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摘要：重载铁路桥梁与普通铁路桥梁相比，动载强度大，受载频率高，造成其荷载效应大、材料应力幅大，致使结构在强度、刚度和稳定性等方面安全储备下降，各种病害出现的机率加大、危害性加剧，再加上环境的影响，从而使桥梁的使用寿命缩短。本文对重载铁路桥梁的疲劳试验进行了论述。
关键词：重载铁路；桥梁；疲劳试验
万吨重载列车投入运营后，列车轴重将由当前的23t增加到30t，轴重频率将大幅提高，荷载增大后，既有线中小跨径桥梁的疲劳承载力或疲劳寿命，以及疲劳使用性能是否满足列车运行要求，成为铁路运输管理部门关注的问题。
一、重载铁路概述
重载铁路是指行驶列车总重大、行驶大轴重货车或行车密度和运量特大的铁路，主要用于输送大型原材料货物，20世纪20年代在美国首次出现。重载铁路具有轴重大、牵引质量大、运量大的特点。与普速客货共线铁路相比，重载铁路在功能定位需求、内在技术特点和运输组织模式等方面存在显著差异。
二、试验参数
本文重载铁路桥梁疲劳试验研究共有12片模型梁，其中静载试验2片(静载试验是为确定疲劳试验所需的静力极限荷载、判定试件配筋是否合适)，等幅疲劳试验10片。所有模型梁尺寸、材料、配筋全部相同。为降低混凝土收缩徐变对试验结果的影响，试验前模型梁均存放6个月以上。
疲劳下限值依据相似比按“恒载跨中弯矩相等”原则确定。试验中考虑实施重载后要更换新型枕木，恒载计入0.2倍增大系数。在扣除模型梁自重后，计算得到疲劳荷载下限值。而疲劳上限值依据相似比按“恒活载跨中弯矩相等”原则确定。在扣除模型梁自重后，计算得到30t疲劳荷载上限值为62.2kN。由于模型梁的力学相似性存在变异，主要是抗弯强度比理论值要大，为减少模型变异对试验结果的影响，根据原型梁极限弯矩确定疲劳荷载比例，换算出模型梁疲劳加载比例，再根据相关资料调查结果，适当扩大比例研究范围，构成疲劳上限值为0.35～0.60Pu等5种模式加载系列来考察模型梁疲劳性能。
三、疲劳试验结果
1、荷载-跨中挠度曲线。疲劳反复荷载下，荷载-挠度曲线不断向挠度增大的方向“移动”，加载初始阶段的疲劳破坏曲线稀疏，中间阶段相对密实，呈现“疏-密-疏”三阶段特征(有0万次数据记录时，大致呈现“三阶段”特征，无0万次记录时，挠度发展基本符合“三阶段”定律中的后两个阶段的发展规律)，在向梁体破坏的损伤演变过程中，曲线斜率在不断变小，梁体破坏期间更显著。
2、荷载-混凝土应变曲线。在疲劳重复荷载作用下，混凝土压(拉)应变都在向应变增大的方向“移动”，大致呈现“疏-密-疏”三阶段规律；在向试件疲劳破坏的损伤演变过程中，拉(压)应变曲线斜率在不断变小，压-拉应变曲线不断由压应变斜直线慢慢“旋转”成拉应变斜直线。
对于受拉区混凝土，在疲劳加载早期(50～125万次以内)，其应力-应变关系也基本呈线性关系，随着残余应变不断增大，应力-应变关系曲线不断上凸成双折线，出现非线性特征。由于受拉区混凝土应变没有完全测量到，无法对其全过程分布规律进行描述。
3、荷载-预应力筋应变曲线。随着疲劳荷载上限值的提高，荷载-预应力筋应变关系曲线的斜率不断降低并逐渐上凸近似呈两折线状。疲劳反复荷载作用下，荷载-预应力筋应变关系曲线不断向拉应变增大的方向“移动”。
在30t轴重下，整个循环加载过程中荷载-预应力筋应变基本上呈线性关系，疲劳350万次后，预应力筋最大应变值接近7000～8000 (1341～1493MPa)。
临近疲劳破坏时，预应力筋最大应变值接近8000～9000 (1493～1609MPa)，开始有塑性破坏特征。
4、荷载-普通钢筋应变曲线。
荷载-非预应力筋应变关系表明，随着疲劳荷载上限值的提高，曲线斜率不断降低并逐渐上凸近似呈两折线状。疲劳加载早中期，梁底受拉钢筋的残余应变不断增大，但在荷载作用下的弹性应变基本保持不变，各曲线基本平行，钢筋总应变在1400～2000 左右(198～372MPa)，并未屈服。在疲劳加载末期50～100万次范围内，钢筋弹性应变和残余应变均显著增长，残余应变增长幅度甚至达1000 (198MPa)，弹性应变突然增到3000 (387MPa)以上，钢筋进入屈服阶段但未到拉断破坏强度。
疲劳加载过程中，荷载-应变曲线不断向拉应变增大的方向“移动”，在向梁体破坏的损伤演变过程中，曲线斜率在不断变小，梁体破坏期间更显著。
5、跨中挠度随疲劳循环次数变化曲线。梁体跨中挠度分为静、动挠度，其中，静挠度是疲劳上限值下挠度，动挠度是疲劳幅值作用下挠度，两者可通过竖向动力系数建立联系。疲劳加载中，早中期动幅值挠度与静幅值挠度较接近，末期相差大一点。
动静挠度的变化基本上与非预应力筋应变幅值的发展规律相同，在加载早期因钢筋应变幅值增大导致梁体疲劳开裂，挠度有小幅增长；疲劳开裂至裂缝宽度0.10～0.12mm时，梁体挠度基本维持稳定，变化不显著；待裂缝宽度超过0.20mm后，挠度变化出现拐点，开始显著变化直至非预应力筋发生疲劳断裂。
6、混凝土应变幅值变化曲线。重复荷载作用下，试验梁混凝土动态受压应变幅值因疲劳上限值不同存在差异，大约在300～1000 间变化，上限值越大其应变幅值也越大。但整个疲劳加载过程中其应变幅值变化较为平稳，一直有增长但首尾起伏不大，相差100～200 左右。轴重30t下，试验粱混凝土动态受压应变幅值稳定在400～500 左右，应力幅值约为14.2～17.8MPa。
经比较发现同一疲劳循环次数内，混凝土动态应变幅值约为静态应变幅值的1.15～1.25倍。
7、预应力筋应变幅值变化曲线。疲劳下限值相同的情况下，预应力筋动态应变幅值随疲劳上限值增大而增加，不过0.5 Pu上限值后其应变幅值增长相对平稳，稳定在1000 (195MPa)以下；30t轴重下，随着疲劳加载次数的增加，预应力筋应变幅值变化不明显，增长平稳，维持在400～600 间，应力幅值约为78～117MPa。
通过比较发现，疲劳破坏前，同一疲劳循环次数内，预应力筋动态应变幅值约为静态应变幅值的1.O5～1.15倍。
8、梁底普通钢筋应变幅值变化曲线。在疲劳下限值相同时，疲劳上限值越大，受拉区非预应力筋应变幅值也越大，不过非预应力筋发生疲劳断裂时的应变幅值基本上相同，约在5000～6800 间(断裂前在1200～1500 左右)，换算成应力幅值为280MPa左右(断裂前应力幅值243MPa左右)，断裂前预应力筋(应变幅值800 左右)和非预应力筋(应变幅值1200～1500 左右)的应力幅比值约为0.642(156MPa/243MPa)。因此，静载发生典型弯曲破坏的预应力混凝土梁，也即混合配筋率合适的预应力混凝土梁，疲劳破坏之所以是梁底非预应力筋疲劳断裂，主要是因普通钢筋一般布置在预应力钢筋的外侧，相同荷载下，普通钢筋的应力比预应力钢筋中的应力大，而非预应力筋比预应力筋的疲劳破坏强度却低很多。
30t轴重下，开始循环加载时受拉区非预应力筋应变幅值大约在450～500 间，与预应力筋应变幅值250～450 较为接近。250万次后，梁底最大裂缝宽度达0.18mm左右，两者应变幅值呈现明显差异，预应力筋应变幅值出现100～150 的小幅增长，而梁底非预应力筋应变幅值却增长了约450～500 左右，达到900～1000 。结果表明，在预应力混凝土梁开裂前，预应力筋与梁底非预应力筋应变幅值增长基本协调；开裂后，两者增长开始出现差异，裂缝宽度越大，两者差异越显著；裂缝宽度达到一定程度时，非预应力筋率先达到其疲劳强度而断裂。在其他上限荷载作用下，由于梁体加载时就大面积开裂，预应力筋与非预应力筋在加载开始阶段就不满足变形协调条件，两者应变幅值因应变重分布而出现明显差异，但都会在裂缝宽度约0.55mm时发生断裂。另外，只要下限值相同，不同上限值下，最终疲劳断裂时梁底受拉区钢筋的应变幅值基本上相同，对应的断裂缺口裂缝宽度也基本一样。
通过比较发现，疲劳破坏前，同一疲劳循环次数内，非预应力筋动态应变幅值约为静态应变幅值的1.15～1.25倍。
参考文献：
[1]耿志修.大秦铁路重载运输技术[M].北京：中国铁道出版社，2015.
[2]余志武.重载铁路桥梁疲劳试验研究[J].土木工程学报，2015(12).