.9鋼絞線，極限拉應(yīng)力fptk為1 960 MPa，松弛率為3.5%。

圖1 試驗(yàn)梁截面尺寸(cm)及配筋情況

1.2 平臺(tái)及測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)

圖2為試驗(yàn)平臺(tái)。三梁兩鉸縫結(jié)構(gòu)體系支撐于混凝土承臺(tái)之上，承臺(tái)與梁板之間設(shè)置了橡膠支座。分別在梁底板的1/4跨、3/4跨、跨中和邊梁腹板處粘貼21個(gè)應(yīng)變片，在梁底設(shè)置11個(gè)位移計(jì)用以測(cè)量空心板梁的跨中撓度，設(shè)置6個(gè)位移計(jì)用以測(cè)量鉸縫兩側(cè)的橫向開(kāi)合，設(shè)置6個(gè)位移計(jì)以測(cè)量鉸縫兩側(cè)的撓度差，具體布置如圖3～圖5所示。

圖2 試驗(yàn)平臺(tái)

圖4 應(yīng)變片布置示意圖

圖5 位移計(jì)布置示意圖

1.3 加載方案及壽命周期比例的定義

采用等幅正弦波在結(jié)構(gòu)中梁跨中處施加疲勞加載，通過(guò)鉸縫將荷載傳遞給兩側(cè)邊梁，加載至鉸縫完全失效，如圖6所示。在疲勞荷載循環(huán)到特定次數(shù)后進(jìn)行靜力加載試驗(yàn)。疲勞荷載的上限值采用結(jié)構(gòu)體系極限荷載(345 kN)的45%，下限值采用極限荷載的10%，分別為155 kN、35 kN，疲勞荷載加載頻率為2 Hz。靜載試驗(yàn)以10 kN為1個(gè)等級(jí)，直至加載到160 kN，對(duì)板梁裂縫的開(kāi)展和鉸縫兩側(cè)的變形進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤記錄，以此考察鉸縫的傳力性能和劣化規(guī)律。

圖6 梁鉸體系加載示意圖

為了準(zhǔn)確表征鉸縫在全壽命周期中所處的受力階段，定義了鉸縫壽命周期比例系數(shù)D0：

(1)

其中：D0為鉸縫壽命周期比例系數(shù)，%；Ni為鉸縫當(dāng)前所經(jīng)歷的疲勞荷載次數(shù)；N為鉸縫的疲勞壽命。當(dāng)D0=0%時(shí)，表示鉸縫處于完好狀態(tài)；當(dāng)D0=100%時(shí)，表示鉸縫已經(jīng)完全失效。

2 疲勞試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 裂縫開(kāi)展情況

在試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)荷載循環(huán)達(dá)到1.6×105次時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩條鉸縫均全線漏水且梁體在跨中附近出現(xiàn)顯著破壞，荷載已經(jīng)無(wú)法通過(guò)鉸縫向邊梁傳遞，疲勞試驗(yàn)結(jié)束。分別取鉸縫壽命周期的7%、15%、28%、44%、56%、67%、74%、84%、90%和100%時(shí)刻進(jìn)行靜載試驗(yàn)。試驗(yàn)開(kāi)始前向鉸縫頂端的溝槽里注水，以觀察鉸縫在該時(shí)刻的滲水情況。

當(dāng)D0=7%時(shí)，中梁底部出現(xiàn)了多條裂縫，鉸縫I出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。當(dāng)D0=15%時(shí)，兩鉸縫均在梁體方向滲水，鉸縫內(nèi)部已出現(xiàn)貫通且連續(xù)的裂縫，但此時(shí)仍然具有較強(qiáng)的傳力性能。在D0=28%時(shí)，梁底部出現(xiàn)了數(shù)條貫通的橫向裂縫，如圖7所示。當(dāng)D0=56%時(shí)，邊梁支點(diǎn)處底部開(kāi)始出現(xiàn)網(wǎng)狀裂縫。當(dāng)D0=90%時(shí)，“單板受力”現(xiàn)象已經(jīng)基本形成，中梁跨中底部出現(xiàn)混凝土脫落現(xiàn)象，鉸縫兩側(cè)出現(xiàn)顯著的位移差，如圖8所示。當(dāng)D0=100%時(shí)，鉸縫接觸面完全脫落，中板和邊板之間的位移差不斷增大，鉸縫失去橫向傳力能力，試驗(yàn)結(jié)束。

圖7 梁底貫通裂縫

圖8 中梁與邊梁之間的位移差

2.2 結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線

試驗(yàn)各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，將中梁跨中處的荷載-位移曲線作為代表，如圖9所示。由圖9可知:當(dāng)D0=7%時(shí)，曲線斜率相較于初始狀態(tài)有較明顯的下降，此后斜率的下降趨于緩慢，直到D0接近100%時(shí)斜率再次出現(xiàn)顯著下降。當(dāng)D0=100%時(shí)，隨著荷載的增加，鉸縫混凝土的裂縫和破碎區(qū)受力后閉合；通過(guò)混凝土的咬合力，鉸縫又獲得部分傳遞剪力的能力，使得曲線斜率有所上升。本文定義各荷載循環(huán)曲線的斜率(結(jié)構(gòu)剛度)與第1次荷載循環(huán)曲線斜率的比值為相對(duì)剛度率。各壽命周期比例所對(duì)應(yīng)的相對(duì)剛度率如圖10所示。由圖10可以看出：結(jié)構(gòu)的剛度退化趨勢(shì)具有“快-慢-快”的特點(diǎn)。在疲勞損傷的初期階段(0%～15%)，結(jié)構(gòu)剛度會(huì)出現(xiàn)迅速下降；在疲勞損傷的中期階段(15%～90%)，損傷發(fā)展緩慢；在疲勞損傷的后期階段(90%～100%)，結(jié)構(gòu)損傷再次快速發(fā)展直至破壞。對(duì)疲勞損傷初期的相對(duì)剛度率進(jìn)行線性擬合，此時(shí)決定系數(shù)超過(guò)0.99，擬合效果較好；對(duì)疲勞損傷中期的相對(duì)剛度率進(jìn)行三階多項(xiàng)式擬合，此時(shí)決定系數(shù)超過(guò)0.94，擬合曲線的相關(guān)性較強(qiáng)；在疲勞損傷后期，梁體剛度退化又非常迅速，相對(duì)剛度率下降為0.18，說(shuō)明這時(shí)剛度疲勞退化嚴(yán)重，鉸縫已接近失效。根據(jù)以上分析，得到的結(jié)構(gòu)相對(duì)剛度率評(píng)估公式如下：

圖9 中梁跨中荷載-位移曲線

圖10 中梁剛度退化曲線

其中：x為鉸縫壽命周期比例系數(shù)，%；y為相對(duì)剛度率。

2.3 鉸縫的荷載-兩側(cè)豎向撓度差曲線

為了測(cè)試空心板梁間的撓度差，試驗(yàn)前在兩條鉸縫兩側(cè)共設(shè)置6個(gè)U型位移計(jì)。撓度差為鉸縫兩側(cè)的豎向位移差，統(tǒng)計(jì)和分析不同壽命周期比例時(shí)的撓度差，可以用來(lái)反映鉸縫的變形特征。各測(cè)點(diǎn)的荷載-撓度差曲線變化規(guī)律相似，且跨中處兩測(cè)點(diǎn)的變化規(guī)律較顯著，以跨中兩測(cè)點(diǎn)為例，其荷載-撓度差曲線分別如圖11和圖12所示。由圖11和圖12可以看出：當(dāng)D0=15%時(shí)，兩測(cè)點(diǎn)的撓度差相較于初始狀態(tài)均出現(xiàn)明顯提高，鉸縫I更為顯著。隨著荷載次數(shù)的增加，各測(cè)點(diǎn)的撓度差均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。在D0=90%以前，各測(cè)點(diǎn)撓度差均在4.00 mm以下，且增長(zhǎng)緩慢；之后，各測(cè)點(diǎn)的撓度差突然出現(xiàn)大幅度增長(zhǎng)，當(dāng)荷載較小時(shí)，兩鉸縫損傷程度不一致，變形主要集中在鉸縫Ⅱ上，當(dāng)荷載達(dá)到一定程度后，鉸縫Ⅰ的撓度差也迅速增大，最終鉸縫Ⅱ的撓度差達(dá)到10.39 mm，鉸縫I的撓度差達(dá)到了13.31 mm。此時(shí)，荷載已經(jīng)無(wú)法從中梁向邊梁傳遞，兩條鉸縫已基本失效，形成了“單板受力”的現(xiàn)象。

圖11 鉸縫Ⅰ的荷載-撓度差曲線

圖12 鉸縫Ⅱ的荷載-撓度差曲線

2.4 鉸縫的荷載-橫向開(kāi)合曲線

為了測(cè)試鉸縫兩側(cè)的橫向開(kāi)合，在跨中和四分點(diǎn)處共設(shè)置6個(gè)水平位移計(jì)。開(kāi)合為鉸縫兩側(cè)在水平方向上的位移差，記錄和分析不同壽命周期比例時(shí)鉸縫兩側(cè)的橫向開(kāi)合，可以反映兩鉸縫的橫向變形特征。各個(gè)測(cè)點(diǎn)的荷載-開(kāi)合曲線變化規(guī)律相似，以跨中兩測(cè)點(diǎn)為例，其荷載-開(kāi)合曲線如圖13和圖14所示。由圖13和圖14可以看出：鉸縫橫向開(kāi)合與撓度差曲線的發(fā)展規(guī)律較為相似。當(dāng)D0=7%時(shí)，鉸縫產(chǎn)生較小的開(kāi)合；直到D0=56%時(shí)，開(kāi)合出現(xiàn)明顯增加，鉸縫混凝土已發(fā)生損傷。此后，開(kāi)合量緩慢增長(zhǎng)，直到D0=90%時(shí)各開(kāi)合又出現(xiàn)突然的迅速增長(zhǎng)，鉸縫Ⅰ的開(kāi)合達(dá)到9.28 mm，鉸縫Ⅱ的開(kāi)合達(dá)到了8.44 mm。此時(shí)，鉸縫混凝土與空心板梁之間的界面已無(wú)法傳遞剪力，鉸縫喪失橫向傳力能力。

圖13 鉸縫Ⅰ的荷載-開(kāi)合曲線

圖14 鉸縫Ⅱ的荷載-開(kāi)合曲線

3 鉸縫損傷評(píng)價(jià)方法及實(shí)橋驗(yàn)證

3.1 鉸縫疲勞損傷評(píng)價(jià)方法

采用三梁兩鉸縫空心板梁體系進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中跟蹤觀測(cè)了鉸縫的劣化特性，獲得了鉸縫損傷隨加載次數(shù)的發(fā)展規(guī)律。當(dāng)中梁受到荷載作用出現(xiàn)下?lián)蠒r(shí)，邊梁也會(huì)因鉸縫傳力作用而發(fā)生下?lián)??？紤]到板梁的絕對(duì)撓度、鉸縫的橫向開(kāi)合以及撓度差均能在一定程度上反映鉸縫性能，本文提出損傷系數(shù)C來(lái)評(píng)價(jià)鉸縫所處的損傷狀態(tài)：

(2)

其中：C為鉸縫損傷系數(shù)；a為空心板梁間的動(dòng)載撓度差；b為空心板梁間的開(kāi)合；d1、d2分別為鉸縫兩側(cè)空心板梁的撓度。鉸縫兩側(cè)板梁絕對(duì)撓度d1、d2反映了過(guò)橋荷載的大小，鉸縫兩側(cè)的撓度差a表征了相鄰板梁通過(guò)鉸縫的橫向傳力大小，橫向開(kāi)合b反映了鉸縫的破壞程度。

采用本次疲勞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)兩鉸縫的損傷系數(shù)與生命周期比例關(guān)系進(jìn)行分析，如圖15所示。根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中觀測(cè)記錄到的裂縫開(kāi)展、鉸縫滲水等情況的嚴(yán)重程度，基于鉸縫損傷系數(shù)C，將鉸縫狀態(tài)劃分為5個(gè)等級(jí)，如表1所示。

圖15 兩鉸縫損傷系數(shù)以及所處的狀態(tài)

3.2 實(shí)橋鉸縫的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與分析

采用本次提出的鉸縫疲勞損傷評(píng)價(jià)方法對(duì)實(shí)際橋梁進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和分析。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研并結(jié)合橋梁近年的檢測(cè)報(bào)告，選擇代表性與操作性兼具的渡家圩中橋進(jìn)行實(shí)地檢測(cè)。渡家圩中橋處在京滬高速江蘇段，全橋共6孔，標(biāo)準(zhǔn)跨徑為16.0 m，橋?qū)?8 m，每個(gè)車(chē)道寬度3.75 m。在不影響橋面通行的情況下在橋底架設(shè)測(cè)量裝置，分別對(duì)空心板梁的絕對(duì)位移以及鉸縫撓度差、開(kāi)合進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，并計(jì)算其鉸縫損傷系數(shù)。將通行車(chē)輛相對(duì)較重的行車(chē)道所對(duì)應(yīng)的6條鉸縫作為主要的檢測(cè)對(duì)象。具體試驗(yàn)裝置布置情況如圖16所示。

對(duì)所測(cè)橋梁的13塊板以及12條鉸縫依次編號(hào)。通過(guò)對(duì)梁底的外觀檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：支座良好，多梁出現(xiàn)縱向裂縫且有修補(bǔ)痕跡，其中8號(hào)板還出現(xiàn)橫向裂縫。多條鉸縫勾縫具有脫落的狀況，其中以5號(hào)、7號(hào)鉸縫最為明顯，第6條鉸縫產(chǎn)生了勾縫開(kāi)裂問(wèn)題，梁底部分外觀如圖17所示。

(a) 5號(hào)鉸縫部分脫落

通過(guò)在橋邊架設(shè)攝像裝置可以看到測(cè)試全程中行駛過(guò)的車(chē)輛，并從中選擇9組重型車(chē)輛作為研究對(duì)象。對(duì)車(chē)輛荷載作用下測(cè)得的板梁跨中絕對(duì)位移、鉸縫兩側(cè)豎向撓度差及橫向開(kāi)合進(jìn)行歸納，采用所提出的鉸縫損傷評(píng)價(jià)方法計(jì)算得到6條鉸縫的損傷系數(shù)并確定鉸縫所處狀態(tài)，如圖18所示。由圖18可以發(fā)現(xiàn)：所測(cè)6條鉸縫中除了5號(hào)鉸縫處于嚴(yán)重?fù)p傷狀態(tài)初期，7號(hào)鉸縫為中等損傷，其他鉸縫均處在輕微損傷狀態(tài)。通過(guò)外觀檢測(cè)也可判定5號(hào)鉸縫的損傷更為明顯，用鉸縫損傷系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)其狀態(tài)較準(zhǔn)確。此橋大部分鉸縫還處于輕微損傷階段，日常養(yǎng)護(hù)即可，而5號(hào)鉸縫需要進(jìn)行一定的修復(fù)。

圖18 6條鉸縫的鉸縫損傷狀態(tài)

采用類(lèi)似方法對(duì)另外3座橋梁進(jìn)行測(cè)試，其鉸縫損傷狀態(tài)如圖19所示。從圖19中可以看出:楊莊小橋的5號(hào)、6號(hào)以及9號(hào)鉸縫處于中等損傷狀態(tài)，另外3條鉸縫為輕微損傷；陶莊中橋的8號(hào)、9號(hào)鉸縫處于中等損傷狀態(tài)，其余為輕微損傷；南關(guān)大溝中橋的大多數(shù)鉸縫為輕微損傷，僅6號(hào)鉸縫處于中等損傷狀態(tài)。結(jié)果表明，所測(cè)每條鉸縫在不同重型車(chē)輛作用下得到的鉸縫狀態(tài)是趨于一致的，且各鉸縫損傷狀態(tài)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況基本一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了此評(píng)價(jià)方法的可靠性。

(a) 楊莊小橋

4 結(jié)論

(1)在疲勞荷載作用下，鉸縫劣化趨勢(shì)均具有“快-慢-快”的特點(diǎn)。在前約15%的壽命周期里，鉸縫快速損傷并發(fā)生滲水現(xiàn)象，但此時(shí)仍具有較好的橫向傳力能力；在此以后約75%的壽命周期中，鉸縫損傷發(fā)展較緩慢；在最后約10%的壽命周期里，鉸縫傳力能力快速下降并失效，形成了“單板受力”現(xiàn)象，梁體迅速損傷。

(2)鉸縫兩側(cè)橫向開(kāi)合與豎向撓度差的發(fā)展規(guī)律較為相似。當(dāng)壽命周期比例為約15%時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的開(kāi)合與撓度差相較于初始狀態(tài)均出現(xiàn)明顯增大；隨著壽命周期比例增大，各測(cè)點(diǎn)變形增長(zhǎng)相對(duì)緩慢；當(dāng)鉸縫壽命周期比例達(dá)到90%以上時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的開(kāi)合與撓度差突然出現(xiàn)大幅度增長(zhǎng)，此時(shí)鉸縫混凝土與板梁之間的界面已完全脫離，橫向傳力能力接近失效。

(3)基于板梁的絕對(duì)撓度與鉸縫兩端的開(kāi)合、撓度差，提出了損傷系數(shù)評(píng)價(jià)鉸縫所處的損傷狀態(tài)。當(dāng)損傷系數(shù)小于0.010時(shí)，鉸縫處于完好狀態(tài)；當(dāng)損傷系數(shù)為(0.010，0.035]時(shí)，鉸縫處于輕微損傷狀態(tài)；當(dāng)損傷系數(shù)為(0.035，0.145]時(shí)，鉸縫處于中等損傷狀態(tài)；當(dāng)損傷系數(shù)為(0.145，0.400]時(shí)，鉸縫處于嚴(yán)重?fù)p傷狀態(tài)；當(dāng)損傷系數(shù)大于0.400時(shí)，鉸縫完全失效。

(4)將所提出的損傷系數(shù)應(yīng)用于實(shí)橋現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)，該損傷系數(shù)易計(jì)算、測(cè)量方便，并且能夠較好地反映鉸縫的損傷狀況。