鋼-混凝土組合梁疲勞性能研究進展

楊濤

(同濟大學(xué) 建筑工程系,上海 200092)

鋼-混凝土組合梁最早出現(xiàn)于20世紀20年代,主要由鋼梁、混凝土板和抗剪連接件組成。由于充分利用了鋼材和混凝土的材料性能,組合梁具有承載力高、剛度大、施工方便等優(yōu)點。1957年,我國在武漢長江大橋上首次采用了外包混凝土組合梁。隨后,鋼-混凝土組合梁在國內(nèi)橋梁工程中得到了廣泛的應(yīng)用。由于車輛等動荷載的作用,鋼-混凝土組合梁的疲勞問題日益突出。國外規(guī)范中,AISC LRFD[1]、Eurocode 4[2]和BS5400[3]等均對鋼-混凝土組合梁的疲勞設(shè)計做了規(guī)定,我國部分規(guī)范如《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[4]包含了組合梁疲勞設(shè)計的條文,但并不完善。本文對國內(nèi)外的相關(guān)文獻進行了系統(tǒng)的整理分析,相關(guān)內(nèi)容可以為組合梁的疲勞設(shè)計提供參考。

1 抗剪連接件的疲勞性能

抗剪連接件包括栓釘、開孔板和后安裝抗剪連接件等多種類型,主要用于傳遞混凝土板和鋼梁之間的剪力。由于連接件的重要作用,其疲勞性能得到了較多的關(guān)注。

1.1 栓釘抗剪連接件

1)影響疲勞性能的因素。栓釘是應(yīng)用最廣泛的抗剪連接件形式之一,而組合梁的疲勞破壞多始于栓釘連接件處[5-6]。影響栓釘疲勞性能的因素主要有應(yīng)力幅、混凝土性能、焊接質(zhì)量、栓釘規(guī)格和受力形式等。1966-1967年,Slutter和Fisher通過研究認為栓釘連接件的疲勞壽命主要與所受的疲勞應(yīng)力幅有關(guān)[7],并提出了如下公式

式中N—疲勞循環(huán)次數(shù);Δτ—疲勞應(yīng)力幅。

此后的大量試驗也表明,疲勞應(yīng)力幅是影響栓釘疲勞壽命的主要因素之一。Naithani等人的研究表明:混凝土強度對栓釘疲勞壽命的影響不大[5];混凝土澆筑方向的不同導(dǎo)致試驗結(jié)果有一定的離散[8]。目前,對直徑25mm以上栓釘?shù)钠谛阅苎芯枯^少。Lee通過對直徑分別為 25mm、28mm、30mm栓釘?shù)钠谠囼炑芯恐赋?大直徑栓釘?shù)钠趶姸扰c普通直徑栓釘相比略微偏低,其設(shè)計的安全性應(yīng)予以提高[9];文獻[10-11] 的研究表明,AASHTO和ECCS規(guī)范公式可用于大直徑栓釘?shù)钠谠O(shè)計。由于現(xiàn)有的栓釘疲勞壽命計算公式多基于對常規(guī)直徑栓釘疲勞試驗數(shù)據(jù)的擬合,其對大直徑栓釘疲勞設(shè)計的適用性有待進一步的試驗驗證。焊接方式(手工電弧焊和焊槍熔焊)會對栓釘?shù)钠谄茐哪Ｊ疆a(chǎn)生影響[12];焊接質(zhì)量對栓釘?shù)钠趬勖休^大的影響,應(yīng)對其進行嚴格的質(zhì)量檢查[13]。當(dāng)所受的疲勞應(yīng)力幅相同時,栓釘在雙向荷載作用下的疲勞壽命高于單向荷載作用下的壽命[14]。組合梁中采用預(yù)制混凝土板時,板上預(yù)留孔洞的大小和位置、鋼梁和混凝土板之間砂漿墊層的厚度等均會對栓釘?shù)男阅墚a(chǎn)生影響。Shim的研究表明[15]:隨著鋼梁和預(yù)制混凝土板之間砂漿墊層厚度的增加,栓釘?shù)撵o力抗剪承載力降低;砂漿墊層對栓釘疲勞性能的影響有待進一步的研究。

2)栓釘疲勞壽命計算模型。較為常用的栓釘疲勞壽命計算模型有3種:(1)僅考慮疲勞應(yīng)力幅對疲勞壽命的影響,如Fisher公式、EC4規(guī)范公式等。(2)同時考慮栓釘靜載能力和疲勞荷載幅的影響,如BS5400規(guī)范公式。(3)疲勞荷載作用下,栓釘?shù)臉O限抗剪承載力隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加而降低[16-18],因此,認為疲勞破壞前栓釘極限抗剪承載力為常量的觀點并不合理[19]。Oehlers建議在計算栓釘疲勞壽命時同時考慮最大疲勞荷載Pp和靜力極限承載力PR的影響,在此基礎(chǔ)上形成了最大疲勞荷載模型(Peak load model)。3種模型的計算公式見表1,其中△τ為疲勞應(yīng)力幅,△P為疲勞荷載幅,m、k為特征參數(shù),N為疲勞荷載循環(huán)作用次數(shù)。文獻[21] 提出了一種基于斷裂力學(xué)的栓釘疲勞壽命計算方法,該方法可用于有初始缺陷栓釘?shù)钠趬勖嬎恪?/p>

根據(jù)Lee[9]、Badie[10]等學(xué)者的研究以及蕪湖大橋、南浦大橋等工程建設(shè)中進行的栓釘連接件的疲勞試驗,本文篩選出了76組數(shù)據(jù),并將其與相關(guān)疲勞壽命計算公式進行了比較,如圖1所示。由圖比較可知,Fisher公式的計算壽命偏于保守,EC4、BS5400等規(guī)范公式的計算結(jié)果較為合理;修訂后的EC4規(guī)范(EN1994-2,2005)對栓釘疲勞應(yīng)力幅的要求較以前(ENV1994-2,1994)更為嚴格;由于Naithani采用了改進的栓釘試件[5],其試驗數(shù)據(jù)點明顯偏下,可見試驗方法對疲勞試驗結(jié)果的影響較為明顯。不同規(guī)范對栓釘疲勞應(yīng)力幅的限值列于表2。

1.2 其他抗剪連接件

近年來,開孔板和后安裝抗剪連接件在工程中的應(yīng)用逐漸增多,部分學(xué)者對其疲勞性能進行了研究。Ahn等通過試驗指出[24]:承受循環(huán)荷載作用的開孔板連接件的孔洞中應(yīng)配置橫向鋼筋以保證抗剪承載力。宗周紅對開孔板連接件進行了疲勞試驗,試驗中開孔板試件的界面滑移小于栓釘試件,并且開孔板未發(fā)生疲勞破壞[25]。目前,開孔板連接件疲勞性能的試驗研究尚不充分,影響開孔板疲勞性能的因素有待進一步研究。后安裝抗剪連接件可減少施焊量,但需要在鋼梁翼緣上預(yù)留孔洞;Kayir[26]的研究表明,非焊接后安裝連接件的疲勞性能優(yōu)于焊接抗剪連接件。

表1 栓釘疲勞壽命計算模型Tab.1 Calculating models of fatigue life of studs

表2 栓釘疲勞應(yīng)力幅限值Tab.2 Limits of fatigue stress range of studs

2 鋼-混凝土組合梁的疲勞性能

2.1 普通鋼-混凝土組合梁

鋼-混凝土組合梁根據(jù)抗剪連接度可分為完全抗剪連接組合梁和部分抗剪連接組合梁。由于部分抗剪連接組合梁的整體性較完全抗剪連接組合梁差,其疲勞性能得到了較多的研究。Yen等人對44根組合梁進行了試驗研究,主要考察了連接度和混凝土板中配筋形式對組合梁疲勞性能的影響[27]。研究表明:較大的荷載、較少的栓釘抗剪連接件以及大間距的配筋是組合梁發(fā)生疲勞破壞的根源;完全抗剪連接可以避免組合梁產(chǎn)生過大的變形;板中配筋具有重要的作用,板中配置金屬網(wǎng)的試件性能較好。李建軍通過對部分抗剪連接組合梁的疲勞試驗得到以下結(jié)論[28]:在疲勞破壞發(fā)生前,組合梁的剛度雖有下降,但下降并不明顯;當(dāng)疲勞破壞發(fā)生時,組合梁的截面剛度迅速下降,抗彎承載力也隨之減小;隨著疲勞加載次數(shù)的增加,梁的疲勞殘余撓度逐漸增大。

最大疲勞荷載是影響組合梁疲勞性能的主要因素之一。Krige等通過對18根壓型鋼板組合板試件的靜力和疲勞試驗指出[29]:對于任意的最小疲勞荷載,當(dāng)最大疲勞荷載大于50%的極限荷載時,裂縫將不可避免的產(chǎn)生,并導(dǎo)致剛度的損失、跨中撓度的增加以及板的最終破壞。

綜上,部分連接組合梁在疲勞破壞前承載力損失并不明顯,但可能產(chǎn)生較大的變形;混凝土板中合理的配筋形式可以改善梁的疲勞性能;疲勞荷載峰值過大是組合梁發(fā)生疲勞破壞的主要誘因之一。

2.2 預(yù)應(yīng)力鋼-混凝土組合梁

預(yù)應(yīng)力的施加可以改善鋼-混凝土組合梁的疲勞性能。Albrecht等對11根預(yù)應(yīng)力鋼-混凝土組合梁進行了疲勞試驗,主要研究了預(yù)應(yīng)力對鋼梁及焊接于鋼梁下翼緣的蓋板細節(jié)疲勞強度的影響[30]。試驗表明:預(yù)應(yīng)力的施加使梁的平均疲勞強度提高了一個等級;預(yù)應(yīng)力對蓋板細節(jié)疲勞強度的提高并不一致,應(yīng)力幅越小,疲勞強度提高越多。

Kennedy和宗周紅對連續(xù)組合梁的研究也表明:預(yù)應(yīng)力可有效減小疲勞荷載引起的應(yīng)力幅,從而提高組合梁的疲勞壽命和極限承載力[31];在連續(xù)組合梁中,負彎矩區(qū)混凝土控制疲勞設(shè)計,采用預(yù)應(yīng)力將消除橫向裂縫,從而大大改善負彎矩區(qū)混凝土的受力性能[25]。

2.3 加固后的鋼-混凝土組合梁

在工程中常需對組合梁進行修復(fù)或加固,部分學(xué)者對修復(fù)或加固后組合梁的疲勞性能進行了研究。Dawood對3根組合梁進行了疲勞試驗研究,其中兩根采用高彈性模量CFRP加固,一根為普通梁[32]。試驗表明:CFRP有助于減小過載引起的殘余變形;采用CFRP加固的試驗梁經(jīng)受了300萬次疲勞循環(huán)加載,其疲勞性能與試驗中承受較低荷載幅的普通組合梁相似。Albrecht[33]對10根預(yù)應(yīng)力鋼-混凝土組合梁進行了疲勞試驗,在鋼梁上出現(xiàn)疲勞裂縫后分別采用了3種加固方法,(1)在裂縫的端部打孔,并安裝一個具有預(yù)壓力的高強螺栓,如圖2(a)所示。(2)在腹板上開孔并設(shè)置連接板,如圖2(b)所示。(3)提高預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力。通過對加固后組合梁疲勞性能的研究可知,提高預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力是限制疲勞裂縫進一步發(fā)展的最有效方法。

3 組合梁的疲勞壽命評估

結(jié)構(gòu)的疲勞可分為高周疲勞和低周疲勞,其中高周疲勞的特點是應(yīng)力水平低、經(jīng)歷的疲勞循環(huán)次數(shù)多,而低周疲勞的特點是應(yīng)力水平高、經(jīng)歷的疲勞循環(huán)次數(shù)少。當(dāng)組合梁用于公路橋梁結(jié)構(gòu)中時,車輛等動荷載引起的結(jié)構(gòu)疲勞一般屬于高周疲勞,此時可按照以下程序?qū)M合梁的疲勞壽命進行評估:(1)確定結(jié)構(gòu)所承受的疲勞荷載。組合梁所承受的疲勞荷載可參照BS5400、EC4等國外規(guī)范采用車道荷載模型或標準疲勞荷載車模型進行計算,也可根據(jù)交通流量的觀測統(tǒng)計資料或?qū)ξ磥斫煌髁康念A(yù)測得到相應(yīng)的荷載譜[34]。(2)計算疲勞應(yīng)力譜。根據(jù)疲勞荷載譜,采用彈性方法計算出組合梁中相應(yīng)連接和構(gòu)造細節(jié)的疲勞應(yīng)力譜。(3)疲勞壽命評估。在得到連接和構(gòu)造細節(jié)的疲勞應(yīng)力譜后,利用Basquin方程以及Palmgren-Miner線性累積損傷準則對其進行疲勞壽命評估。

4 結(jié)語

通過對國內(nèi)外研究文獻和規(guī)范的整理、分析和對比可知:在確保栓釘抗剪連接件焊接質(zhì)量的前提下,應(yīng)力幅是影響栓釘疲勞壽命的主要因素;開孔板、后安裝抗剪連接件具有較好的抗疲勞性能,但應(yīng)對影響其疲勞性能的因素做進一步的研究;在橋梁等承受動荷載的結(jié)構(gòu)中,如果對結(jié)構(gòu)變形有嚴格的控制,不宜采用部分連接組合梁;預(yù)應(yīng)力的施加有利于改善組合梁的疲勞性能;疲勞損傷產(chǎn)生后,采用了合理加固措施的組合梁也可以具有較好的抗疲勞性能。

[1] American Institute of Steel Construction.Load and resistance factor design specification for structural steel buildings[S] .

[2] European Committee for Standardization.Design of composite steel and concrete structures,Part2:bridges[S] .

[3] British Standards Institution.BS5400,Steel,concrete and composite bridges.Part 10:code of practice for fatigue[S] .

[4] (GB50017-2003),鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S] .

[5] NAITHANI K C,GUPTA V K,GADH A D.Behaviour of shear connectors under dynamic loads[J] .Materials and StructuresMatériaux etConstructions,1988,21,359-363.[6] AHN J H,KIM S H,JEONG Y J.Fatigue experiment of studwelded on steel plate for a new bridge deck system[J] .Steel and Composite Structures,2007,7(5):391-404.

[7] SLUTTER RG,FISHER J W.Fatigue strength of shear connectors[R] .Highway Research RecordNo.147,1966.

[8] AKAO S,KURITA A.Concrete placing and fatigue of shear studs[C] .Fatigue of Steel and Concrete Structures.IABSE Colloquium Lausanne,1982.

[9] LEE P G,SHIM C S.Static and fatigue behavior of large stud shear connectors for steel concrete composite bridges[J] .Journal of Constructional Steel Research,2005(61):1270-1285

[10] BADIE S S,TADROS M K,KAKISH H F,et al.Large shear studs for composite action in steel bridge girders[J] .Journal of Bridge Engineering,2002,7(3):195-203.

[11] 蕪湖橋組合結(jié)構(gòu)專題研究組.蕪湖橋組合結(jié)構(gòu)試驗研究總報告[R] .1997.

[12] CIVJAN S A,SINGH P.Behavior of shear studs subjected to fully reversed cyclic loading[J] .Journal of Structural Engineering,2003,129(11):1466-1474.

[13] 鄭州工學(xué)院.鋼-混凝土栓釘連接件壓型鋼板組合梁動載疲勞性能試驗研究[R] .鄭州工學(xué)院土建系,1990.

[14] SERACINO R,OEHLERS D J,YEO M F.Behaviour of stud shear connectors subjected to bi-directional cyclic loading[J] .Advances in Structural Engineering.2003,6(1):65-75.

[15] SHIM C S,LEE P G,CHANG S P.Design of shear connection in composite steel and concrete bridges with precast decks[J] .Journal of ConstructionalSteel Research,2001,5:203-219.

[16] MARIE WESTBERG M B.Influence of fatigue on headed stud connectors in composite bridges[D] .Lule:University of Technology,2004.

[17] HANSWILLE G,PORSCH M,USTUNDAG C.Resistance of headed studssubjected to fatigue loading,Part I:Experimental study[J] .Journal of Constructional Steel Research,2007,63:475-484.

[18] HANSWILLE G,PORSCH M,USTUNDAG C.Resistance of headed studs subjected to fatigue loading,Part II:Analytical study[J] .Journal of Constructional Steel Research,2007,63:485-493.

[19] OEHLERS D J.Deterioration in strength of stud connectors in composite bridge beams[J] .Journal of Structural Engineering,1990,116(12):3417-3431.

[20] JOHNSON R P.Resistance of stud shear connectors to fatigue[J] .Journal of Constructional Steel Research,2000,56:101-116.

[21] 王宇航,聶建國.基于斷裂力學(xué)的組合梁栓釘疲勞性能[J] .清華大學(xué)學(xué)報,2009,49(9):35-38.

[22] American Association of State Highway and Transportation Officials.AASHTO LRFD Bridge Design Specifications[S] .

[23] European Convention for ConstructionalSteelwork,Composite Structures[S] .

[24] AHN J H,KIM S H,JEONG Y J.Shear behavior of profound rib shears connector under static and cyclic loadings[J] .Magazine of Concrete Research,2008,60(5):347-357

[25] 宗周紅.預(yù)應(yīng)力鋼-混凝土組合梁靜動載行為研究[D] .成都:西南交通大學(xué),1998.

[26] KAYIR H.Methods to develop composite action in noncomposite bridge floor systems:Fatigue behavior of postinstalled shear connectors[D] .The University of Texas,2006.

[27] YEN Y J R,LIN Y,LAI M T.Composite beams subjected to static and fatigue loads[J] .The JournalStructural Engineering,1997,(7):765-771.

[28] 李建軍.鋼-混凝土組合梁疲勞性能的試驗研究[D] .北京:清華大學(xué),2002.

[29] KRIGE G J,MAHACHI J.Dynamic behavior of composite floors[J] .Journal of Constructional Steel Research,1995(34):249-269.

[30] ALBRECHT P,LI W,SAADATMANESH H.Fatigue strength of pre-stressed composite steel-concrete beams[J] .Journal of Structural Engineering,1995(121):1850-1856.

[31] KENNEDY J B,GRACE N F.Pre-stressed continuous composite bridges under dynamic load[J] .Journal of Structural Engineering,1990,116(6):1660-1678

[32] DAWOOD M,RIZKALLA S,SUMNER E.Fatigue and overloading behavior of steel-concrete composite flexural members strengthened with high modulus CFRP materials[J] .Journal of Composites for Construction,2007,11(6):659-669.

[33] ALBRECHT P,LENWARI A.Fatigue strength of repaired pre-stressed composite beams[J] .Journal of Bridge Engineering,2008,13(4):409-417.

[34] 童樂為,沈祖炎.城市道路橋梁的疲勞荷載譜[J] .土木工程學(xué)報,1997,30(5):20-27.