预制拼装桥梁的接缝疲劳特性分析与实践

毕浩军

（邢台路桥建设集团有限公司，河北 邢台 054000）

0 引言

目前，国内桥梁工程建设通常采用预应力拼装工艺开展不同段的拼装，首先拼装桥梁上部结构预制段，而后进行预应力张拉及拼装[1]。应用预应力拼装技术时，首先需要沿纵梁方向将梁体分块，将加工段、预制段逐个拼装至桥梁结构上并使用专用设备安装，通过预应力拼装提高不同段之间的连接效果，确保桥梁整体强度[2]。拼接桥梁时，杆塔拼装位置出现裂缝的概率较高，由于杆塔系统中杆塔面积较大且为钢结构，不同结构之间通常通过焊接的方式连接，且不同区域组成十分复杂[3]。杆塔系统中采用焊接连接的位置容易出现焊接缺陷，短时间内运行可能不会出现问题，但长期受到车辆荷载、自然因素影响，或在海啸、大风等自然灾害影响下很容易出现接缝疲劳问题[4]。在多方面因素共同影响下，疲劳接缝延伸至断层，最终会导致桥梁结构受损，甚至引发桥梁倒塌事故。接缝作为特殊预制构件形式，在桥梁结构中强度较低，属于薄弱环节，要采取有效措施确保拼装桥梁稳定性，还须进一步分析桥梁预制节点疲劳性能。

1 节段预制拼装桥梁接缝承载力分析

采用两点加载法，基于节段预制拼装桥梁特点分析其承载能力，假设阶段为纯弯曲受力且受弯曲剪切耦合作用，节点设置在加载点外，即可调节节点实现剪跨比变动[5]。若接缝在承受直接剪切力条件下依然处于加载点外，应在接缝位置周围设置支点。本文结合上述条件开展试验分析，探究接缝受力情况。

1.1 接缝受力加载

1.1.1 弯曲受力

节段预制桥梁所受荷载提升过程中，中心节点下缘首先开始受力产生弯曲裂缝并开裂，而后随荷载进一步增加，裂纹宽度增加并呈现纵向发展趋势，最终产生破坏裂纹[6]。应力达到混凝土极限强度后，接缝位置附近桥梁混凝土破碎，这一状态下接缝外预应力筋未达到屈服强度，受拉区域内预应力筋达到屈服强度。由此可知，弯曲受力加载过程不会对接缝产生严重破坏。

1.1.2 弯剪耦合受力

荷载作用下，弯剪耦合会导致预制桥梁接缝扩张，造成桥梁结构表面裂纹。随施加连续加载作用，接缝面的裂缝高度不断提升，会对混凝土结构产生不断增大的应力影响，最终导致混凝土梁破坏。极限压应变破坏模式类似弯曲破坏，但具体效果不明显。相较于屈服强度，箍筋点受力效果可以忽略不计，因此不考虑纵裂破坏作用下箍筋对接缝强度的影响，弯剪耦合受力加载不会对接缝产生严重破坏[7]。

1.1.3 直剪受力

接缝键齿在直剪受力加载条件下错位并形成裂纹[8]。腹板黏结根部中央在直剪受力荷载持续提升条件下逐渐产生竖向裂缝，而后裂缝扩张发展并相互贯通，连接形成宏观裂缝后切断腹板上键齿。由此可见，接缝破坏效果会受到直剪受力加载的显著影响。

1.2 承载力分析

本文以预制装配式桥梁预制接头所受直剪耦合力、接头弯曲力和弯剪耦合力为基础，开展非线性累积条件下疲劳损伤研究[9]。

1.2.1 弯曲承载力

对预制装配式桥梁预制接头施加弯曲作用力的条件下，不同混凝土梁节点之间存在强度差异，强度最低位置为混凝土梁端部，可能会出现混凝土压缩问题，导致早期坍塌，对界面承载能力产生负面影响[10]。

1.2.2 弯剪耦合承载力

在剪切力、正应力共同影响下，连接弯剪区混凝土未达混凝土单轴抗压强度标准值而出现二维应力断裂，因此，在剪切力、正应力作用下连接剪切区混凝土未达剪切、弯曲耦合力[11]。

1.2.3 直剪承载力

随直剪力大小增加，相邻节点之间出现位置偏移，同时混凝土结构接剪切受压位置下降，导致相邻接合节段之间滑移，使得结合部界面平整性下降，出现垂直错位问题[12]。跨径头部位置受到预应力筋拉力影响，该拉力的垂直拉伸作用，可视作外部夹紧力作用至混凝土接缝压缩位置，应强化压裂区域混凝土摩擦力，避免结构滑动。接缝的抗滑移承载力在预应力受拉屈服条件下随滑动幅度提升而降低，这一状态下接缝处会重新产生剪力并导致直剪破坏问题。

2 疲劳损伤非线性累积规律

在初步明确预制桥连接节点破坏机理、承载力作用机理的条件下，探究预制拼装桥的接缝疲劳损伤累积计算方式，损伤累积为非线性增长，其计算方程为[13]:

式（1）中，该接缝位置处循环荷载的应力变化情况用σΔ 表示，疲劳试验周期内应力均值用表示，疲劳因子和荷载次数分别用D和N表示。

预制拼装桥接缝疲劳损伤会随荷载作用的持续而累积，并逐渐产生裂纹。因此需要考虑应力幅构件疲劳损伤的微分方程，具体如（2）所示。

式（2）中，循环过程中荷载特征使用因子a表示，使用p、q两种参数表示温度。

结合式（2）可简要评价预制拼装桥梁混凝土接缝的疲劳性能强弱。以节段预制拼接桥梁为例，某一节段使用半无限弹性体设置，各预制件为混凝土结构，且各个预制件混凝土土层厚度均与预制件间隙宽度基本相等[14]。水平缝隙受到标准车辆循环荷载作用时，荷载集中于缝隙填料位置，混凝土材料和缝隙填料的泊松比、弹性模量相同，在这一状态下不同节点之间的传力效果达到极小值，因此可将桥梁结构简化处理为一段混凝土结构，两端固定且混凝土厚度较小，如果施加界面压力，则混凝土层的线性应变为线性变化[15]。

3 接缝疲劳性能分析

在弯剪耦合承载力、弯曲承载力和直剪承载力的共同作用下，节段预制拼装桥梁接缝的线性应变为线性变化，本文基于此开展疲劳性能分析。

3.1 初始接缝长度

明确疲劳接缝尺寸，设置具体的直剪承载力、弯剪耦合承载力和弯曲耦合力数值，并通过公式（3）计算最大循环应力条件下接缝的韧性。

式（3）中，节段预制桥梁接缝结构相关参数以f表示，最大循环用力使用δmax表示，计算结果接缝韧性用Kc表示。经分析，应力强度因子幅度会直接影响预制桥梁接缝疲劳程度。

3.2 应力强度因子幅计算

预制段桥梁主要指桥梁预制段和规则接缝桥梁，为获取应力强度因子幅值，将应力强度因子换算为应力幅值。设置多轴非比例循环荷载，此时可直接分析弯曲、直剪和弯剪组合应力条件下应力强度因子变化情况。由于轴向应力远大于弯曲应力，因此仅须考虑预制桥接缝的轴向应力。非比例循环荷载条件下，直剪荷载、弯剪荷载和弯曲荷载作用如图1所示。

图1 弯曲、弯剪和直剪的非比例循环荷载

结合图1可知，计算循环应力时，如使用循环计算法，则须首先明确对接接缝循环应力幅值，而后分组建立有限元并计算获取不同节点循环应力幅度条件下的应力强度因子幅度。结合差值获取不同接缝对应的应力强度因子，并以此为依据计算出任意长度接缝所对应的应力强度因子。

由于桥梁各个节点均处于非比例负载状态，因此要计算应力强度因子幅，须首先考虑混合节点扩展模式。设弯曲承载力对应应力强度因子幅为ΔK1、弯剪耦合承载力对应应力强度因子幅为ΔK2、直剪承载力对应应力强度因子幅为ΔK3，获得公式（4）：

公式（4）用于计算等效应力强度因子幅，也可用于计算不规则拼接缝的应力强度因子幅。疲劳分析时要考虑变幅加载条件，则须首先采用循环计数法获取不同周期拼接缝应力强度系数，而后分别建立有限元模型。应力强度因子能够用于评价接缝疲劳强度，接缝膨胀范围随疲劳接头变化而变化，其中最小值在疲劳接头为0时出现，增大过程中，应力幅小于最小值时可等效认为节段接缝不存在缩缝。

3.3 扩展寿命计算

明确节段预制桥梁各项基础参数后，通过循环计数法具体计算各节段应力强度因子幅值，对比数据库中最小值判断是否膨胀，模拟循环累积过程，接缝疲劳损伤不断累加至拼装位置出现断裂，由此计算接缝疲劳伸缩寿命，具体步骤为：

（1）采用循环计数法统计阶段预制拼装应力时的循环应力幅并分组。

（2）构建不同应力幅作用下含节理有限元模型并计算对应的强度因子幅值，依据计算结果建立应力强度因子幅值库。

（3）结合数据库内插，以节理初始尺寸为依据计算第一组应力强度因子幅，判定强力因子幅是否大于最小值，若大于，则接缝膨胀。

（4）将第三步中新接缝长度设置为第二组应力强度因子幅值。

（5）重复上述步骤，计算N组应力强度因子幅值并获取下一期接缝尺寸，重复计算至N组计算完毕，而后根据上述模型计算初期运营过程中节点预制桥梁点的扩展长度。

（6）将第五步中新接缝设置为下一次动荷载时预制桥面接缝初始接缝，而后重复计算前五步，累加桥梁接缝损伤直至断裂为止。

综合上述步骤，最终获取的接缝尺寸从最初连接尺寸发展至连接尺寸耗时即被认为接缝的疲劳伸缩寿命。

4 实例分析

本文以某地跨湖大桥工程为例，该桥为连续钢桥，主通航孔为4×120m，结合工程整体焊接、现场搭接装配构设桥接缝节点。为提高计算简便性，结合大选量三界面铰接梁情形分析，探究节点位移与荷载之间的关系，其中盖梁截面、钢梁结构如图2所示。

图2 盖梁钢束及断面示意图

结合工程相关规范要求将试件卷成砂轮后切割成小梁，小梁长宽高分别为380mm、63.5mm和50mm。设置温度为0℃、频率为10Hz，控制正弦荷载四点应变并通过UTM试验机分析小梁抗疲劳性能。分析图2中接缝A点、接缝B点、接缝C点荷载-位移变化，结果如图3所示。

图3 接缝A、B、C三点的荷载-位移曲线

由图3（a）可知，接缝A点处，实际荷载-位移曲线可大致分为数段，其中位移在0mm～0.5mm范围内，接缝荷载从0N逐渐提升至1200N附近，位移增加至0.9mm期间位移仅上升至1250N，位移进一步增加至1.6mm时荷载逐渐下降至520N，位移增加至2.6mm期间荷载保持不变，数值为520N。分析曲线位移在0mm时为0N，位移提升至0.5mm期间增加至1120N，位移增加至0.9mm过程中荷载逐渐提升至1180N，位移提升至1.6mm过程中荷载下降至520N，位移增加至2.6mm期间荷载始终维持不变，数值为520N。

由图3（b）可知，接缝B点处，实际荷载-位移曲线在位移为0mm时荷载为0N，位移提升至0.7mm期间荷载增加至1950N，位移提升至1.2mm期间荷载维持固定值，数值为1950N，位移增加至1.6mm期间荷载下降至1650N，位移增加至2.5mm期间位移下降至1300N，位移增加至3.3mm期间荷载维持不变，数值为1300N。分析曲线在位移为0mm时荷载为0N，位移增加至1.2mm期间荷载提升至1800N，位移增加至1.6mm期间荷载降低至1550N，位移增加至2.5mm期间荷载降低至1210N，位移增加至3.3mm期间荷载维持不变，数值为1210N。

由图3（c）可知，接缝C点处，实际荷载-位移曲线在位移为0mm时荷载为0N，位移增加至0.7mm时荷载增加至2000N，位移增加至3.3mm期间荷载维持不变，数值为2000N。分析曲线在位移为0mm时荷载为0N，位移增加至0.7mm时荷载提升至1900N，位移增加至3.3mm期间荷载维持不变，数值为1900N。

综上所述，分析结果和实际值之间存在一定偏差，其中，接缝A点处出现最大偏差，位移在0.5mm～0.9mm之间时荷载偏差达到最大值，为80N，但处于允许范围内。

5 结束语

结合本文应用的节段预制拼装桥梁接缝疲劳性能分析法，获取以下结论：弯曲承载能力、直剪承载能力和弯剪耦合承载能力相关曲线都会直接影响连接节点承载能力；法向应力降低和节点截面破坏都会导致混凝土剪切带提升高度，若降低节点的抗弯承载力，依旧保留较强的抗弯能力，当混凝土剪切带高度和截面平齐时，节点直剪承载力不受影响，但弯曲承载力会有所降低；节段预制拼装桥梁接缝承载能力受到接缝强度等级、弯曲角度、接缝处理等多方面因素影响，该种连接方式弯剪耦合性能良好且抗直剪破坏能力较强；使用循环计数法计算循环应力幅值并分组计算应力强度因子幅值，有效解决了非比例荷载条件下预制桥梁结构应力强度因子幅值计算困难的问题。