混凝土桥梁疲劳寿命与使用安全评估.pdf

建筑技术开发 Bu i l d i n g T e c h n o l o g y De v e l o p me n t 安全质量 S a f e t y a n dQu a l i ty 第4 3 卷第9 期 2 0 1 6 年9 月 混凝土桥梁疲劳寿命与使用安全评估 卢萍 ( 中铁七局集团郑州工程有限公司，郑州4 5 0 0 0 0 ) 摘要 我国的桥梁设计技术发展时期是在2 0 世纪6 0 年代初， 在这段时间， 桥梁建设正是逐步完善的时期， 技术 日渐成熟， 我国的钢筋混凝土桥梁大部分建造在这个时期 。而这些桥梁在经历了几十年的负荷与载重，突出了各种各样的问题，如桥面出 现开裂、塌陷、桥 台破损沉陷等一系列疲劳问题 。所以，桥梁的疲劳寿命与使用安全越来越受到重视，为了能够更加安全的使 用这些桥梁，必须能够对桥梁的疲劳寿命及其使用安全做 出全面合理的评估。 关键词 混凝土桥梁 ；疲劳寿命 ； 使用安全评估 中图分类号 T u 5 2 8 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 1 5 2 3 X ( 2 0 1 6 )0 9 0 1 3 5 0 2 Fa t i g u e Li f e a n d S a f e t y Ev a l u a t i o n o f Co n c r e t e Br i d g e s LuPi ng 【 Ab s t r a c t C h i n a S b r i d g e d e s i g n t e c h n o l o g y d e v e l o p me n t p e r i o d i n t h e e a r l y 1 9 6 0 s ， i n t h i s p e ri o d o f t i me ， t h e c o n s t r u c t i o n o f t h e b r i d g e i s g r a d u a l l y p e r f e c t ， t h e t e c h n o l o g y i s ma t u r e wi t h e a c h p a s s i n g d a y ， t h e r e i n f o r c e d c o n c r e t e b ri d g e s i n o u r c o u n t r y mo s t o f c o n s t r u c t i o n i n t h i s p e r i o d Ho we v e r t h e s e b r i d g e s a ft e r d e c a d e s o f l o a d a n d l o a d ， h i g h l i g h t i n g t h e v a ri o u s k i n d s o f p r o b l e ms ， s u c h a s d e c k c r a c k i n g ， c o l l a p s e an d a b u t me n t d a ma g e d t h e s e t t l e m e n t a n d S O o n a s e rie s o f f a t i g u e p r o b l e ms S o t h e f a t i g u e l i f e o f t h e b rid g e wi t h t h e u s e o f s e c u rit y mo r e a n d mo r e a t t e n t i o n ， i n o r d e r t o s a f e r u s e o f t h e s e b r i d g e s mu s t t o ma k e a c o mp r e h e n s i v e a n d r a t i o n a l e v a l u a t i o n o f b rid g ef a t i g u el i f e a n d s a f et ou s e K e y wo r d sc o n c r e t e b ri d g e ； f a t i g u e l i f e ； s a f e t y e v a l u a t i o n 随着时代的进步和时间的推移，许多事物在不断更新，以 适 应现代 社会 的发展需要 ，而在 过去 的几十年 里 ，我 国修建 的数十 万座混 凝土桥梁 仍延续使用 到现在，经历 时间 的打磨 ， 不 断反复地 负重 ， 这种 负重随着 时代 的进步 ， 车辆数 目的激增 ， 病害的侵蚀，由此造成的桥梁问题不断出现，桥梁坍塌的事 故 也屡见 不鲜 ，为 了防止 出现桥 梁突然 断裂， 就需 要对桥梁 的使用年限，即疲劳寿命做一个评估，这样可在疲劳寿命将 要到达期限时，采取相应的策略。但我国目前并没有良好的 方式与方法对这些桥梁的疲劳寿命进行评估，现有的评估方 法 也不够 完善 。因此为确保 桥梁 使用 安全，开 展疲 劳寿命 与 安全评估有 着深刻的意义。 1 疲劳寿命 1 1 概念 疲劳指的是金属材料在不断变换的力的作用下性能发生 改 变，在施 工 过程 中需要清 楚疲 劳不 是突然发 生 的，而是 一 个逐渐改变过程，因为受到力的干扰，不管是结构还是零件 在最初的使用阶段，就已经开始发生疲劳。当一直处于疲劳 状 态并一 直 因为力 的作用 而受 到破坏 ，就会使 因疲 劳产 生的 裂纹扩大，当扩大到一定程度就会发生断裂。从开始进入疲 劳到最后结束断裂，被称为 “ 寿命” 。 1 2 影响疲 劳寿命的 因素 车辆增多、吨位增重和恶劣环境的影响都会 引发桥梁的 一 些病害，进而影响桥梁的疲劳寿命。但总的来说，混凝土 桥梁因为疲劳而发生的破坏由很多因素共同作用而成，并且 在多数情况下无法分辨哪个是关键因素。后来经过长时间的 实验研究发现 ，最能够影响混凝土桥梁疲劳寿命的因素是钢 筋 混凝土 在梁 方面 的配筋 率。 同时也有 部分 的专家 认为 疲劳 荷 载的应 力程 度也 是钢筋 混凝 土桥梁 发生疲劳 破坏 的一 个重 要因素，但有待证明。 1 3 混凝土桥 梁疲劳现状 我国多座缆索承重桥梁或多或少都有存在一定 的裂缝或 疲 劳开裂 的现 象 ，因为裂 缝较 小前 期很难 引起 注 意 ，但 后期 收稿 日期 ： 2 0 1 6 - 0 5 1 9 作 者简介 ：卢萍 ( 1 9 8 4 一 ) ，男 ，江 西 贵溪人 ，工程 师 ，主 要从 事公 路工程施工 。 引发 的安全 事故是 非常 严重 的。对此 ，我 国从 事桥梁工 程技 术 的相 关人 员同许 多研 究人员结合我 国的实 际情况投入 了大 量研究工作，目的在于能够找到评定桥梁疲劳寿命的方法， 通 过研究，制订出一套我 国特有的评定方法 。 2 混凝土桥梁疲劳寿命与使用安全评估方法 虽然 当前在混 凝土 桥梁 方面还缺 少 能够应用 的规范 来对 其疲劳寿命和应用安全进行评估，但在不断的理论和实践研 究中形成了两种主流的计算方法。 2 1 基于 曲线和Mi n e r 理论的疲劳寿命评估方法 目前来说，不仅是我国乃至全世界在进行桥梁设计 中一 直应用传统的疲劳分析法，这种分析法 的原理是以 曲线和 Mi n e r 线性的累积损伤作为基础准则。但这种方法面临问题时 一 定要确定好疲 劳细节 的强度及模拟好 疲劳应用谱 。 2 1 1 确 定 曲线 只有研 究好外 荷 载和疲 劳寿命之 间的 比例关系 ，才 能够 更好地研究混凝土桥 梁的疲劳寿命。将外加应 力定义 为 ，疲 劳寿命定义为 ，他 们的 曲线关系则被 称为 曲线 。因为在 当前 ，我 国对于 曲线还没有一个 明确 的规范，因此 ，作者 将使用外国发达国家给出地规范的 曲线。 2 1 2 Mi n e r 准则 Mi n e r 理论是线性 累积损伤理论 中有代表 性的一种 ， Mi n e r 线性疲劳累积损伤准则，将循环的损伤公式定义为 ： D= 1 ( 1 ) 式中 ： 为从开始受力到最后破坏的循环次数。通常情况 下，即刀个循环所造成的疲劳损伤公式为 ： = ( 2) 如果在 n 个循环的力的影响下， 造成的疲劳损失的公式为： 9 = X D 哥 ( 3 ) 式中 ： D为疲劳累积损伤值。 如式 ( 1 )式 ( 3 )的损伤一直累计到 达了某一个特 定 的 临界值就会 出现疲劳 损坏，即当 不小于 1 时，就能够判定 出 现了疲劳损坏。通过实验发现，在随机 的载荷状态下，破坏 的临界值都会在 1 的上下跳动 ，这就是 当前 工程界应用最 广泛 1 3 5 第4 3 卷第9 期 2 0 1 6 年9 月 安全质量 S a f e t y a n d Qu a l i t y 建筑技术开发 Bu il d i n g T e c h n o l o g y De v e l o p me n t 的 Mi n e准则 的原 因，从 目前情 况来看 ，因为疲劳损 伤 的变化 化幅值 ： 情 2 2况 萎 不 够 成 熟 。 基 于 断 裂 学 的 疲 劳 剩 余 寿 命 评 估 办 法 、 如上文所述，钢筋是影响混凝土疲劳寿命的关键 因素。 因此，可根据主要受力的钢筋的断裂程度来对钢筋混凝土桥 梁的疲 劳寿命进 行判 定。为 了能 更好地 确定钢筋 的裂 缝扩大 情况，在本文中，假定最初出现的裂纹是一个半圆形的裂纹， 若设初始裂纹 的深度是 ，且同钢筋的轴线垂直，难么裂纹 的扩大可以按照 P a ri s 公式进行计算。 2 _ 2 1 。 的确定 深度的测量 方法一般有两种 ： ( 1 )直接观测 的方式 ； ( 2 ) 根据实际情况及经验来做假设。第一种方法虽然 比较精确， 但受到地理环境的影响，深埋段钢筋总是隐藏在土 中，有时 很难进行检测和观测。本文将采用给第二种方法，即通过经 验对 进行合理 的假 设。 2 2 2 对临界裂纹 的确定 如果初始 的裂纹 不断扩大 ，直 到到达裂 纹临界 点 ，钢 筋 混凝土桥梁就会发生断裂崩塌。通常来说，钢筋的疲劳破坏 模式 分为两种 ， 即韧性和脆性 破坏 。这两者 需要分 不 同的情 况使用不同的公式进行计算。 若根据线弹性断裂力学的 准则进行判断，当 不大于 时 ，发生的就是脆性断裂。那 么此时裂纹深度 的临界值 为 c 2 - 3 裂纹的拓展 计算 可以根据 P a ri s 准则来计算裂纹拓展的速率以及相应的变 ( 上接第 1 1 6 页) 搅拌机下沉或提升每米的时间、供浆与停浆时间、钻进深 度 、停浆面标 高等及 每根桩所用 水泥 浆总量 、搅 拌 次数 与深 度 。 5 水泥搅拌桩成桩检验 成桩7 d后，浅部开挖桩头，开挖深度为0 5 1 0 m，检查 桩体成型情况和搅拌均匀程度，并如实做好记录，若发现凝 体不良等情况应报废补桩。 6 水泥搅拌桩检测 ( 1 )建设单位委托桩基检测单位检测，签订合 同 ；监理 部审查检测单位资质证书、营业执照、人员资格证书、检测 业绩、检测仪器检定合格证书。 ( 2 )审查桩 基检测单位检测方案 ，并报建设单位 审查。 ( 3 )成桩 2 8 d后，桩基检测单 位用钻孔取芯的办法 ，检测 桩身的完整性、桩土搅拌均匀程度及桩的施工长度，取出的 芯样送检测 中心 测定桩身强度。 ( 4 )监理 同建 设单位 共 同确 定抽 检桩 号，检 测 单位 通过 静载 荷 实验 ，检 测单 桩和 复合地 基 承载 力 ，检 验 桩 身质 量， 随机抽检 的桩 数 不宜少于 总桩数 的 1 ，并不得 少于 3根 ，试 验所用最大静 载荷值为单桩和复合地基设计荷载 的2倍。 1 36 3 结束语 通过国内外从事钢筋混凝土桥梁建筑的工作人员不断努 力，终于提出了以上两种能够对混凝土桥梁的疲劳寿命进行 安全评估 的办法 。总的来 说第一种应用 曲线 、Mi n e r 准则 的方 法 能通过对 应关系 直观 地计算 出桥 的疲 劳寿命 ；第二种 基于线弹性断裂力学的方法则根据主要受力钢筋的断裂情况 来进行计算，通过计算裂纹的临界值，来判定疲劳寿命。通 过上文介绍桥梁疲劳寿命及安全评估方法，希望在今后的桥 梁 安全 评估 中充分应用 ，深 入探 究和 理解 ，进 步保 障混凝 土桥 梁 的安全 ，虽然 当前 的两种方法 能够很 好 的对 桥梁疲 劳 寿命 进行判 定，但笔者仍 希望相关人员能够进 一步优化工作 。 同时也建议在可采用 wI N动态称重系统对来往的车辆进行称 重，防止出现桥梁载荷过重的现象。 参考文献 1 1李干 既有公 路混凝土 桥 梁疲 劳寿 命与使用 安全 评估研 究 D】 两 安 ：长安大学 ，2 0 1 1 2 王玉娇 既有混凝土梁桥 疲劳使 安全评估 【 D】 西 安 ： 长 安大学 ， 2 Ol 3 4 朱志 光 论钢筋 点焊 联结对 混凝士桥梁疲劳 寿命 的影响 【 J 】 长沙 ： 长沙铁道学 院学报 ，1 9 9 9 ( 1 7 )：1 0 9 5 】 薛军鹏 滨海 地区抗侵 蚀防腐阻锈混凝 I I H I I 研 究 J 1 _ 建筑技术 ， 2 0】 6，4 7 ( 4)：3 4 7 - 3 4 9 ( 5 )检测合格，桩基检测单位出具地基处理水泥搅拌桩 检测报 告，交各 方留存 备档。 7 结束语 本 桥梁 工程水 泥搅 拌桩 检测报告表 明 ，水 泥土试 件 的立 方体抗压 强度大 于 1 6 0 0 k P a ，单桩竖 向承载 力不小于 8 0 k N，复 合地 基 承载力 大于 1 2 0 k P a ，符合设 计和 规 范要求 ，软土地基 经水 泥搅 拌桩 加固处理 后 ，地基土 强度 提 高，地基承 载力 明 显提高，达到了控制沉 降、稳定地基的 目的，这种方法具有 投入使用快、施工成本低、工期短的显著优点。 参考文献 1 张久志 水泥 搅拌桩地基处理 的施 工及检测 方法 J 辽宁省交通高 等专科学校学报 ，2 0 1 0( 1 )： 7 - 9 2 郝 忠 ，王馨玉 ，焦慰 单 向和双向水泥搅拌桩 软基处理效果试验研 究 J 江 苏建材 ，2 0 1 5 ( 6 )：4 1 _ 1 4 4 3 邵 龙 ，施永雷 水泥搅 拌桩的施工质量问题分析 f J 中国建材科技 ， 2 01 5 ( 6)：9 9 1 01 4 李 天卿 水泥 搅拌桩在软基 处理中的应用 J 科 技促进发展 ，2 0 1 0 ( S1 )：2 0 5 5 张志 华 MC劲 性复合桩 技术 在高层住宅 工程 中的应用 J 建筑技 术 ，2 0 1 5 ，4 6( 6 )： 5 3 2 - 5 3 5