鋼-混凝土組合梁疲勞性能研究進(jìn)展

林廣泰，鄭　健，陳迪森

(1.廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西　南寧　530011；2.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西　南寧　530004)

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鋼-混凝土組合梁疲勞性能研究進(jìn)展

林廣泰1，鄭健1，陳迪森2

(1.廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西南寧530011；2.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西南寧530004)

由于重復(fù)荷載以及車輛等動荷載的作用，組合梁的疲勞問題日益突出，目前組合梁在橋梁工程上應(yīng)用時間較短，疲勞問題尚未顯露，因此需要對組合梁疲勞進(jìn)行更深入的研究。文章對栓釘疲勞性能影響因素、栓釘疲勞壽命計算模型以及近幾年來國內(nèi)外有關(guān)組合梁的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行分類總結(jié)，為疲勞荷載作用下鋼-混凝土組合梁設(shè)計提供參考建議。

鋼-混凝土組合梁；栓釘；疲勞性能；計算模型；疲勞壽命

0　引言

鋼-混凝土組合梁結(jié)構(gòu)主要由混凝土板和鋼梁通過抗剪連接件組合連接而成。20世紀(jì)50年代歐美、日本等國先后開展了組合梁的研究，組合梁開始應(yīng)用于工程實例中；到1970年，這些國家又投入了大量資金進(jìn)行組合梁理論研究和應(yīng)用。20世紀(jì)80年代我國開始組合結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用，經(jīng)過國內(nèi)外專家學(xué)者幾十年的研究與實踐，組合梁已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)及橋梁工程領(lǐng)域并在世界范圍內(nèi)得到了快速推廣。

近年來，日本、德國、法國在組合梁研究上進(jìn)行了比較充分的研究，提出了一些新型的施工方法，比如預(yù)制混凝土板法、預(yù)制混凝土縱向滑移法、分段現(xiàn)澆法等；并

且提出了一些新的設(shè)計方法，比如根據(jù)現(xiàn)有施工方法調(diào)整鋼梁和混凝土板應(yīng)力狀態(tài)的設(shè)計方法等。國內(nèi)外有關(guān)組合梁疲勞性能的研究較多，相關(guān)的組合梁疲勞規(guī)范如國外EC4[1]、AISC LRFD[2]、BS5400[3]規(guī)范以及我國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[4]均對組合梁疲勞設(shè)計作了相關(guān)規(guī)定，但有關(guān)組合梁疲勞設(shè)計的細(xì)則并不是非常完善，相關(guān)細(xì)則大部分為疲勞試驗數(shù)據(jù)的擬合以及靜力試驗方面。由于重復(fù)荷載以及車輛等動荷載的作用，組合梁的疲勞問題日益突出，因此需要對組合梁疲勞進(jìn)行更深入的研究。

1　栓釘疲勞性能

栓釘是組合梁中最常用的抗剪連接件，是鋼梁與混凝土板組合起來的關(guān)鍵元件，而組合梁的疲勞破壞多始于栓釘連接件處[5]。栓釘?shù)钠谛阅苤饕退ㄡ斠?guī)格、栓釘應(yīng)力幅、栓釘受力形式及混凝土有關(guān)[6]。聶建國分析其原因在文獻(xiàn)[7]中指出，大直徑栓釘在疲勞試驗中較小直徑栓釘所承受的剪力應(yīng)力幅大，其主要承受低周疲勞荷載，而《歐洲規(guī)范4》中的相關(guān)公式是基于高周疲勞試驗結(jié)果的擬合以及Lee等人試驗中大直徑栓釘疲勞壽命略低于《歐洲規(guī)范4》計算的理論疲勞壽命。

到目前為止，國內(nèi)外學(xué)者提出了3種基本栓釘疲勞壽命計算模型，分別有：(1)只考慮栓釘所受疲勞應(yīng)力幅影響所提出的疲勞壽命計算模型；(2)同時考慮栓釘荷載幅和栓釘靜力極限抗剪承載力影響的疲勞壽命計算模型；(3)既考慮荷載幅、靜力極限抗剪承載力的同時，又考慮最大疲勞荷載影響的疲勞壽命計算模型。

以上3種模型基本沿用了金屬疲勞的S-N曲線方法，即通過大量的試驗數(shù)據(jù)點的擬合和修正，從而規(guī)定栓釘疲勞壽命和荷載幅、靜力極限抗剪承載力以及最大疲勞荷載之間的關(guān)系。聶建國等人進(jìn)行了基于斷裂力學(xué)的組合梁栓釘疲勞性能研究[8]，通過理論計算，積分結(jié)果給出了栓釘?shù)钠趬勖嬎愎剑?/p>

(1)

式中：N——理論計算疲勞壽命；

Δf——名義剪力幅；

fmax——名義剪應(yīng)力上限值；

fu——疲勞時極限強(qiáng)度；

c、m——Paris參數(shù)，主要與材料性質(zhì)有關(guān)，文獻(xiàn)[8]取值c=6.5×10-16、m=4.1；

a0——初始裂紋特征長度，當(dāng)焊縫質(zhì)量達(dá)到探傷的Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)時，可假定a0=2 mm。

結(jié)果證明，組合梁中栓釘疲勞壽命采用基于斷裂力學(xué)的評估方法結(jié)果較為準(zhǔn)確，并且試驗結(jié)果離散性較小，同時可以根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要性等級，滿足栓釘疲勞壽命的保證率，讓組合梁的設(shè)計更為安全、可靠，可為同類型結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計和工程應(yīng)用提供參考。

2　鋼-混凝土組合梁研究進(jìn)展

鋼-混凝土組合梁的疲勞性能不僅與栓釘?shù)钠谔匦杂嘘P(guān)，而且與鋼梁的疲勞特性有關(guān)，鋼梁與混凝土的界面滑移隨著疲勞荷載次數(shù)的變化不可忽略，界面的滑移變化規(guī)律對于組合梁的疲勞剛度計算有著重要意義。目前，國內(nèi)外學(xué)者對鋼-混凝土組合梁的疲勞性能試驗研究均表明，栓釘剛度隨著疲勞加載次數(shù)增加而下降，栓釘剛度的退化宏觀反映在整體梁剛度的退化。

2011年，清華大學(xué)的聶建國、王宇航通過8根鋼板-混凝土組合受彎加固簡支梁的等幅疲勞加載試驗研究發(fā)現(xiàn)，組合加固梁的疲勞破壞是由鋼板裂紋從栓釘焊趾處開始緩慢擴(kuò)展直至貫通導(dǎo)致的，與普通鋼筋混凝土梁相比，加固后的組合梁，其疲勞破壞時有相當(dāng)好的延性；鋼板的應(yīng)力幅對加固后的組合梁疲勞性能影響較大，在實際設(shè)計過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制鋼板的應(yīng)力幅和應(yīng)力上限，并且盡量不采用較薄的鋼板和高強(qiáng)鋼材，加固層預(yù)應(yīng)力可有效提高組合加固梁的疲勞性能[9]。

2012年，Weiwei Lin和Teruhiko Yoda研究了負(fù)彎矩作用下鋼-混凝土組合梁的疲勞性能。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)重復(fù)荷載相當(dāng)于初始開裂荷載時，疲勞荷載只對組合梁的剛度和開裂模式有影響，但影響有限；當(dāng)重復(fù)荷載相當(dāng)于靜力開裂荷載時，隨著疲勞加載次數(shù)增加，組合梁抗彎剛度、栓釘抗剪剛度均逐漸下降并且殘余裂縫很多出現(xiàn)在初次靜力試驗中；當(dāng)重復(fù)荷載大于初始開裂荷載時，隨著疲勞加載次數(shù)增加，組合梁抗彎剛度、栓釘抗剪剛度卻略有增加[10]。

2012年，楊勇、周現(xiàn)偉等人對帶鋼板-混凝土組合橋面板的組合梁進(jìn)行了疲勞試驗，主要研究了在承受正彎矩和負(fù)彎矩時，疲勞荷載上、下限值及疲勞荷載幅值等因素對帶鋼板-混凝土組合橋面板組合梁的疲勞破壞模式及疲勞累積損傷的影響。試驗表明：正彎矩組合梁試件的疲勞破壞形態(tài)為組合梁底部鋼梁疲勞破壞，進(jìn)而受壓區(qū)混凝土壓碎破壞，試件疲勞壽命與疲勞應(yīng)力幅有直接關(guān)系，而疲勞荷載上、下限值對疲勞壽命影響不大[11]。

2012年，同濟(jì)大學(xué)的楊濤、薛偉辰通過基于3根模型梁試件的單調(diào)靜力試驗，當(dāng)鋼-混凝土組合梁承受體外預(yù)應(yīng)力時，對組合梁的受力性能進(jìn)行了研究，研究證明：當(dāng)組合梁施加體外預(yù)應(yīng)力時，可以有效提高組合梁的抗彎承載力，但試件的延性有所降低，增大栓釘間距可以提高試件的極限變形能力，但對其抗彎承載力的影響不大；試件的抗剪連接程度越低，達(dá)到極限荷載時栓釘滑移值越大[12]。

2013年，西安交通大學(xué)的衛(wèi)星、肖林為研究反復(fù)荷載作用下鋼-混組合結(jié)構(gòu)PBL剪力鍵的疲勞性能，設(shè)計了6組24個PBL剪力鍵推出試驗?zāi)Ｐ?，進(jìn)行三因素二水平的正交試驗。以靜載試驗測得的極限承載力為標(biāo)準(zhǔn)，測試得到每組試件在不同荷載反復(fù)作用下各試件能承受的荷載循環(huán)次數(shù)，在此基礎(chǔ)上建立了荷載作用次數(shù)與殘余滑移量之間的關(guān)系曲線，確定了PBL剪力鍵疲勞損傷的3個階段及與之對應(yīng)的破壞形態(tài)。其研究結(jié)果表明：殘余滑移量能夠用于描寫PBL剪力鍵損傷的過程，在各種加載條件下，可以用這種形式來度量PBL剪力鍵的疲勞壽命和疲勞損傷[13]。

2013年，同濟(jì)大學(xué)的童樂為、咸慶軍等人通過對3根尺度和構(gòu)造細(xì)節(jié)與實際工程一致的H型鋼混凝土梁進(jìn)行了基于設(shè)計荷載的靜力試驗和200萬次的疲勞試驗研究表明：在設(shè)計荷載靜力作用和200萬次循環(huán)作用下，SRC梁保持完好，處在彈性階段，混凝土表面最大裂縫寬度≤0.2 mm；增大荷載幅之后，SRC梁又經(jīng)歷了31～146萬次壽命后發(fā)生疲勞破壞；在發(fā)生疲勞破壞前，SRC梁各組件協(xié)同工作良好，并且截面的應(yīng)變分布也較符合平截面的相關(guān)假定；疲勞破壞起源于H型鋼受拉翼緣與腹板的焊接部位，焊接H型鋼梁的疲勞性能對整個SRC梁的疲勞強(qiáng)度起著十分關(guān)鍵的作用[14]。

2013年，中鐵大橋局的徐海鷹、唐細(xì)彪對一組輕骨料混凝土栓釘推出試件進(jìn)行疲勞試驗。研究結(jié)果表明，輕骨料混凝土栓釘連接件50%和97.72%保證率下的疲勞強(qiáng)度分別為126.7 MPa和105.5 MPa，該結(jié)果與其它關(guān)于普通混凝土栓釘連接件的相關(guān)研究成果差異不大，且要高于Eurocode 4規(guī)范值；試件的疲勞曲線特性和疲勞破壞形式方面與普通混凝土栓釘連接件基本相似，輕骨料混凝土運(yùn)用在剪力釘連接件的方案可行[15]。

2015年，中南大學(xué)的劉小潔、李亞平等人通過3根簡支鋼-混凝土組合箱梁的靜載試驗以及重復(fù)加載試驗研究發(fā)現(xiàn)，重復(fù)荷載的反復(fù)作用使鋼梁和混凝土翼板之間的相對滑移逐漸變大、組合梁的整體截面剛度下降、跨中撓度變大，組合箱梁的剛度隨加載次數(shù)的增加而下降，部分剪力連接的組合箱梁有較好的抗疲勞性能，組合箱梁的抗剪連接程度越大，其抗疲勞性能也越好[16]。

3　結(jié)語

本文通過對栓釘疲勞性能影響因素、栓釘疲勞壽命計算模型以及近幾年來國內(nèi)外有關(guān)組合梁的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行分類總結(jié)，為橋梁工程上進(jìn)行橋梁壽命評估、安全性及耐久性評估提供重要依據(jù)，為疲勞荷載作用下鋼-混凝土組合梁設(shè)計提供參考建議。

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

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

[3]British Standards Institution.BS5400，Steel，concrete and composite bridges.Part10：code of practice for fatigue[S].

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[12]楊濤，薛偉辰.單調(diào)荷載下體外預(yù)應(yīng)力鋼-混凝土組合梁的受力性能[J].江蘇大學(xué)學(xué)報，2012，33(2)：233-238.

[13]衛(wèi)星，肖林.鋼-混組合結(jié)構(gòu)PBL剪力鍵疲勞壽命試驗[J].中國公路學(xué)報，2013，26(6)：96-102.

[14]童樂為，咸慶軍，周麗瑛，等.高鐵站房型鋼混凝土梁疲勞性能試驗[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報，2013，41(3)：368-482.

[15]徐海鷹，唐細(xì)彪.輕骨料混凝土栓釘連接件疲勞性能研究[J].鐵道工程學(xué)報，2013(5)：97-101.

[16]劉小潔，李亞平，劉亞茹，等.鋼-混凝土組合箱梁的抗彎疲勞性能試驗研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2015，12(5)：1123-1129.

Progress in Fatigue Property Study of Steel-concrete Composite Beam

LIN Guang-tai1，ZHENG Jian1，CHEN Di-sen2

(1.Guangxi Road and Bridge Engineering Group Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530011；2.College of Civil Engineering and Architecture，Guangxi University，Nanning，Guangxi，530004)

Due to the impact of repeated load and dynamic load such as vehicles，the fatigue problem of composite beam has become increasingly prominent，currently the application of composite beam in bridge engineering has not been a long time yet，its fatigue problem has not been revealed，thus it is required to further study the fatigue problem of composite beam.This article classified and summarized the influencing factors of studs fatigue performance，stud fatigue life calculation model，as well as the relevant domestic and foreign composite beam development situation in recent years，thereby providing the reference recommendation for steel-concrete composite beam design under fatigue loads.

Steel-concrete composite beams；Stud；Fatigue properties；Calculation model；Fatigue life

U441+.6

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.07.009

1673-4874(2016)07-0034-03

2016-06-05

林廣泰(1989— )，碩士，研究方向：組合橋梁混凝土結(jié)構(gòu)；

鄭健(1990—)，碩士，研究方向：鋼管混凝土結(jié)構(gòu)安全性；

陳迪森(1991—)，碩士，主要從事Bim技術(shù)開發(fā)以及高性能混凝土研究工作。