混凝土桥疲劳强度评价现状与对比.pdf

低温建筑技术 2 0 1 5年第 8期( 总第 2 0 6期 ) D OI ： 1 0 1 3 9 0 5 j c n k i d w j z 2 0 1 5 0 8 0 2 4 混凝 土桥疲劳 强度评价现 状与对 比 王生武 ， 何颖 ( 大连交通大学土木与安全工程学院 ， 辽宁大连1 1 6 0 2 8 ) 【 摘要】 近年来， 混凝土桥梁疲劳破坏事故频出， 这给人民生命和财产造成巨大损失。而我国现行的公路 桥梁规范中对混凝土桥梁的疲劳强度评价内容相对落后， 很多规范还处于修订状态 ， 因此针对这一现状开展对公 路混凝土桥疲劳强度评价方法对 比研究 很有必 要 。本文 通过对 比国内外规 范 中混凝 土桥 疲劳强 度评价 方法 ， 并 以某独塔异形混凝土斜拉桥为背景 ， 应用 Ma d i s C i v i l l 软件建立桥梁疲劳验算模型， 应用各国家规范进行计算。最 终总结出各国家规范的优缺点， 为编著我国混凝土桥疲劳设计方法规范提供参考。 【 关键词】 国内外规范； 公路混凝土桥 ； 疲劳强度评价方法 【 中图分类号】 T U 3 1 2 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 5 ) 0 8 0 0 6 4 0 3 本 文 以某 独 塔 异 形混 凝 土 斜 拉 桥 为对 象 ， 利 用 Ma d i s C i v i l l 软件对 其进行 模 拟 ， 并利 用英 国 B S 5 4 0 0 、 美 国 A A S H T O L R F D、 中 国公路 桥涵 设 计 规范 及 中 国 混凝土结构 设计 规 范 中提及 的疲 劳设 计 方法 进 行 了 进行计算 并 分析 比较 。主要 涉及 疲 劳安 全评 价 的必 要条件 、 疲 劳荷载确定及应力脉计算等。在此基础 上 ， 提出了符合我国混凝土桥梁服役特点的疲劳安全 安全涉 及及 其研究 提供参考 。 1 桥梁计算模型 1 1 桥 梁主要 结构 大桥是 预应力混 凝土 独塔斜 拉桥 ， 全 长 8 2 6 m， 主 桥 为 1 3 0 m+1 3 0 m= 2 6 0 m预应 力混 凝土斜 拉桥 。桥梁 全宽 2 8 m， 主桥桥面有护栏、 路缘带、 拉索 区及双 向4 车道和2条人行道。主桥采用独塔结构， 结构整体为 寿命 的基本设计方法 ， 对钢筋 混凝土桥 梁 的疲劳 寿命 塔梁 固结体 系。主塔 采用空 问造 型桥塔 ， 主塔 里面呈 0 0u 00 00 0 0 00 00 0 0 “0 ， 00 00 00 0 0 00 0 、 l l J 0 0 00 0 _ l 0 0 00 0 0 0 00 0 0 8 7 51 7 2 5 k N截面尺寸复合要求， 可否按构造配筋 ： ( 1 7 5 A+1 ) f , b h 0 ( =1 7 5 3+1 ) 1 4 3 N m m 4 0 0 ram 3 5 0ram = 8 7 6k N V = 1 7 2 5 k N 应按计算配置箍筋 ， 箍筋数量计算 ： 由 =( 1 7 5 A+1 ) Zb h 。+ ( 4 s )- h 。 得 ： 1 7 n A刚 V一 。1 7 2 51 0 3 N 一8 7 61 0 3 N s o 一 3 6 0 N mm3 5 0 ram = 0 6 7 4 mm。 mm 选 用双肢箍 8 1 5 0， 则 ： l s = 2 5 0 3mm 1 5 0 ： 0 6 71 mmmm 4结语 ( 1 ) 对于无腹筋受弯构件 ， 相比我国设计规范 考 虑的影响因素 ， 欧洲设计 规范 对无腹 筋构件 进行 的 弯剪承载力计算时， 其考虑的影响因数比我国全面。 ( 2 ) 此外， 欧洲设计规范还给出了无腹筋预应 力构件不允许出现裂缝时的抗剪承载力计算公式 ， 而 我 国设计规范则 没有 考虑。 ( 3 ) 而对于有腹筋受弯构 件欧洲 规范利 用抗剪 桁架模型， 可以根据实际受力情况变换斜压杆角度 ， 让箍筋 的屈服先 于混 凝土斜 压杆 压坏 ， 而 且可 以让设 计人员能够在一定的 0角范围内进行抗剪设计， 而我 国设计规范则是 固定 的 0 角 度 ， 且采 用半 经验 半理论 的计算公式 ， 没有 明确 的抗剪 受力模 型。 参考 文献 1 过镇海 ， 时旭东 钢筋混凝 土原理 分析 M 北 京 ： 清 华大学 出版社 ， 2 0 0 3 2 R e p o o f A C I A S C E C o m mi t t e e 3 2 6 S h e a r a n d D i a g o n a l T e n s i o n J A C I ， 1 9 6 2 ， 5 9 ( 1 ) ： 13 0， ( 2 )： 2 7 73 3 3 ， ( 3 ) ： 3 5 63 9 5 3 G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0 ， 混凝土结构设计规范 s 4 G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ， 混凝土结构设计规范 s 5 E N 1 9 9 211 E u r o e o d e 2 ， D e s i g n o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s S Be r l i n：Be u t h Ve r l a g Gmb H ， 2 0 0 4 6 施岚青 ， 喻永 言 ， 等 钢 筋混凝 土构 件斜 截 面抗剪 强 度计算 G 1 9 8 5： 1 1 21 3 9 7 严亚 林 ， 金 新 阳 中欧 规范 无 腹筋 梁抗 剪 承载 力计 算 比较 J 土木工程信息技术 ， 2 0 1 0 ， ( 1 ) 收稿 日期 2 0 1 5 0 41 0 作者简介 桂军 ( 1 9 9 0一)， 男 ， 南 昌人 ， 硕 士研 究生 ， 研究 方 向： 工程抗震 。 王生武等 ： 混凝土桥疲劳强度评价现状与对比 6 5 “ 人字形 ” ， 横桥 向呈 “ Y形 ” ， 塔柱 自塔底 至 塔顶依 次 有混凝土塔柱、 钢 一混结合段和钢塔柱组成。斜拉索 采用双索面双排扇形布置 ， 拉索在混凝土主梁上锚固 间距为6 m， 塔上拉索出口点标准间距为2 2 m， 全桥共 7 6根斜 拉索。 1 2 材料参数 该桥主要材料的性能参数如表 1 所示 。 表 1 材料参数 M P a 材料 种类 屈服强度标准值 弹性模量 H P B 3 0 0钢筋 HP B 4 0 0钢筋 斜拉索及 预应力 钢绞线 Q 3 4 5钢 C 5 0混凝土 3 0 0 2 1 0 4 0 0 2 1 0 1 8 6 0 1 9 5 X 1 0 轴向容许应力 弯曲容许应 力 2 0 0 2 0 0 轴心抗压强度轴心抗拉强度弹性模量 3 2 4 2 6 5 3 4 5 1 0 4 1 3整体模 型 主梁和索塔采用空间梁单元模拟， 斜拉索采用只 受拉的桁架单元模拟， 斜拉索与主梁之间释放 了弯 矩 ， 与桥梁实际情况符合。模型共划分 2 4 0个单元、 3 2 5个节点 ， 其中主梁划分 8 6个单元 ， 桥塔划分 7 8个 单元 、 斜拉索共划分 7 6个单元。斜拉索和主梁之间采 用刚性连接 ， 桥塔支座约束采用全部约束， 桥端两侧 只竖向和侧向约束。建立模型如图 1 所示。 曩 杂 基 饕 豳 闺 r 图 1 某桥有限元模型 、 7 一 = 主梁单元号 一 英国B S 5 4 0 0 一 中国规范 一 美 国A A S HT O L R E F 图2 底板预应力钢筋应力脉 2疲劳强度评价与否的判断条件 美国疲劳车重为 3 2 5 k N， 中国疲劳车重为 5 5 0 k N， 混凝土结构设计 3 4 4规定严格要求不出现裂缝的 构件， 按荷载标准组合计算时， 构件受拉边缘混凝土 不应产生拉应力， 为裂缝一级控制。经过换算分析， 得到中国规范要求的判断条件更加严格。 表2 各国规范疲劳安全评价的条件比较 规范 验算疲 劳的条件 A A S H T O 压( 永久荷载 和预 应 力引 起 )+2 0 i ( 疲 劳荷 载 弓 L R F D 起 )0 ， 考虑疲劳 受 压区纵 向钢筋 可不进行疲劳验算 混凝 土 一 级裂缝控制等级预应力混凝 土构件 的钢 筋可不进 结构设 计 行疲劳验算 当应力 比 P 0 9， 检算 预应力筋的疲劳 钢结构 对应力 循 环 中 不 出现 拉 应 力 的部 位 ， 可 不 做疲 劳 设计规范计算 3 疲劳荷载确定及应 力脉计算 表 3 各国疲劳荷载 规范名称 疲劳车制定根据 英国 B S 5 4 0 0 美 国 A A S H T O L R F D 中国公路桥涵规范 4 A H车型对钢桥梁常见细节所产生的 损 失最 为严重制定 根据实际运营 车辆 等效总 重。对 大多数 钢桥的疲劳损伤 影响 最大得 到标 准疲 劳 车的轴重比和轴距 静载验算中的一辆重 车 ( 1 ) 疲劳荷载。疲劳荷载是桥梁疲劳破坏的根 本原 因 ， 是 能否准确 合理地 进行疲 劳强度评 价 的关键 因素之一 。为此 ， 需要 尽可 能准确地 确定 与实 际情况 相符合 的疲 劳荷 载。 在我 国的桥 梁规范 中 ， 尚无为评 价疲 劳强度 而制 定疲劳车荷载。表 3英 国 B S 5 4 0 0依据使用条件的不 同， 而对疲劳荷载进行较为详细的分类 ， 显然能够更 低温建筑技术 2 0 1 5年第 8期( 总第 2 0 6期 ) 为准确合理地反应当地桥梁的实际承载情况。表 4美 国疲劳车 的总重制定 方法较 为合理 ， 我 国以后研 究制 定混凝土 桥疲 劳 车 的总重 时可 以借 鉴 。在 我 国 以后 的规范修 订 中对 于疲 劳 车 的轴 重 、 轴 数 和 轴 距 的确 定 ， 应 以混凝 土桥 的主要 疲 劳细节 损 伤度最 终 确定 ， 才更 为合理 。 ( 2 ) 应力脉取值方 法。 国内外 规范均 经历 了 由 控制最大应 力 的容许 应 力法 到控 制 应力 幅 来进 行抗 疲劳设计 的飞跃 ， 但 对不 同细节 的应 力脉 取值 方法却 是有差别 的。 表 5 各 国规范应 力脉取值 对比 经过对表5分析得出， 美 国没有进行修正非焊接 构造的应力脉， 取值方法整体来说最为保守。中国的 修正系数最大， 说明中国在非焊接构造的疲劳细节应 力脉取值上 比其他国家规范更松。英国规范介绍的 较为详细。但我国的应力脉取值方法来 自于钢结构 设计 ， 因此建议我国混凝土桥梁的疲劳应力脉取值方 法应 以混凝土疲劳损伤量大小来进 行修订。 ( 3 ) 疲 劳 工 况 系 数 。从 表 6可 以 看 出： 英 国 B S 5 4 0 0 在疲劳荷载组合工况的分类上最为详细， 中国 桥涵规范在疲劳荷载组合系数取值上最大， 但是中国 桥涵疲 劳荷 载 系数 取值 是按 照 承载 能力 极 限状 态取 值的， 并不是特别针对疲劳工况取值 ， 系数的使用性 有待商榷 。 表 6 各 国疲劳 工况 系数对 比 注： 其中 疲劳荷载系 数包括了冲击力影响。 根据三国规 范 中 的疲劳 荷载 确定 及应 力 脉 计算 取值 ， 以本文某混凝土斜 拉桥为 背景进行 计算 得 出下 缘预应力钢筋的应力脉值， 见图2 。综上所述 ， 经过对 比分析和应 用有 限元 软件 模 拟得 出， 英 国 B S 5 4 0 0规 范求 出预应力钢筋应 力脉最 大 ， 中国其 次 ， 美 国最小 。 同时 反 映 出英 国 B S 5 4 0 0的 疲 劳强 度 验 算 方法 更安 全， 中国其次， 美国较危险。 3结语 ( 1 ) 经 过换 算分 析 ， 得到 中 国规范要 求 的疲 劳 验算 条件更加严格 。 ( 2 ) 英 国 B S 5 4 0 0对 疲 劳荷 载进 行较 为 详 细 的 分 类思 想 ， 较 好 的体 现 了工程本 身 的严谨 性 ， 值得 借 鉴 ； 美国疲劳车的总重制定方法较为合理。对于疲劳 车的轴重、 轴数和轴距 的取值 ， 应以混凝土桥 的主要 疲劳细节损伤度最终确定 ， 才更为合理。 ( 3 ) 经 过上 述 总结及 计算 结果 得 出 ， 美 国 的应 力脉取值对非焊接构造的取值方法上没有进行修正， 整体来说最为保守； 中国在非焊接构造 的疲劳细节应 力脉取值上 比其他 国家规范更松 ； 英国规范在应力脉 的取 值 上 介 绍 的 较 为 详 细。经 过 计 算 反 映 出 英 国 B S 5 4 0 0的疲 劳强度验 算 方法更 安 全 ， 中国其 次 ， 美 国 较危 险。 参考文献 1 A A S H T O L R F D B r i d g e D e s i g n S p e c i fi c a t i o n S 1 9 9 0 2 S t e e l ， c o n c r e t e a n d c o mp o s i t e b r i d g e s S 1 9 8 0 3 混凝土结构设计原理 M 2 0 1 0 4 公路桥涵设计通用规范 S 5 钢结 构设计 原理 M 2 0 0 3 收稿 日期 2 0 1 50 40 3 作者简介 王生武 ( 1 9 6 0一) ， 男 ， 内蒙 古兴和人 ， 教授 ， 研究 方 向： 结构与材料疲劳与断裂。