预应力混凝土箱梁桥疲劳可靠性分析

摘要：对于承受活荷载作用的桥梁，在一定反复荷载作用下结构会发生疲劳破坏。为研究预应力混凝土结
构的疲劳可靠性，以一座5跨先简支后连续部分预应力混凝土箱梁桥为例。从概率分析的角度，将荷载横向分布系
数和荷载增长系数视为随机变量，改变其标准差，研究其对结构抗弯、抗剪2种失效模式疲劳可靠性的影响。结果
表明：荷载横向分布系数和荷载增长系数的变异性对结构可靠性的影响非常明显，前者影响更大；在相同情况下，
抗弯失效模式的失效概率大于抗剪失效模式的失效概率；在载重较大的荷载反复作用下，预应力混凝土结构的疲
劳可靠性较小。
关键词：箱粱桥；预应力混凝土结构；疲劳；可靠性；荷裁参数；分析
中图分类号：U448．213；U441．5 文献标志码：A 文章编号：1671—7767(2011)05—0044一04
1 前言
铁路桥梁、公路桥梁等在交变荷载作用下相继
发生疲劳失效事故[1]，已经引起了各界的广泛关注，
其疲劳破坏部位多为应力集中且应力复杂的部位，
涉及钢筋、预应力筋及混凝土等材料。由于结构材
料性能固有的离散性以及荷载的随机性，在一定反
复荷载作用下结构将会发生疲劳破坏。因此对于承
受活荷载作用的桥梁，在服役期间不仅需要研究其
极限承载能力，其疲劳性能也需要研究。
目前国内、外学者主要针对钢筋混凝土结构和
钢结构的疲劳性能展开研究[2~7]，对预应力混凝土
结构，特别是大跨超静定预应力混凝土结构的疲劳
性能研究较少。冯秀锋等∞]基于实测的钢筋混凝土
吊车梁疲劳荷载谱，对部分预应力混凝土简支梁进
行了疲劳试验，发现所有预应力混凝土试验梁的疲
劳破坏均始于纯弯区段内某条主裂缝所在截面处普
通钢筋的疲劳断裂。Alain等[9]研究了在等幅循环
荷载作用下箱梁结构的裂缝疲劳性能。Ctsar等【10]
在考虑了交通状态、温度效应以及不同的基础沉降
等的基础上，基于材料的S～N曲线和Miner线性
累积损伤准则，研究了钢筋和预应力筋的疲劳可
靠性。
在实际工程中，随机性交变荷载占很大比例，幅
值大小不好控制，各级荷载作用下结构的损伤很难
确定，而且结构疲劳寿命不仅与加载历程、循环应力
的幅值大小有关，还与结构材料的组成、结构构件的
制作工艺和方法、构件质量等多种因素有关。在一
定的交变荷载作用下结构是否破坏是不可预知的，
因此对结构的疲劳可靠性采用概率的方法进行分析
研究。
以一座5跨先简支后连续的部分预应力混凝土
连续箱梁桥为例，通过改变荷载增长系数和荷载横
向分布系数的标准差角度，研究荷载增长系数和荷
载横向分布系数的变异性对结构抗弯和抗剪2种失
效模式可靠性的影响，即改变作用在结构上的荷载
幅度，研究在反复变幅荷载作用下预应力混凝土结
构抗弯和抗剪失效模式的疲劳可靠性。
2结构构件抗力的统计参数
2．1混凝土强度的历时变化模型
混凝土强度是确定预应力混凝土构件抗力的最
主要参数之一，其随时间变化的规律是确定钢筋混
凝土结构构件时变抗力模型的基础。
牛荻涛等¨¨在总结国内、外暴露试验和实测结
果的基础上，利用统计回归方法提出了服役结构的
混凝土立方体抗压强度均值和标准差的历时变化模
型，见式(1)、(2)。
岸r(z)=芦，×{1．378 le_0 0187“”1·7282’‘}(1)
口r(f)=口r×(O．034 7t+0．977 2) (2)
式中，∥‰、口，c。分别为混凝土28 d立方体抗压强度
均值和标准差。
2．2混凝土强度等级的历时变化模型
目前关于混凝土强度等级的历时变化模型未见
相关研究，本文根据规范中混凝土轴心抗压强度和
收稿日期：z010一11—12
作者简介：赵大亮(1973一)。男，高级工程师，1998年毕业于号州铁道学院桥梁专业，工学学士，2003年毕业于兰州交通大学桥梁与隧道工程
专业，工学硕士，2008年毕业于东南大学防灾减灾及防护工程专业，工学博士(E．mail：zhaodl_73(罾sohu．corn)。
万方数据预应力混凝土箱梁桥疲劳可靠性分析 赵大亮 45
混凝土强度等级的数据，利用Origin软件的Non—
linear Curve Fit功能对其进行非线性拟合(见图
1)，得到了混凝土强度等级与混凝土轴心抗压强度
标准值之间的函数关系式。拟合中置信区间为
95％，保证了拟合公式的准确性。
图l混凝土强度等级与混凝土轴心抗压强度标准值关系
混凝土强度等级与混凝土轴心抗压强度标准值
的函数关系式为：
C=1．206 42疋u'k‘07015
式中，C为混凝土强度等级；^u．k为混凝土轴心抗压
强度标准值。则混凝土强度等级的历时变化模型为：
均值：／1。(￡)=1．206 42卢∥1。．0．k7015
标准差：crc(￡)一1．206 42X 1．070 1=，…，1．，0．7015口气．k
3荷载参数统计分析
为了考虑车辆荷载在结构服役期间随机通过边
梁的概率，引用了路面结构主要设计参数——车道
系数(1条车道宽度内通过的车辆数占整个断面通
过交通量的比例)作为荷载横向分布系数的统计参
数[1 2|。部分学者在研究结构的可靠性时未曾考虑
车辆荷载对结构竖向动力作用的影响，本文在分析
荷载效应时考虑了冲击系数，即车辆荷载对结构的
竖向动力效应。根据文献[13]描述，随着我国经济
建设的发展，交通中小客车、大型客车以及集装箱车
的比重随着平均运距的增加而逐年增长，因此引用
了高速公路年平均当量轴次增长率的统计参数作为
车辆倚载年平均增长率的统计参数[12。，以考虑车辆
荷载增长对服役结构可靠性的影响。925