综述：复合材料桥梁的疲劳抗力——综述与设计方法

《COMPOSITE STRUCTURES》：Fatigue resistance of composite bridges – review and design approach

　　

桥梁在结构工程中复合材料应用中一直备受关注。对于公路桥梁而言，轻质、预制的上部结构可显著缩短安装周期和减少车道封闭，从而降低环境影响和社会成本，自20世纪90年代复合材料公路桥梁出现以来，这一点已得到证实。然而，与较低的永久荷载相比，通常较高的车辆交通荷载会导致高应力幅值和相关的低平均应力水平，两者均影响疲劳抗力。因此，疲劳破坏被视为复合材料桥梁设计中的一个相关极限状态（ultimate limit state）。该工作对复合材料桥梁的疲劳抗力进行了综述，并在第二部分中推导出了一个通用疲劳验证准则（fatigue verification criterion）和一个新颖的疲劳抗力验证程序（fatigue resistance verification procedure）。疲劳验证准则指示是否需要进行疲劳抗力验证，这至关重要，因为疲劳抗力验证基于广泛且昂贵的试验。疲劳抗力验证程序整合了针对复合材料标定的疲劳荷载模型（fatigue load models, FLM）的建立，这也是必不可少的，因为当前将针对钢材标定的疲劳荷载模型应用于复合材料可能会导致复合材料桥梁的疲劳抗力偏于不安全。

论文主体部分首先在引言（Introduction）中阐述了复合材料桥梁在结构工程中的重要性，特别是轻质预制上部结构可减少施工周期和环境与社会成本。然而，由于车辆荷载与永久荷载之比高，导致高应力幅值和低平均应力，疲劳破坏成为极限状态（ULS）设计的关键问题。复合材料各向异性、薄壁构造、连接困难及制造缺陷进一步加剧了疲劳问题。综述范围限于公路桥梁，排除人行桥和特定连接组件及高级疲劳分析。

在当前知识状态（Current state of knowledge）部分，综述了全尺寸疲劳试验（2.1节），包括26项试验，涵盖全尺寸上部结构、桥面板及板-梁连接件。试验通常采用常幅加载，应力比R>0，使用软垫模拟轮胎接触，频率0.45-3 Hz，循环次数2-2000万次。多数试验保留刚度≥90%，且疲劳后静载性能无显著降低。此外，车轮接触面积与压力分布（2.1.2节）研究显示，刚性钢板的接触压力分布（CPD）边缘高、中心低，而充气轮胎呈抛物线形或梯形，中心高。软垫可模拟轮胎CPD，失败模式更接近弯曲而非冲切。现场经验（2.2节）表明，美国早期桥梁（低交通量）中，拉挤和真空灌注桥面板服役良好，手工铺设桥面板因脱层失效。欧洲桥梁如West Mill桥（Asset FBD600）出现严重疲劳损伤，Pijlebrug桥（FiberCore）因未知原因替换，Avan?on桥（Colevo均质芯）无损伤。现有设计标准与文件（2.3节）对比了疲劳荷载模型（FLM）、ULS疲劳抗力验证和SLS验证，指出差异包括FLM适用性、Palmgren-Miner线性损伤假设、应力/内力验证方法及试验设置。

疲劳相关方面讨论（Discussion of fatigue-relevant aspects）部分首先分析桥面板构型（3.1节）。桥面板分为腹板芯和均质芯两类，关键参数为顶部面板跨度与厚度比（b/t），该比值决定腹板-面板节点（WPJ）处的弯曲应力。第一代桥面板（如Asset FBD600）b/t高，疲劳损伤风险大；第二代（如FiberCore）b/t低，且采用改进纤维构型。均质芯（如Colevo）无WPJ，疲劳性能更优。板-板及板-梁连接件（3.1.2节）中，胶接连接件在疲劳试验中未出现显著刚度损失，而剪力钉连接件有时出现退化。

疲劳荷载模型（3.2节）对比了钢材与复合材料的疲劳行为差异：复合材料损伤率（斜率系数m）远高于钢材（m=3），且无疲劳极限，Palmgren-Miner线性假设不适用。因此，FLM需根据损伤率校准（3.2.2节）。针对Avan?on桥的校准表明，轴载随斜率系数增大而增加，且与循环次数相关。车轮接触面积与压力分布（3.2.3节）建议采用梯形CPD，底部与顶部长度比1.5，接触长度300-400 mm，面积可沿用EN 1991-2标准。

疲劳抗力验证（3.3节）讨论平均应力依赖性（3.3.1节）：复合材料疲劳响应依赖于应力比R，压缩-压缩（C-C）疲劳损伤率最低，拉伸-拉伸（T-T）和拉伸-压缩（T-C）更关键，但R=-1.0并非总是最危险。疲劳验证准则（3.3.2节）基于归一化S-N曲线，提出基线与有效基线，并验证了其对T-C疲劳、构件（弯曲/剪切）和胶接连接件、车轮局部效应的适用性。统计分析表明数据库具有统计意义。桥面板开发阶段的疲劳验证（3.3.3节）常采用全尺寸试验，但荷载和循环次数可能不足以模拟真实损伤。标准中的疲劳验证（3.3.4节）分为应力法和内力法，ULS验证建议采用内力法，避免应力计算困难，且试验中限制刚度降低≤5%和不允许可见损伤。

新颖的疲劳抗力验证程序（Novel fatigue resistance verification procedure）部分（4.1节）提出12步流程：1) 应用验证准则判断是否需要验证；2) 选择FLM（轴载配置和接触面积）；3) 识别疲劳关键细节；4) 假设交通组成和设计寿命；5) 确定损伤率（斜率系数）；6) 确定试验循环次数（≥200万次）；7) 推导FLM轴载；8) 计算FLM在关键细节的内力效应；9) 设置构件或节点级试验，匹配内力和平均应力；10) 确定试验加载装置（钢垫板+软垫，实现梯形CPD）；11) 进行静载和疲劳试验，推导特征抗力（R_k）；12) ULS验证：满足E_d ≤ η_c·R_k/γ_M。应用示例（4.2节）包括Avan?on桥和真空灌注腹板芯桥面板，展示了部分步骤的应用。

研究需求（Research needs）部分（第5节）指出两个关键领域：损伤累积模型需考虑非线性、序列和粘弹性效应，区分纤维主导和基体主导情况；疲劳荷载模型需根据复合材料损伤率校准，提供针对特定构件和连接件（如拉挤玻璃纤维型材和环氧胶接连接件）的轴载，或开发动态放大系数和损伤等效系数。

结论（Conclusions）部分（第6节）强调：复合材料桥面板疲劳抗力主要取决于顶部面板支撑连续性，可通过缩小腹板间距或采用均质芯改善；车轮接触面积和压力分布与混凝土桥面板相似，设计时应采用梯形CPD；验证准则适用于各种应力比，可避免不必要的疲劳试验；当前沿用钢材FLM和损伤累积模型可能导致疲劳抗力高估，因此提出集成FLM的验证程序；研究需求明确，建议在成果完善前将复合材料桥梁限于低交通量道路。