基于疲劳损伤的公路桥梁耐久性设计研究

摘要：公路桥梁疲劳损伤是材料在长期反复荷载作用下性能劣化的结果，其受到诸多因素的影响。桥梁所承受的汽车荷载是主要的外界影响因素，同时材料的性能下降以及温度、湿度及腐蚀性环境等环境条件也对疲劳损伤产生了明显的作用。现有耐久性设计方法有一定缺陷，为了提高桥梁耐久性，需要从优化结构设计、选择高性能材料、加强施工质量等方面进行控制。同时，介绍了健康监测与评价技术，通过先进的传感器与大数据分析等手段对桥梁健康状态进行实时的监测与评价，从而确保桥梁长期安全运行。

关键词：疲劳损伤耐久性设计车辆荷载材料性能健康监测

DurabilityDesignResearchofHighwayBridgesBasedonFatigueDamage

LIGuozhen

ShaanxiXinxiCommercialEngineeringTechnologyCo.，Ltd.，Xi'an，ShaanxiProvince，710000China

Abstract：Fatiguedamageofhighwaybridgesisthe resultofmaterialperformancedegradationunderlong-termrepeatedloading，whichisinfluencedbyvariousfactors.Thevehicleloadsbornebybridgesarethemainexternalinfluencingfactors，andtheperformancedegradationofmaterialsaswellasenvironmentalconditionssuchastemperature，humidity，andcorrosiveenvironmentsalsohaveasignificantimpactonfatiguedamage.Theexistingdurabilitydesignmethodshavecertaindefects.Inordertoimprovethedurabilityofbridges，controlmeasuresneedtobetakenfromaspectssuchasoptimizingstructuraldesign，selectinghigh-performancematerials，andstrengtheningconstructionquality.Thearticlealsointroduceshealthmonitoringandevaluationtechnologies，whichmonitorandevaluatethehealthstatusofbridgesinrealtimethroughadvancedsensorsandbigdataanalysis，ensuringthelong-termsafeoperationofbridges.

KeyWords：Fatiguedamage;Durabilitydesign;Vehicleloading;Materialperformance;Healthmonitoring

在交通运输需求与日俱增的情况下，公路桥梁这一重要交通基础设施的安全性与耐久性问题引起了人们的普遍关注。疲劳损伤是危害桥梁结构安全最主要的因素之一。目前，桥梁耐久性设计方法在实践中暴露出来的问题较多。因此，深入研究桥梁疲劳损伤形成机理及其影响因素、优化耐久性设计方法对提高桥梁使用寿命与安全性至关重要。

1公路桥梁疲劳损伤的形成机制及影响因素

1.1汽车荷载对桥梁疲劳损伤的影响

汽车荷载作为桥梁结构的主要外部荷载，其重要性不言而喻。经常有汽车通行特别是重型车辆在桥梁上连续动态作用使桥梁结构处于反复受拉压的受力状态，从而造成疲劳损伤。据桥梁交通流量与疲劳损伤关系的相关研究与统计数据，一座每天平均有2万辆汽车通行的桥梁，其疲劳损伤的发生率是交通流量较低的桥梁的3倍之多。

1.2材料性能劣化对疲劳损伤的影响

材料经过长期服役后，其物理及化学性能都会出现劣化现象，如钢材腐蚀、混凝土碳化等。这些劣化现象将导致材料抗疲劳性能下降和疲劳裂纹扩展速率提高。根据材料性能与腐蚀对桥梁寿命影响的相关分析数据，可参考《材料科学与工程》，每当桥梁的钢材腐蚀增加1mm，其疲劳使用寿命会下降大约20%[1]。所以，材料的性能劣化对于桥梁的疲劳寿命有明显影响。

2公路桥梁耐久性设计方法的现状与问题

2.1现行耐久性设计规范和标准

目前，关于公路混凝土桥梁的耐久性设计规范和标准主要是有《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2015）、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG3362-2018）及《公路工程混凝土结构耐久性设计规范》（JTG/T3310-2019）等。这些规范对公路混凝土桥梁的基本设计原则，设计荷载、环境类别、环境作用等级及相关构造要求等作了详细的规定，为公路混凝土桥梁耐久性设计提出了基本的要求和设计方法。但由于交通量、环境等外部使用条件的变化等原因，现有规范在特殊条件下的针对性设计方面略显欠缺。

2.2耐久性设计方法存在的不足

现行的耐久性设计方法多依靠经验与定性分析，缺少系统量化评估与长期性能预测。在设计过程中常忽略材料长期恶化与环境因素共同作用。另外，在施工质量控制及后期维护管理等方面都没有充分考虑耐久性的要求。根据桥梁耐久性设计方法及其缺陷的统计数据，在实际使用中，大约30%的桥梁因耐久性问题而需要提前进行大规模的维修或加固工作。所以，目前耐久性设计方法的系统性与全面性还有明显缺陷。

3公路桥梁疲劳损伤与耐久性的改进措施

3.1优化结构设计

3.1.1采用合理的桥梁结构形式

桥梁作为重点基础设施，桥梁安全性与耐久性尤为重要。而采取合理的桥梁结构形式和梁板构件类型是保证这些特性的重要途径，其能够在降低维护成本的前提下有效地降低疲劳损伤和提高桥梁使用寿命。

在桥梁结构形式方面，以拱桥为例，这种结构形式巧妙的运用力学原理，使拱肋主要承受压力而不承受拉力，利用拱部承压特性将绝大部分荷载转换为拱部本身压力并传递给桥台以降低梁部剪切及弯曲应力，利用不拉不疲的原理很好的解决了疲劳损伤的问题。以我国著名的赵州桥为例，这座始建于隋朝的石拱桥不仅以其优美的造型闻名世界，更以其超过1400年的悠久历史而享誉盛名，也很好的展示了拱桥结构的出色耐久性。例如：连续梁桥，利用连续梁结构影响线的分布特征，使汽车荷载对结构产生的效应得到了有效的降低，缓解桥梁局部受力过大的问题。根据桥梁结构优化设计和材料性能改进的相关研究数据，可参考《土木工程学报》，连续梁桥与简支梁桥相比，其疲劳寿命可以提高约25%[2]。这意味着在相似的使用环境中和汽车荷载作用下，连续桥梁由于疲劳损伤引发的耐久性问题较简支梁桥得到了显著的改善。

在梁板构件类型方面，混凝土结构的疲劳损伤主要是在拉应力及侵蚀性环境作用下产生的，而采用预应力混凝土构件，尤其是这部分预应力混凝土A类构件或全预应力混凝土构件，由于强大的预应力为混凝土提供了较高的预压力，使整个构件在使用阶段虽允许出现拉应力但不开裂或不出现拉应力，这样就有效降低了构件的疲劳损伤，提高了构件的耐久性。

3.1.2优化桥梁构造细节

桥梁安全性与耐久性通常依赖于其构造细节。对这些细节进行优化，例如：强化混凝土保护层厚度和焊接接头设计，不但能够显著增强桥梁抗疲劳性，而且能够延长桥梁使用寿命、减少维护成本。

混凝土保护层厚度是保证结构耐久性的最基本的要求。根据桥位处的环境类别及环境作用等级，合理确定混凝土保护层厚度，不但能提高混凝土对钢筋的握裹力，保证钢筋受力，还能有效的为钢筋提供保护，使其免于直接与氧气、水以及空气中的腐蚀性离子接触，进而保护钢筋免于锈蚀，提高结构的耐久性。

焊接接头作为桥梁构造的关键部分，是应力集中、疲劳裂纹产生的根源。根据新型高性能混凝土（High-PerformanceConcrete，HPC）的研究成果，通过对焊接接头设计的优化，如采用更为精细的制造工艺和调整焊缝的形态，可以将应力集中系数降低20%，从而显著增强桥梁的疲劳使用寿命，大约增加15%[3]。这样就等于提高桥梁使用寿命及经济效益而又不会增加额外费用。

3.2合理选择原材料

3.2.1研发与应用新型高性能混凝土

HPC由于其特有的高强度、高耐久性、优异的抗疲劳性能等特点，给现代桥梁建设带来了一种新型解决方案。依据HPC应用效果的科学调查数据，可参考《土木工程学报》，与传统混凝土相比，HPC的疲劳使用寿命有了明显的增长，平均增长幅度超出了30%。这就意味着使用HPC修建的桥梁受到同样荷载作用时，结构疲劳破坏时间会大大推迟，桥梁安全性及耐久性大大提高。以欧洲为例，一项长期的研究表明：一座用HPC修建的桥梁经历了几十年高强度交通负荷之后，结构完整性仍处于极好的水平。另外，HPC具有轻量化特性，这也是它特有的优点。得益于其出色的强度，在确保结构稳固的同时，可以大幅减少混凝土的使用，进而减轻桥梁的整体重量。这样在施工过程中既降低材料成本又减少对施工设备依赖、简化施工流程、缩短工期。同时，轻量化设计还有利于降低桥梁运营过程中对基础的压力和增强其稳定性。从环保的角度来看，使用HPC能够减少由于结构损伤或性能降低导致的频繁维护和更换，进而在整个生命周期中减少碳的排放量。

3.2.2优化混凝土结构的原材料与配合比

水泥和骨料作为混凝土结构最重要的原材料，其选用对桥梁结构的耐久性至关重要。合理选择水泥强度等级、抗渗透性和耐久性，并考虑其工程性能，可以提高桥梁结构的耐久性和可靠性。

水灰比作为混凝土配合比设计的重要控制参数，合理控制水灰比可以显著影响混凝土的强度和耐久性。较低的水灰比可以降低混凝土中的孔隙率，提高其致密性和抗渗性，从而减少水分和有害物质的渗透，延长桥梁结构的使用寿命。

3.3加强施工质量控制

3.3.1建立完善的施工质量管理制度

为保证桥梁及其他基础设施耐久性，制定科学、严格、全面的施工质量管理制度应该包含详细的质量控制流程、严格的监督检查机制和公平的奖惩措施，以确保施工过程中从材料采购、施工操作到验收的每一个步骤的质量标准和检查方法的每个细节均符合标准。例如：对桥梁建设来说，要求保证所用混凝土强度、钢筋规格等均满足设计要求，而通过对施工期进行定期检测与测试，对可能存在的问题及时进行发现与解决。监Y0Mgr7PYok8mhtkVG++UqA==督检查机制则由内部质量检查部门和外部第三方检测机构组成，这些机构与施工团队无关，通过定期抽查、专项检查等方式，能够及时发现可能存在的质量隐患，避免小问题发展为大灾害。同时，奖惩措施能调动施工团队主动遵守质量管理制度的积极性[4]。依据相关的学术研究，一个健全的施工质量管理体系能有效降低施工过程中的缺陷，据统计数据表明，这一体系能显著延长桥梁的使用寿命大约20%。

3.3.2提高施工人员的技术水平和质量意识

施工人员技术水平以及质量意识都是影响工程品质的关键性因素。而定期开展施工人员技术培训与质量意识教育来加强其对于桥梁耐久性重要性认识是促进施工质量提高的必然手段。根据施工质量管理和施工人员培训效果的行业研究报告，例如《建设工程管理》，通过有系统和有针对性地培训，施工人员在施工过程中出现的技术错误和遗漏可以得到显著地减少，从而使施工缺陷率平均降低了30%，而施工质量的提高，桥梁的结构稳定性、抗腐蚀性和抗疲劳性等耐久性指标可提升15%，从而大大延长了桥梁的使用寿命，节省了后期的维护成本[5]。例如：某大型建筑企业在执行此策略之后，其建设项目的缺陷率从原先的15%减至10%，同时新建的桥梁的耐用性也增长了20年。

4结语

综上所述，公路桥梁的疲劳损伤和耐久性设计是一个涉及多学科、多因素的复杂问题。通过深入研究疲劳损伤的形成机制和影响因素，优化结构设计，合理选择原材料，加强施工质量控制，并引入健康监测和评估技术，可以显著提高桥梁的耐久性和安全性。未来，应进一步完善耐久性设计规范和标准，结合现代科技手段，如大数据，实现桥梁健康状况的实时监测和评估，确保桥梁结构的长期安全运营。

参考文献

[1]贾玉梦.大跨钢混组合梁悬索桥的动力特性与疲劳性能研究[D].北京：北方工业大学，2023.

[2]王俊峰.基于足尺构件破坏试验的混凝土桥梁疲劳寿命预测与裂缝分形研究[D].西安：长安大学，2022.

[3]史小川.基于疲劳腐蚀与重载耦合作用下的钢-混凝土组合桥梁时变可靠度研究[D].西安：长安大学，2022.

[4]刘家齐.高速公路桥梁伸缩缝疲劳破坏机理分析及快速修复技术研究[D].郑州：郑州大学，2022.

[5]郁胜.公路桥梁监测数据孪生车流和温度作用模型与疲劳评估方法[D].大连：大连理工大学，2021.