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摘要：疲劳破坏是桥梁运营期间的一大隐患，在国内外研究的基础，主要从材料、加载、加固、预应力度等四方面总结了钢筋混凝土梁疲劳性能的影响因素，其中材料和加固的影响最为显著。这些影响因素应在以后的桥梁设计中引起足够的重视。
关键字：钢筋混凝土；桥梁；疲劳；影响因素
由于交通量的增加，中国公路上大量钢筋混凝土桥梁承受着日益繁重的交通荷载。而疲劳破坏是桥梁运营期间的一大隐患。学者们过去对疲劳问题进行了很多研究，也取得了一些研究成果，但对钢筋混凝土桥梁的疲劳研究相对较少。鉴于此，本文将介绍钢筋混凝土桥梁疲劳性能的各种影响因素。
1 材料对钢筋混凝土梁疲劳性能的影响
1.1混凝土材料的影响
随着科技的发展，高强混凝土和高性能混凝土在桥梁中的应用已经非常广泛，而高强钢筋混凝土在低应力水平的疲劳荷载作用下，梁截面应变仍然符合平截面假定。在正常配筋条件下，高强混凝土梁具有比普通混凝土梁更好的疲劳性能[1]，而且疲劳强度与混凝土的强度成正比例关系。
1.2 混凝土中掺合料的影响[2] [3]
混凝土发生疲劳破坏是一个损伤累积的过程。在混凝土材料中加入一些掺合料，如粉煤灰、磨细矿渣和纤维等，可以减少混凝土初始缺陷，在损伤累积过程中抑制裂缝的产生和发展，从而提高混凝土梁的力学性能，延长梁的疲劳寿命。
在混凝土中掺高性能粉煤灰能够改善混凝土的和易性，降低水灰比，减小新拌混凝土的塌落损失度，降低水化热。掺加一定量（20％～40％）高性能粉煤灰能显著减小混凝土梁裂缝的间距、宽度、高度，抑制裂缝的扩展，对提高梁体的耐久性有重要意义。
混凝土中掺入纤维的种类、数量以及长度等对其的疲劳性能均有影响。单一纤维的混凝土结构，如钢纤维、碳纤维和腈纶纤维混凝土等的疲劳强度较普通混凝土均有较大提高，且在一定的掺入量下，随掺入量的增加混凝土的疲劳强度也会增加。而在混凝土中掺合两种或以上的纤维时，混凝土的疲劳性能又比单一纤维混凝土的有明显的提高，这是因为充分发挥了各单一纤维的功效，各种纤维在混凝土基体中可产生对混杂纤维混凝土的疲劳性能有利的混杂效应，即正的混杂效应，这种混凝土就是混杂纤维增强混凝土(HFRC)。另外，长纤维可有效的阻止裂缝的扩展，因其可减缓纤维从基体中拔出，能充分发挥纤维的优良性能，它是道路和桥梁工程需要的较理想的结构形式。
由此可见，材料对钢筋混凝土梁的疲劳性能影响是非常大的，在混凝土材料中加入掺合料或进行一些处理可以显著地提高钢筋混凝土梁的疲劳性能，所以当结构对疲劳性能要求比较高时，从材料层面上着手不失为比较好的方法。
2 加载的影响[4]
首先，加载大小的影响。众所周知，梁的疲劳寿命（N）会随着应力水平（S）的增加而减小，可由图1来示意。
在一定的应力条件下，当桥梁所加的车辆荷载加大1倍时，疲劳损伤度则增大了近10倍。由此说明超载对整个结构的安全性构成了潜在的威胁。桥梁使用过程中可能会出现局部的损伤，而长期超载运输能将这种局部损伤急剧扩大和增大，导致整个结构的承载能力下降，或整个结构的破坏，且破坏前无任何的征兆。它明显缩短桥梁的使用寿命，且威胁着人民生命和财产安全。因此，超载运输对桥梁的疲劳影响不容忽视。
另外，加载的顺序和加载的频率对疲劳寿命均有一定的影响。先加低应力比先加高应力的梁的寿命长。加载频率越接近试件的固有频率，疲劳寿命越短，反之越长。
3加固的影响
混凝土梁的加固有多种方法，其中最主要的两种是粘钢加固和碳纤维加固。
3.1 粘钢加固[5]
对于粘钢加固不但可以大幅度提高钢筋混凝土梁的静载强度，而且当粘钢补强方法适当时，加固梁较对比梁的疲劳性能有明显提高，其裂缝产生时间也显著地延长。在通常情况下，混凝土原梁在重复荷载作用下，其疲劳破坏均发生在跨中的纯弯段上；而经粘钢补强的加固梁，则常因为梁端剪力区补强方式不够妥善，而使疲劳破坏多发生在梁端附近弯剪作用区，且多在沿45°的主拉应力方向。经粘钢补强后的加固梁的刚度都有明显的提高，混凝土梁正截面加固底部钢板对加固梁的刚度提高起了主要作用，且底部钢板厚度越大，刚度提高越多。
3.2 碳纤维布加固[6]
在一定的应力水平下，碳纤维加固可以提高梁的疲劳强度。经历相同次数的疲劳荷载后，加固后的梁的挠度明显降低，如图2。在疲劳试验中，随着荷载重复次数的增加，挠度增加缓慢，荷载－挠度曲线基本上是一组平行直线，反映出试验其间刚度基本保持不变，经过荷载循环，应力仍然按三阶段规律（即损伤的形成、损伤稳定扩展和损伤破坏三阶段）发展，中间稳定扩展阶段得到较大延长。
粘贴碳纤维布可以改善构件疲劳裂纹的形态。由于胶体填补了梁底凹凸不平的表面，使沿构件长度出现裂纹的几率相对相等，分散了原来体系中数目少而粗大的裂纹，從而延缓了裂纹的开展。试验表明，碳纤维布对改善构件的正截面疲劳性能起到较大的作用，在不同的应力水平下疲劳寿命均有所提高。
4 预应力度的影响
对于全预应力混凝土梁，疲劳荷载对其疲劳性能影响很小；而对于部分预应力混凝土梁，疲劳荷载对其变形有明显的影响。[7]
影响疲劳荷载作用下变形增加的主要因素是截面的应力状态，定义预应力度λ来反映该项影响：
式中，M0为截面消压弯矩，M为使用荷载产生的弯矩。
研究结果表明，预应力度λ越大，梁的挠度增量较小；预应力度λ越小，梁的挠度增量较大，所以对于承受疲劳荷载作用的部分预应力梁，预应力度不宜太低。
5 结论
本文介绍了桥梁的钢筋混凝土梁疲劳性能的影响因素。主要从材料、加载、加固、预应力度等四方面总结了钢筋混凝土梁疲劳性能的影响因素，其中材料和加固的影响最为显著，这两种因素均可以显著地提高混凝土梁的疲劳性能。这些影响因素应在以后的设计中引起足够的重视。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键字：钢筋混凝土；桥梁；疲劳；影响因素
由于交通量的增加，中国公路上大量钢筋混凝土桥梁承受着日益繁重的交通荷载。而疲劳破坏是桥梁运营期间的一大隐患。学者们过去对疲劳问题进行了很多研究，也取得了一些研究成果，但对钢筋混凝土桥梁的疲劳研究相对较少。鉴于此，本文将介绍钢筋混凝土桥梁疲劳性能的各种影响因素。
1 材料对钢筋混凝土梁疲劳性能的影响
1.1混凝土材料的影响
随着科技的发展，高强混凝土和高性能混凝土在桥梁中的应用已经非常广泛，而高强钢筋混凝土在低应力水平的疲劳荷载作用下，梁截面应变仍然符合平截面假定。在正常配筋条件下，高强混凝土梁具有比普通混凝土梁更好的疲劳性能[1]，而且疲劳强度与混凝土的强度成正比例关系。
1.2 混凝土中掺合料的影响[2] [3]
混凝土发生疲劳破坏是一个损伤累积的过程。在混凝土材料中加入一些掺合料，如粉煤灰、磨细矿渣和纤维等，可以减少混凝土初始缺陷，在损伤累积过程中抑制裂缝的产生和发展，从而提高混凝土梁的力学性能，延长梁的疲劳寿命。
在混凝土中掺高性能粉煤灰能够改善混凝土的和易性，降低水灰比，减小新拌混凝土的塌落损失度，降低水化热。掺加一定量（20％～40％）高性能粉煤灰能显著减小混凝土梁裂缝的间距、宽度、高度，抑制裂缝的扩展，对提高梁体的耐久性有重要意义。
混凝土中掺入纤维的种类、数量以及长度等对其的疲劳性能均有影响。单一纤维的混凝土结构，如钢纤维、碳纤维和腈纶纤维混凝土等的疲劳强度较普通混凝土均有较大提高，且在一定的掺入量下，随掺入量的增加混凝土的疲劳强度也会增加。而在混凝土中掺合两种或以上的纤维时，混凝土的疲劳性能又比单一纤维混凝土的有明显的提高，这是因为充分发挥了各单一纤维的功效，各种纤维在混凝土基体中可产生对混杂纤维混凝土的疲劳性能有利的混杂效应，即正的混杂效应，这种混凝土就是混杂纤维增强混凝土(HFRC)。另外，长纤维可有效的阻止裂缝的扩展，因其可减缓纤维从基体中拔出，能充分发挥纤维的优良性能，它是道路和桥梁工程需要的较理想的结构形式。
由此可见，材料对钢筋混凝土梁的疲劳性能影响是非常大的，在混凝土材料中加入掺合料或进行一些处理可以显著地提高钢筋混凝土梁的疲劳性能，所以当结构对疲劳性能要求比较高时，从材料层面上着手不失为比较好的方法。
2 加载的影响[4]
首先，加载大小的影响。众所周知，梁的疲劳寿命（N）会随着应力水平（S）的增加而减小，可由图1来示意。
在一定的应力条件下，当桥梁所加的车辆荷载加大1倍时，疲劳损伤度则增大了近10倍。由此说明超载对整个结构的安全性构成了潜在的威胁。桥梁使用过程中可能会出现局部的损伤，而长期超载运输能将这种局部损伤急剧扩大和增大，导致整个结构的承载能力下降，或整个结构的破坏，且破坏前无任何的征兆。它明显缩短桥梁的使用寿命，且威胁着人民生命和财产安全。因此，超载运输对桥梁的疲劳影响不容忽视。
另外，加载的顺序和加载的频率对疲劳寿命均有一定的影响。先加低应力比先加高应力的梁的寿命长。加载频率越接近试件的固有频率，疲劳寿命越短，反之越长。
3加固的影响
混凝土梁的加固有多种方法，其中最主要的两种是粘钢加固和碳纤维加固。
3.1 粘钢加固[5]
对于粘钢加固不但可以大幅度提高钢筋混凝土梁的静载强度，而且当粘钢补强方法适当时，加固梁较对比梁的疲劳性能有明显提高，其裂缝产生时间也显著地延长。在通常情况下，混凝土原梁在重复荷载作用下，其疲劳破坏均发生在跨中的纯弯段上；而经粘钢补强的加固梁，则常因为梁端剪力区补强方式不够妥善，而使疲劳破坏多发生在梁端附近弯剪作用区，且多在沿45°的主拉应力方向。经粘钢补强后的加固梁的刚度都有明显的提高，混凝土梁正截面加固底部钢板对加固梁的刚度提高起了主要作用，且底部钢板厚度越大，刚度提高越多。
3.2 碳纤维布加固[6]
在一定的应力水平下，碳纤维加固可以提高梁的疲劳强度。经历相同次数的疲劳荷载后，加固后的梁的挠度明显降低，如图2。在疲劳试验中，随着荷载重复次数的增加，挠度增加缓慢，荷载－挠度曲线基本上是一组平行直线，反映出试验其间刚度基本保持不变，经过荷载循环，应力仍然按三阶段规律（即损伤的形成、损伤稳定扩展和损伤破坏三阶段）发展，中间稳定扩展阶段得到较大延长。
粘贴碳纤维布可以改善构件疲劳裂纹的形态。由于胶体填补了梁底凹凸不平的表面，使沿构件长度出现裂纹的几率相对相等，分散了原来体系中数目少而粗大的裂纹，從而延缓了裂纹的开展。试验表明，碳纤维布对改善构件的正截面疲劳性能起到较大的作用，在不同的应力水平下疲劳寿命均有所提高。
4 预应力度的影响
对于全预应力混凝土梁，疲劳荷载对其疲劳性能影响很小；而对于部分预应力混凝土梁，疲劳荷载对其变形有明显的影响。[7]
影响疲劳荷载作用下变形增加的主要因素是截面的应力状态，定义预应力度λ来反映该项影响：
式中，M0为截面消压弯矩，M为使用荷载产生的弯矩。
研究结果表明，预应力度λ越大，梁的挠度增量较小；预应力度λ越小，梁的挠度增量较大，所以对于承受疲劳荷载作用的部分预应力梁，预应力度不宜太低。
5 结论
本文介绍了桥梁的钢筋混凝土梁疲劳性能的影响因素。主要从材料、加载、加固、预应力度等四方面总结了钢筋混凝土梁疲劳性能的影响因素，其中材料和加固的影响最为显著，这两种因素均可以显著地提高混凝土梁的疲劳性能。这些影响因素应在以后的设计中引起足够的重视。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。