帶疲勞損傷的鋼-混凝土組合梁受力性能試驗研究*

楊濤 林廣泰 趙艷林? 彭修寧

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 廣西 南寧 530004； 2.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點實驗室， 廣西 南寧 530004； 3.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點實驗室， 廣西 南寧 530004)

1988年，我國上海南浦大橋的建設(shè)采用了鋼-混凝土組合梁結(jié)構(gòu),此后，組合梁在建筑和橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用逐漸推廣.當(dāng)組合梁應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)中時，由于要承受動力荷載的反復(fù)作用，組合梁的疲勞問題逐漸引起了設(shè)計人員的重視.抗剪連接件是傳遞混凝土板和鋼梁之間剪力的重要組件，而栓釘是最常用的抗剪連接件之一.研究表明，組合梁中栓釘抗剪連接件等連接和構(gòu)造細(xì)節(jié)通常較易發(fā)生疲勞破壞[1- 6].國內(nèi)外學(xué)者在對栓釘抗剪連接件等疲勞細(xì)節(jié)的疲勞性能開展研究的同時，也對鋼-混凝土組合梁的整體疲勞性能開展了相應(yīng)的試驗研究[7- 11].

在現(xiàn)有的組合梁疲勞設(shè)計中，連接和構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞強度是關(guān)注的熱點，但設(shè)計使用壽命周期內(nèi)疲勞損傷對組合梁的整體剛度、極限承載能力等受力性能的影響研究較少.已有研究成果表明，疲勞損傷會導(dǎo)致材料力學(xué)性能和抗剪連接件受力性能的退化，如：在發(fā)生最終疲勞破壞前，混凝土的彈性模量約退化為初始彈性模量的0.67倍[12]；栓釘抗剪連接件的極限抗剪承載力和抗剪剛度也會隨著疲勞荷載作用次數(shù)的增加而降低[13- 14].以上因素均會導(dǎo)致組合梁受力性能的退化，并對其安全使用產(chǎn)生不利的影響.因此，有必要對疲勞損傷產(chǎn)生后組合梁的受力性能開展分析和評估.針對上述問題，文中對經(jīng)歷了指定疲勞加載次數(shù)的鋼-混凝土組合梁試件開展了靜力加載試驗，評估疲勞損傷對不同設(shè)計參數(shù)情況下組合梁極限承載能力、變形能力等受力性能的影響，以期為此類結(jié)構(gòu)在疲勞損傷產(chǎn)生后受力性能的評估提供參考.

1 試驗設(shè)計

1.1 試件設(shè)計

設(shè)計了7根焊接工字鋼-混凝土組合梁，試件編號分別為FS1-FS7.7個試件的基本尺寸和配筋均相同，試件主要參數(shù)設(shè)計見表1，基本尺寸和配筋如圖1所示.

其中：試件FS1和FS2為靜力對比試件；試件FS3-FS7在開展靜力加載試驗前已經(jīng)歷了100萬次的等幅疲勞加載.在進(jìn)行試件設(shè)計時，考察了抗剪連接程度、栓釘直徑和疲勞應(yīng)力幅的影響.表1中抗剪連接程度按n/n0進(jìn)行計算，n和n0分別為剪跨段實際布置的栓釘個數(shù)和為了確保組合梁完全抗剪連接在剪跨段所需的栓釘個數(shù)，n/n0≥1時為完全抗剪連接，n/n0<1時為部分抗剪連接.試件總長2 600 mm，截面高300 mm.工字形鋼梁由鋼板焊接而成，采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，焊縫采用焊腳尺寸為7 mm的直角焊縫.鋼梁高200 mm，在鋼梁的上翼緣布置直徑為13 mm(或16 mm)的栓釘，栓釘雙排布置.混凝土板寬600 mm，厚100 mm.實測的混凝土軸心抗壓強度為43.8 MPa，彈性模量為35 GPa.鋼材的力學(xué)性能指標(biāo)見表2.

表1 試件設(shè)計Table 1 Design of the specimens

圖1 尺寸及配筋(單位：mm)Fig.1 Dimensions and reinforcement(Unit：mm)

表2 鋼材力學(xué)性能Table 2 Mechanical performance of steel

1.2 加載方案

靜力試驗采用與疲勞試驗相同的加載裝置，通過分配梁對試件施加兩點對稱荷載，加載設(shè)備采用最大加載能力為2 000 kN的電液伺服作動器.試件安裝示意圖如圖2所示，圖中P為施加的外荷載.試驗過程中對試件施加單調(diào)靜力荷載直至試件最終破壞.

圖2 試件安裝示意圖(單位：mm)Fig.2 Schematic diagram of specimen assembly(Unit：mm)

1.3 測量內(nèi)容

試驗的主要測量內(nèi)容包括：① 試件的承載能力；② 組合梁的跨中撓度；③ 跨中截面的應(yīng)變分布；④ 混凝土板上裂縫分布；⑤ 鋼梁和混凝土板界面處的相對滑移等.為了測量剪跨段內(nèi)栓釘?shù)幕浦?，在加載點外側(cè)第1個和第3個栓釘以及支座上方栓釘所處位置的鋼梁與混凝土板界面處布置位移計，3個位移計編號分別為1#-3#(如圖3所示).

圖3 測點布置示意圖(單位：mm)

Fig.3 Schematic diagram of distribution of measuring points(Unit：mm)

圖3中字母S和L分別代表鋼梁和混凝土板中縱向鋼筋上的測點.

2 疲勞試驗概況

在對試件FS3-FS7開展靜力試驗前，分別對其開展等幅疲勞加載試驗.在組合梁試件中主要包含3種連接和構(gòu)造細(xì)節(jié)，即焊縫、栓釘連接件和鋼梁母材.根據(jù)EC3規(guī)范[15]，當(dāng)疲勞荷載引起的跨中鋼梁下翼緣應(yīng)力幅Δσ為200 MPa時，3種細(xì)節(jié)的疲勞壽命以鋼梁母材最長，約68.7萬次.由于計算疲勞壽命通常具有一定的保證率，因此在疲勞試驗中取100萬次為疲勞加載目標(biāo)次數(shù)，以評估組合梁在經(jīng)歷略大于鋼梁母材計算疲勞壽命的加載次數(shù)后可能發(fā)生的疲勞破壞形式.試驗中試件FS3-FS6跨中鋼梁下翼緣疲勞應(yīng)力幅Δσ取200 MPa；為了考察不同疲勞應(yīng)力幅的影響，試件FS7的疲勞應(yīng)力幅Δσ取220 MPa.疲勞試驗中各試件最小疲勞荷載Pmin均取70 kN；最大疲勞荷載Pmax的取值根據(jù)跨中鋼梁下翼緣的應(yīng)力幅Δσ予以確定.各試件在試驗中所承受的疲勞荷載值見表3；疲勞加載波形采用等幅三角波，加載頻率約為4 Hz.

表3 疲勞荷載Table 3 Fatigue loads

疲勞試驗研究表明：疲勞加載過程中，通常在組合梁跨中區(qū)域的混凝土板底首先觀測到裂縫，此時各試件所經(jīng)歷的加載次數(shù)有一定的差異，如：試件FS4在經(jīng)歷9萬次加載后出現(xiàn)第1條裂縫，而試件FS7在經(jīng)歷33萬次后才出現(xiàn)第1條裂縫.隨著加載次數(shù)的增加，組合梁跨中均產(chǎn)生了一定量值的殘余撓度；同時，在疲勞加載過程中，個別試件(如試件FS4和FS5)在鋼梁和混凝土板界面處可觀測到較為明顯的相對錯動現(xiàn)象.直至100萬次疲勞加載結(jié)束，未觀測到試件FS3-FS7發(fā)生其他明顯的疲勞破壞現(xiàn)象.

3 靜力試驗結(jié)果與分析

3.1 受力過程

試件FS1-FS2：在加載初期未觀測到明顯現(xiàn)象；隨著荷載持續(xù)增加，試件變形逐漸增加；當(dāng)荷載達(dá)到559和440 kN時，分別在試件FS1和FS2加載點附近的混凝土板底觀測到初始裂縫；隨著荷載的增加，試件變形明顯增大，跨中區(qū)域混凝土板底裂縫逐漸增多、縫寬變大；當(dāng)荷載分別達(dá)到656.8和678.4 kN時，試件FS1和FS2跨中板頂混凝土被壓碎，隨后試件的承載能力開始明顯下降.當(dāng)荷載降至極限承載能力的0.85倍以下時，試驗結(jié)束.兩個試件的破壞形態(tài)分別如圖4(a)和4(b)所示.

圖4 破壞形態(tài)Fig.4 Failure patterns

試件FS3-FS7：經(jīng)歷100萬次的疲勞加載后，試件的混凝土板上已產(chǎn)生了若干條裂縫，組合梁本身存在了一定的疲勞損傷.在單調(diào)靜力加載過程中，各試件的受力過程與試件FS1和FS2較為類似，即在荷載作用下混凝土板上裂縫逐漸增多；在加載的后期，跨中鋼梁首先屈服，隨后板頂混凝土被壓碎.圖4(c)為試件FS4的最終破壞形態(tài)，試件FS3、FS5和FS7的最終破壞形態(tài)與之相似.試件FS6在最終受力階段鋼梁突然斷裂，破壞形態(tài)如圖4(d)所示.

3.2 承載能力

各試件的屈服荷載(取跨中截面鋼梁下翼緣達(dá)到屈服應(yīng)變時對應(yīng)的荷載)和極限荷載分別見表4，對比可知：

(1)未經(jīng)歷疲勞加載的組合梁試件的屈服荷載普遍低于經(jīng)歷100萬次疲勞加載的試件，這一現(xiàn)象表明疲勞加載后鋼材發(fā)生了強化，并導(dǎo)致試件的屈服荷載提高.

(2)與試件FS1相比，F(xiàn)S3在經(jīng)歷疲勞加載后極限承載能力約為FS1的0.99倍；與試件FS2相比，在經(jīng)歷相應(yīng)的疲勞加載后試件FS4-FS7的極限承載能力分別為FS2的0.97倍、0.97倍、1.08倍和0.93倍.對比分析可知：① 在經(jīng)歷相同疲勞加載工況后，部分抗剪連接組合梁的極限承載能力雖有所下降但并不顯著；② 完全抗剪連接試件FS6的極限承載能力為試件FS2的1.08倍，這既與完全抗剪連接組合梁整體性好于部分抗剪連接組合梁有關(guān)，也與疲勞荷載引起的鋼材強化有關(guān)；③ 試件FS7極限承載能力的降幅約為FS2的7.0%，表明較高疲勞應(yīng)力幅(220 MPa)作用下組合梁累積了更多的疲勞損傷.

(3)在抗剪連接程度相同的情況下，采用直徑16 mm栓釘?shù)慕M合梁試件的極限承載能力與采用直徑13 mm栓釘?shù)慕M合梁試件并無顯著差異，如：試件FS2為FS1的1.03倍；經(jīng)歷疲勞加載后試件FS5約為試件FS3的1.02倍.

表4 試件的承載能力Table 4 Bearing capacity of the specimens

3.3 荷載-跨中撓度曲線

各試件的荷載-跨中撓度曲線如圖5所示，相應(yīng)受力階段的位移列于表5，并按照下式計算試件的位移延性系數(shù)μΔ：

圖5 荷載-跨中撓度曲線Fig.5 Load versus mid-span deflection curves

試件編號Δy/mmΔu/mmμΔFS16.242.16.8FS27.046.46.6FS35.932.05.4FS46.841.06.0FS56.031.55.3FS66.644.86.8FS76.027.74.6

1)試件FS5和FS7的承載力未能降至0.85Pu以下，分別以試驗結(jié)束時的荷載595.8 kN(0.9Pu)和579.7 kN(0.92Pu)對應(yīng)的位移作為極限位移計算延性系數(shù).

μΔ=Δu/Δy

(1)

式中：Δy為屈服荷載對應(yīng)的組合梁跨中撓度；Δu為組合梁極限跨中撓度，取試件的承載能力降至0.85Pu時對應(yīng)的撓度，Pu為相應(yīng)試件的極限承載能力.

通過分析可以得到以下結(jié)論：

(1)根據(jù)表5可知，在經(jīng)歷疲勞加載后，部分抗剪連接組合梁試件的屈服位移Δy和延性系數(shù)μΔ與未經(jīng)歷疲勞加載的試件相比均有不同程度的降低，但各試件的位移延性系數(shù)仍大于4.6，表明其仍具有較好的延性.由于疲勞損傷的存在，試件發(fā)生脆性破壞的潛在風(fēng)險增加，如試件FS6在最終破壞階段鋼梁突然斷裂，具有一定的脆性破壞特征.

(2)根據(jù)表5和圖5(a)，在抗剪連接程度相同的情況下，采用直徑16 mm栓釘?shù)脑嚰﨔S2的極限變形能力略好于采用直徑13 mm栓釘?shù)慕M合梁試件FS1，但延性系數(shù)相近.與靜力對比試件FS1相比，經(jīng)歷疲勞荷載作用后試件FS3的極限跨中撓度Δu和延性系數(shù)μΔ分別降低了約24.0%和20.6%；試件FS2和FS5在承載能力降至0.9Pu時對應(yīng)的位移分別為45.6和31.5 mm，此時FS5的跨中撓度僅為FS2的0.69倍.綜上可見，在經(jīng)歷疲勞加載后，采用直徑13和16 mm兩種栓釘?shù)慕M合梁的極限變形能力均明顯降低.

(3)圖5(b)為不同抗剪連接程度組合梁試件的荷載-撓度曲線.由圖可見，在彈性受力階段各試件的變形能力并無明顯差別；在進(jìn)入承載力下降階段后，試件FS4、FS5和FS6的承載力下降速率明顯加快.在最終破壞時，部分抗剪連接組合梁試件FS4的極限跨中撓度Δu約為FS2的88.4%，而完全抗剪連接組合梁試件FS6的極限跨中撓度Δu約為FS2的96.6%.結(jié)合前述對試件FS5的分析可知，疲勞加載對部分抗剪承載組合梁的極限變形能力的影響較完全抗剪連接組合梁大.

(4)試件FS5和FS7所承受的疲勞應(yīng)力幅分別為200和220 MPa，其在承載能力降至0.92Pu時的跨中撓度分別為31.7和27.7 mm，此時試件FS7的跨中撓度僅為FS5的87.4%.結(jié)合圖5(c)中荷載-撓度曲線的走勢可知，高應(yīng)力幅作用導(dǎo)致的組合梁延性降低更為明顯.

3.4 荷載-栓釘滑移曲線

栓釘是保證混凝土板和鋼梁共同工作的重要連接部件，圖3中3個栓釘?shù)牡湫秃奢d-相對滑移曲線如圖6所示.研究表明，大多數(shù)情況下，2#測點處栓釘?shù)南鄬戚^大，而1#和3#測點處栓釘?shù)幕葡鄬^小.疲勞加載過程中，在部分試件鋼梁和混凝土板界面處觀測到較明顯的相對錯動，但由圖6對比可見，經(jīng)歷疲勞加載后栓釘?shù)幕屏课闯霈F(xiàn)陡增現(xiàn)象，說明栓釘仍具有較好的受力性能.試驗結(jié)束后敲開混凝土板，鋼梁端部上翼緣栓釘?shù)牡湫托螒B(tài)如圖7所示，未觀測到焊縫或鋼梁母材開裂以及栓釘脫落的現(xiàn)象.

圖6 典型的荷載-栓釘相對滑移曲線Fig.6 Typical curves of load versus relative slip of studs

圖7 梁端栓釘形態(tài)Fig.7 Stud form at the beam end

4 結(jié)論

(1)與靜力試件相比，疲勞加載后組合梁的破壞形態(tài)未發(fā)生改變，仍屬彎曲破壞；由于疲勞損傷的存在，部分試件的最終破壞具有一定的突然性，呈現(xiàn)出脆性破壞的特征.

(2)疲勞損傷導(dǎo)致組合梁試件的極限變形能力有明顯的降低，但各試件的位移延性系數(shù)仍大于4.6；疲勞加載對部分抗剪連接組合梁變形性能的影響大于對完全抗剪連接組合梁變形性能的影響.

(3)經(jīng)歷疲勞加載后試件的屈服荷載普遍有所提高，說明疲勞加載會導(dǎo)致鋼材的強化；部分抗剪連接組合梁試件的極限承載能力普遍降低，但降低幅度有限；高疲勞應(yīng)力幅引起的試件極限承載力的下降更為明顯，降幅約為初始承載力的7.3%.

(4)當(dāng)抗剪連接程度相同時，采用直徑13或16 mm的栓釘對組合梁的極限承載力無明顯影響.

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