部分剪力連接的橡膠集料混凝土鋼組合梁疲勞性能試驗(yàn)研究

邢穎　徐杰　韓慶華　李自林　王一泓

摘要：為研究橡膠集料混凝土鋼組合梁的疲勞性能，對(duì)6個(gè)試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)考慮了橡膠集料混凝土、剪力連接程度、栓釘直徑及截面尺寸對(duì)組合梁疲勞壽命、損傷累積及破壞模式的影響。試驗(yàn)測(cè)試并分析了組合梁在不同荷載循環(huán)次數(shù)下的混凝土應(yīng)變、殘余滑移、殘余撓度、滑移剛度及彎曲剛度。試驗(yàn)結(jié)果表明：部分剪力連接的組合梁在疲勞過(guò)程中不符合平截面假定；組合梁的疲勞破壞模式為剪跨區(qū)栓釘剪斷，破壞具有較大的延性；橡膠集料混凝土能有效減小裂縫寬度，明顯提高疲勞壽命，并增大殘余滑移，表現(xiàn)出更好的延性；增大剪力連接程度可提高組合梁的疲勞壽命，并降低剛度退化作用；較大的栓釘直徑使組合梁疲勞性能降低，并表現(xiàn)出較大的塑性。研究成果可為橡膠集料混凝土在組合梁中的應(yīng)用提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：橡膠集料混凝土；組合梁；疲勞性能；部分剪力連接；栓釘

中圖分類號(hào)：TU398 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

可再生橡膠集料混凝土（RRFC）由普通混凝土加入經(jīng)過(guò)機(jī)械粉碎、碾磨并洗凈的廢舊輪胎橡膠顆粒所制成，是一種新型環(huán)保綠色材料。由于其具有較好的變形能力、抗裂性能及良好的疲勞性能，這種新材料已成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。早在1999年就被用于亞利桑那大學(xué)的路面鋪裝，目前已得到更為廣泛的應(yīng)用。Hernandez針對(duì)不同橡膠摻量的混凝土進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，測(cè)試其靜力、動(dòng)力和疲勞性能，指出橡膠集料混凝土具有較好的能量耗散性能和抗疲勞性能。國(guó)內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了一些試驗(yàn)，如橡膠混凝土的三點(diǎn)彎拉疲勞性能，證明同等循環(huán)加載條件下，橡膠混凝土的疲勞壽命明顯高于普通素混凝土。

鋼與混凝土組合梁能充分利用不同材料的性能，目前已被廣泛應(yīng)用于高層建筑、多層工業(yè)廠房和橋梁，并帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。鋼和混凝土之間的組合作用由剪力連接件實(shí)現(xiàn)，由于施工方便，焊在鋼梁翼緣上的栓釘成為最常用的剪力連接件。對(duì)于承受交通荷載的橋梁，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期處于循環(huán)荷載作用下，栓釘將直接承受疲勞荷載，其疲勞問(wèn)題日益突出。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的靜力與疲勞試驗(yàn)，研究了組合梁的疲勞破壞形式，及栓釘直徑、疲勞荷載和混凝土強(qiáng)度等因素對(duì)疲勞性能的影響。

基于橡膠集料混凝土良好的材性，將其應(yīng)用于組合橋梁中，可有效提高行車舒適度，減少結(jié)構(gòu)開(kāi)裂，并可能改善組合橋梁的抗疲勞性能。此外，大直徑栓釘?shù)膽?yīng)用可以減小栓釘個(gè)數(shù)，降低焊接工作量，有效加快施工進(jìn)度，而橡膠集料混凝土的應(yīng)用也可能改善大直徑栓釘?shù)氖芰π阅?。目前已?duì)組合梁和橡膠集料混凝土性能展開(kāi)了大量研究，然而，尚缺乏對(duì)鋼與橡膠集料混凝土組合梁疲勞性能的系統(tǒng)研究。本文為研究橡膠集料混凝土鋼組合梁抗疲勞性能，選取了混凝土種類、栓釘直徑、剪力連接程度、鋼梁尺寸4個(gè)影響因素，進(jìn)行6個(gè)組合梁疲勞試驗(yàn)。研究了不同參數(shù)對(duì)組合梁疲勞壽命、抗裂性能、應(yīng)力分布、殘余變形及剛度退化的影響，并討論橡膠集料混凝土在組合橋梁中的適用性。

1試驗(yàn)概況

1.1試件設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)研究了0%，5%，10%和15%四種不同橡膠摻量下，組合梁推出試件的受力性能，結(jié)果表明摻量為15%的混凝土強(qiáng)度有較大削弱，而摻量為5%的混凝土塑性性能提高不明顯。因此，本文在前期研究的基礎(chǔ)上，選擇橡膠摻量為10%的橡膠集料混凝土制作試件。在組合梁靜力試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)6個(gè)與靜力試驗(yàn)相同的組合梁試件，用于疲勞試驗(yàn)，編號(hào)為FBFT-1～FBFT-6。

鋼與混凝土組合梁是由H型鋼梁、加勁肋、焊釘、混凝土板和鋼筋組成的空間受力體系，難以按比例制作相應(yīng)的縮尺模型，特別是混凝土橋面板和鋼板的厚度，而足尺模型成本較高。為此，按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017-2003）制作組合梁的定型模型，模擬鋼與混凝土組合梁的受力情況，對(duì)其進(jìn)行研究。試件設(shè)計(jì)考慮試驗(yàn)條件的同時(shí)，保證所有試件的設(shè)計(jì)中性軸均位于鋼梁截面，避免混凝土板受拉。組合梁全長(zhǎng)4 000 mm，其中純彎段700 mm，剪跨段1 500 mm，加載點(diǎn)及支座截面設(shè)置加勁肋。所有試件的設(shè)計(jì)中性軸均位于鋼梁上翼緣。試件設(shè)計(jì)為2種截面尺寸，鋼梁分別使用HW250×250和HW350×350，其中2個(gè)試件的混凝土板采用普通混凝土澆筑，4個(gè)試件的混凝土板采用摻量為10%的橡膠集料混凝土澆筑。鋼梁上翼緣焊接單排栓釘，栓釘直徑分為16，19，22 mm。本文的組合梁為部分剪力連接，栓釘個(gè)數(shù)較少，且推出試驗(yàn)結(jié)果表明，栓釘數(shù)量相同的情況下，單排栓釘受力性能較好，因此均采用單排均勻布置。為研究部分剪力連接組合梁的疲勞性能，按規(guī)范設(shè)計(jì)0.5和0.68兩種不同剪力連接程度，公式如下。

（1）

（2）式中：r為剪力連接系數(shù)；n為實(shí)際栓釘個(gè)數(shù)；n_s為完全剪力連接時(shí)的計(jì)算栓釘個(gè)數(shù)；F_c為混凝土板壓力；b_eff為混凝土板有效寬度；h_c為混凝土板有效厚度；f_c為混凝土抗壓強(qiáng)度；V_u為單個(gè)栓釘抗剪承載力，由靜力推出試驗(yàn)獲得。

組合梁試件的參數(shù)見(jiàn)表1，試件具體尺寸及構(gòu)造見(jiàn)圖1和圖2。

按照GB/T 10432-2002，栓釘選用16 mm×90 mm，19 mm×110 mm，22×130 mm三種規(guī)格，長(zhǎng)度與直徑比值均大于4，細(xì)部尺寸見(jiàn)圖3。試件在鋼結(jié)構(gòu)加工廠制作并養(yǎng)護(hù)，模板及配筋見(jiàn)圖4。

1.2材料屬性

試件的混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30，通常情況下，以橡膠顆粒代替部分細(xì)骨料，但混凝土的強(qiáng)度和彈性模量都會(huì)有所下降。為排除試驗(yàn)中混凝土強(qiáng)度對(duì)組合梁抗疲勞性能的影響，經(jīng)多次試驗(yàn)后，改變粗骨料及水灰比，確定最合適的配比，使橡膠集料混凝土與普通混凝土的強(qiáng)度和彈性模量基本相同。在澆筑試件時(shí)，按規(guī)范制作2組150 mm×150 mm×150mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，一組在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)，另一組在與試件組合梁相同的條件下養(yǎng)護(hù)，抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。其中f_cu，k為在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28 d的立方體抗壓強(qiáng)度，f_cu，k為在與試件相同的條件下養(yǎng)護(hù)，并于疲勞試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)測(cè)試的立方體抗壓強(qiáng)度，E為彈性模量。

試件所用型鋼材料為Q235鋼，從鋼梁翼緣上切取標(biāo)準(zhǔn)板條進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，平均屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度分別為241 MPa和398 MPa。栓釘?shù)牟牧蠟镸15，其抗拉強(qiáng)度為365 MPa。鋼筋選用φ6的HRB335熱軋鋼筋，2種組合梁截面的縱向配筋率分別為0.87%和0。71%，經(jīng)測(cè)試的鋼筋屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度分別為348 MPa和455 MPa。

1.3試驗(yàn)裝置

疲勞試驗(yàn)采用1000kN電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)加載，作動(dòng)器在組合梁跨中施加等幅正弦脈沖疲勞荷載，加載頻率為1.3 Hz，荷載通過(guò)分配梁傳遞給2個(gè)加載點(diǎn)，加載點(diǎn)間距為700 mm。試件兩端簡(jiǎn)支，組合梁和分配梁的兩端支座下均放置厚度為40mm的鋼板，以防止試件局部壓力過(guò)大，試驗(yàn)裝置如圖5所示。

1.4測(cè)點(diǎn)布置及加載制度

疲勞試驗(yàn)中，采用精度為1/1 000 mm的位移計(jì)測(cè)量跨中撓度，同時(shí)測(cè)量支座端鋼梁與混凝土的相對(duì)滑移和掀起，以確定組合梁在疲勞荷載下的動(dòng)位移。采用混凝土應(yīng)變片測(cè)量跨中截面混凝土板的應(yīng)變，可判斷組合作用的程度及中性軸位置的變化。測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示，其中D1～D3為位移計(jì)，C1～C3為應(yīng)變片。

在疲勞試驗(yàn)正式開(kāi)始前進(jìn)行1～2次靜力預(yù)加載，以消除松動(dòng)并確認(rèn)儀器工作正常。疲勞加載過(guò)程中，當(dāng)加載至0.03，0.1，0.5，1，3，5，10，15，20，30，40，…萬(wàn)次時(shí)，停止疲勞加載，進(jìn)行一次靜力加卸載循環(huán)，用于分析疲勞加載過(guò)程中的殘余應(yīng)變、殘余變形及剛度退化的規(guī)律，所加荷載為疲勞荷載上、下限的平均值。出現(xiàn)疲勞破壞的征兆時(shí)，適當(dāng)減小采集間隔。

2試驗(yàn)結(jié)果

2.1疲勞壽命

對(duì)6個(gè)與疲勞試驗(yàn)相同的組合梁試件進(jìn)行靜力加載，測(cè)得其極限承載力，見(jiàn)表3。疲勞荷載的上、下限由極限承載力按比例計(jì)算得到。為保證疲勞試件不進(jìn)入彈塑性階段，疲勞荷載上限約為靜力極限承載力的50%；根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，取疲勞荷載下限約為靜力極限承載力的10%。根據(jù)靜力試驗(yàn)可知FBFT-1～FBFT-3及FBFT-4～FBFT-6分別具有基本相同的承載力，為方便疲勞加載，按平均承載力計(jì)算，對(duì)FBFT-1～FBFT-3及FBFT-4～FBFT-6分別施加相同的疲勞荷載，以比較不同參數(shù)對(duì)組合梁疲勞性能的影響。主要試驗(yàn)參數(shù)及疲勞加載次數(shù)見(jiàn)表3。由表3中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，使用橡膠集料混凝土的試件FBFT-2和FBFT-5分別比使用普通混凝土的FBFT-1和FBFT-4擁有較高的疲勞壽命，壽命分別增加50%和144%，表明橡膠顆粒具有較好的變形性能，可有效降低應(yīng)力集中作用，減緩組合梁的疲勞損傷發(fā)展。FBFT-2與FBFT-3相比，剪力連接程度增加36%后，疲勞壽命增加40%，這是因?yàn)榻M合梁的破壞標(biāo)志為剪跨區(qū)栓釘疲勞剪斷，因此在部分剪力連接的組合梁中，剪力連接程度對(duì)其疲勞性能有很大影響。對(duì)比FBFT-5與FBFT-6可知，剪力連接程度相同的情況下，疲勞壽命隨栓釘直徑的增加而降低，原因是直徑增大后栓釘個(gè)數(shù)相應(yīng)減少，易導(dǎo)致較大的應(yīng)力集中，加速疲勞損傷的發(fā)展。但是，F(xiàn)BFT-4與FBFT-6具有相近的疲勞壽命，證明橡膠集料混凝土良好的抗疲勞性能可彌補(bǔ)大直徑栓釘缺陷，進(jìn)而為更大直徑栓釘?shù)膽?yīng)用提供可能。

2.2試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞模式

由于預(yù)加載時(shí)，鋼與混凝土間的自然黏結(jié)已經(jīng)失效，因此組合作用完全由栓釘提供。在疲勞加載初期，栓釘產(chǎn)生變形，支座處的鋼梁與混凝土板首先出現(xiàn)相對(duì)滑移。此后，栓釘變形增大，支座端的滑移有所增加，加載點(diǎn)下方的混凝土板出現(xiàn)細(xì)小裂縫。隨著疲勞加載次數(shù)增加，支座附近發(fā)出有規(guī)律的清脆響聲，混凝土板掀起明顯，可觀察到支座處的栓釘已被剪斷，剪跨區(qū)滑移由支座端向跨中發(fā)展，組合作用被削弱，加載點(diǎn)下方混凝土的裂縫貫穿板底。破壞時(shí)，混凝土裂縫寬度增大，滑移已由支座向跨中延伸至約1 200 mm處，掀起與滑移變形極大，可觀察到剪跨區(qū)栓釘全部剪斷，此時(shí)鋼梁沒(méi)有明顯變形，但由于組合作用完全喪失，因此判定組合梁疲勞破壞，如圖7所示。這也說(shuō)明，疲勞破壞時(shí)，組合梁退化為鋼梁，軋制鋼材疲勞性能較好，且可以承受疲勞上限，所以結(jié)構(gòu)具備較大的后續(xù)疲勞承載能力。因此，試驗(yàn)所測(cè)壽命僅為組合梁的疲勞壽命，而并非結(jié)構(gòu)的全壽命。

組合梁疲勞破壞模式與靜力破壞有很大差別。承受靜力荷載時(shí)，組合梁跨中有明顯撓曲變形，最終破壞形式為跨中鋼梁屈服，混凝土板壓碎，但栓釘基本沒(méi)有破壞，如圖8所示。承受疲勞荷載時(shí)，6個(gè)試件的破壞模式均為剪跨區(qū)栓釘全部剪斷，破壞時(shí)鋼梁沒(méi)有屈服，詳見(jiàn)圖9。

試驗(yàn)中栓釘?shù)钠诩魯嗥茐哪Ｊ街饕袌D10中的3種：栓釘桿中下部剪切破壞（圖10（a））、栓釘根部釘桿剪切破壞（圖10（b））、栓釘焊縫撕裂破壞（圖10（c））。前兩種破壞模式為正常疲勞破壞，第三種破壞模式是由焊接缺陷導(dǎo)致的，對(duì)栓釘疲勞性能有很大削弱。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)大部分栓釘發(fā)生第二種破壞，但仍有一定數(shù)量的栓釘發(fā)生第三種破壞。當(dāng)栓釘發(fā)生前兩種破壞時(shí)，釘桿均可產(chǎn)生圖11所示截面，從圖中可以看出，疲勞源位于栓釘表面，疲勞裂縫擴(kuò)展區(qū)內(nèi)有明顯的疲勞臺(tái)階，裂縫擴(kuò)展區(qū)與瞬斷區(qū)的面積比約為5：1，表明栓釘有較好的塑性。

在疲勞過(guò)程中，由于端部栓釘逐步剪斷，剪跨區(qū)的混凝土板受力很小，趨于自由狀態(tài)，因此僅在純彎段的加載點(diǎn)附近受力較大并出現(xiàn)裂縫，裂縫分布如圖12所示。圖12（a）與（b）～（e）對(duì)比可知普通混凝土組合梁的主要裂縫僅有一條，裂縫寬度較大，損傷嚴(yán)重，而橡膠集料混凝土組合梁的裂縫相對(duì)細(xì)小，且分布均勻，沒(méi)有發(fā)生致命的集中破壞；由圖12（b）與（c）可以看出，當(dāng)所用栓釘和混凝土相同時(shí)，剪力連接程度小的組合梁裂縫數(shù)量較多；由圖12（d）與（e）比較可知，所用混凝土與剪力連接程度相同時(shí)，大直徑栓釘會(huì)導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂時(shí)間過(guò)早，但對(duì)裂縫的數(shù)量沒(méi)有明顯影響。

3試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1跨中截面混凝土應(yīng)變沿梁截面高度變化規(guī)律

大量已有靜力試驗(yàn)證明，組合梁在承受靜力荷載且處于正常工作狀態(tài)時(shí)，全截面均符合平截面假定，即混凝土板與鋼梁可以共同受力，所受應(yīng)力示意圖見(jiàn)圖13（a）；當(dāng)靜力構(gòu)件進(jìn)入塑性階段或剪力連接件變形過(guò)大時(shí)，組合梁不符合平截面假定，混凝土板與鋼梁不完全連接，并產(chǎn)生2個(gè)中性軸，受力狀態(tài)如圖13（b）所示；當(dāng)沒(méi)有剪力連接時(shí)，混凝土板與鋼梁完全獨(dú)立工作，如圖13（c）所示。

為研究疲勞荷載下組合梁受力性能，在試件跨中混凝土板側(cè)面粘貼應(yīng)變片。由試件尺寸計(jì)算可知疲勞試驗(yàn)所用組合梁屬于圖13（a）中所示第二種情況，相應(yīng)的靜力試驗(yàn)也可表明混凝土板在加載過(guò)程中全部受壓，即中性軸位于鋼梁截面內(nèi)，因此若疲勞試驗(yàn)測(cè)得混凝土板受拉應(yīng)力，則可判定組合梁處于不完全連接狀態(tài)。

圖14所示為不同荷載循環(huán)次數(shù)下，F(xiàn)BFT-1混凝土板的應(yīng)變?cè)诳缰薪孛嫜亟孛娓叨鹊淖兓?guī)律。

從圖14中可以看出，應(yīng)變沿混凝土板截面高度的分布基本為直線，表明疲勞過(guò)程中，平截面假定在混凝土板內(nèi)可假設(shè)成立。數(shù)據(jù)顯示混凝土板在疲勞加載前全截面受壓，板與鋼梁可協(xié)同受力，但荷載循環(huán)僅0.3萬(wàn)次后，混凝土板底部出現(xiàn)拉應(yīng)力，說(shuō)明組合作用被削弱，板內(nèi)中性軸位置接近板底；疲勞加載2萬(wàn)次后，剪力連接鍵進(jìn)一步破壞，應(yīng)變片C2所測(cè)數(shù)據(jù)基本為零，分析可知板內(nèi)中性軸上移至C2處；試件發(fā)生疲勞破壞時(shí)的靜力加載數(shù)據(jù)顯示，中性軸繼續(xù)上移，位置靠近混凝土板的中心軸，表明剪力連接鍵已基本失效，試件受力模式接近圖13（c）所示疊合梁。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，其余試件中混凝土板應(yīng)變的變化規(guī)律基本與FBFT-1相同。綜上可知，部分剪力連接的組合梁在0萬(wàn)次靜力荷載下組合作用完好，受到疲勞荷載后，組合作用迅速退化，在全部疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，組合梁不符合平截面假定，處于不完全連接的狀態(tài)。此外，0萬(wàn)次所測(cè)荷載應(yīng)變曲線呈線性分布，試件可沿加載路徑卸載，表明試件在相應(yīng)荷載下處于彈性階段，但經(jīng)歷疲勞循環(huán)后，試件在相同荷載下出現(xiàn)明顯的彈塑性階段和“滯回現(xiàn)象”，且加載次數(shù)越大，試件的塑性特征越明顯。

圖15所示為混凝土板中性軸高度h_n隨疲勞荷載循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，其中h_n為中性軸位置與板底的間距，若混凝土板全截面受壓，則中性軸高度為負(fù)。由于試件FBFT-3的應(yīng)變片在測(cè)量中損壞嚴(yán)重，采集數(shù)據(jù)變異較大，將其剔除。由圖14可以看出，試件FBFT-1～FBFT-2與FBFT-4～FBFT-6分別具有基本相同的曲線，表明若組合梁截面尺寸相同，則板內(nèi)中性軸發(fā)展規(guī)律基本相同，栓釘直徑、剪力連接程度和橡膠集料混凝土均未對(duì)其產(chǎn)生影響。

3.2疲勞破壞標(biāo)準(zhǔn)

雖然疲勞破壞一般為脆性破壞，但是與其他結(jié)構(gòu)相比，混凝土組合梁疲勞破壞時(shí)有較大延性。這是因?yàn)榻M合梁中栓釘從支座端向跨中依次破壞，構(gòu)件中栓釘數(shù)量較多，且每個(gè)栓釘?shù)钠茐木杞?jīng)歷足夠的荷載循環(huán)次數(shù)，因此結(jié)構(gòu)可進(jìn)行多次應(yīng)力重分布。此外，型鋼鋼梁的抗疲勞性能較好，在剪跨區(qū)栓釘全部剪斷，混凝土板完全失效的情況下，只有鋼梁?jiǎn)为?dú)受力也能承受最大疲勞荷載。這也說(shuō)明，以結(jié)構(gòu)不能承受最大疲勞荷載來(lái)判定其最終破壞并不適用，試驗(yàn)中以剪跨段栓釘全部剪斷為標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)定結(jié)構(gòu)破壞，但因該現(xiàn)象在實(shí)際結(jié)構(gòu)中不易觀察，故此判定方法缺乏廣泛適用性。

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，不同試件混凝土板的中性軸在疲勞過(guò)程中有相似的發(fā)展規(guī)律。由圖15可見(jiàn)，相同尺寸的組合梁試件在疲勞破壞前具有相近的中性軸高度。為方便比較不同尺寸的試件，定義中性軸高度系數(shù)ξ=h_n/h，其中h為混凝土板高度。疲勞破壞時(shí)，F(xiàn)BFT-1～FBFT-2的平均中性軸高度系數(shù)為0.411，F(xiàn)BFT-4～FBFT-6的平均值為0.403。在5個(gè)試件疲勞破壞前，中性軸高度系數(shù)都發(fā)展至一個(gè)定值，因此可將其作為輔助判定構(gòu)件疲勞破壞的標(biāo)準(zhǔn)。

3.3殘余變形

雖然試驗(yàn)進(jìn)行等幅疲勞加載，且疲勞上限小于比例極限荷載，即試件處于彈性階段，但由于疲勞損傷不斷累積，疲勞荷載同樣使組合梁產(chǎn)生不可恢復(fù)的殘余變形。在疲勞試驗(yàn)中，加載至一定次數(shù)后停機(jī)，對(duì)組合梁施加不破壞的靜力荷載，可得到不同加載次數(shù)下試件的滑移和撓度。

圖16所示為一個(gè)典型試件的荷載滑移曲線。由圖可知，由于疲勞損傷，試件在卸載后有不可恢復(fù)的殘余變形。由于位移計(jì)在疲勞加載過(guò)程中受到擾動(dòng)，試件FBFT-3的測(cè)量結(jié)果誤差較大，將其剔除后，剩余5個(gè)試件的殘余滑移隨加載次數(shù)的發(fā)展曲線如圖17所示。為方便比較，以試件最終壽命為參考，對(duì)荷載作用次數(shù)進(jìn)行歸一化處理，其中Ni為加載過(guò)程中的荷載循環(huán)次數(shù)，N為破壞時(shí)荷載循環(huán)次數(shù)。

由圖17可知，殘余滑移的發(fā)展過(guò)程明顯可分為3個(gè)階段：第工階段為疲勞損傷萌生階段，殘余滑移在加載初期急劇增長(zhǎng)；第Ⅱ階段為疲勞損傷發(fā)展階段，試件進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，滑移增長(zhǎng)趨勢(shì)較慢；第Ⅲ階段為疲勞破壞階段，加載后期由于剩余的抗剪栓釘數(shù)量較少，且有效截面很小，殘余滑移迅速發(fā)展，出現(xiàn)突變，隨即發(fā)生疲勞破壞。第工階段和第Ⅲ階段各占總壽命的約5%，第Ⅱ階段約占總壽命的90%。

試件的跨中撓度通過(guò)位移計(jì)定時(shí)采集，殘余撓度隨加載次數(shù)的變化曲線如圖18所示。

殘余撓度在試件開(kāi)始經(jīng)歷循環(huán)荷載后（約1萬(wàn)次內(nèi)）迅速增加，后進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展階段，符合疲勞試驗(yàn)的一般規(guī)律。但與殘余滑移不同，組合梁的殘余撓度在試件疲勞破壞前沒(méi)有發(fā)生明顯增大，這是因?yàn)槠谄茐臅r(shí)栓釘剪斷，剪跨區(qū)混凝土板退出工作，但鋼梁和純彎段部分的混凝土板仍然可以繼續(xù)承受疲勞荷載，因此試件撓度在破壞時(shí)沒(méi)有突變。

圖17和圖18中數(shù)據(jù)顯示，F(xiàn)BFT-1和FBFT-2的殘余滑移和撓度均大于FBFT-4～FBFT-6。主要原因?yàn)殇摿航孛嫦鄬?duì)較小，導(dǎo)致組合梁中性軸位置上移較多，則栓釘更靠近中性軸，所受剪力相對(duì)較大，因此試件更容易產(chǎn)生變形。分別對(duì)比FBFT-1與FBFT-2，F(xiàn)BFT-4與FBFT-5，由于彈性混凝土有較好的變形能力，代替普通混凝土后，組合梁在第Ⅱ階段的殘余滑移分別增大約27%和56%，殘余撓度增加約45%和72%，體現(xiàn)出更好的延性。由FBFT-6與FBFT-5相比可知，抗剪連接程度相同的情況下，增大栓釘直徑后，F(xiàn)BFT-6第Ⅱ階段殘余滑移和殘余撓度均降低約64%，說(shuō)明大直徑栓釘可導(dǎo)致組合梁延性的降低。此外，F(xiàn)BFT-6比FBFT-4的殘余滑移和殘余撓度僅分別降低了25%和38%，表明彈性混凝土的使用可以在一定程度上彌補(bǔ)大直徑栓釘造成的脆性。

3.4剛度退化

組合梁試件在疲勞加載過(guò)程中，滑移剛度和彎曲剛度都會(huì)發(fā)生不同程度的退化。根據(jù)疲勞加載過(guò)程中停機(jī)測(cè)得的靜力數(shù)據(jù)，計(jì)算組合梁在不同荷載循環(huán)次數(shù)下的割線滑移剛度和彎曲剛度的退化程度，見(jiàn)表4。

組合梁在疲勞荷載下的彎曲剛度退化規(guī)律與滑移剛度相似，雖然各試件的壽命不同，但所有試件的滑移剛度退化均集中發(fā)生在2萬(wàn)次內(nèi)。由于栓釘發(fā)生疲勞剪切破壞，而鋼梁并沒(méi)有明顯的彎曲破壞，因此滑移剛度的退化程度遠(yuǎn)大于彎曲剛度。荷載循環(huán)2萬(wàn)次后，彎曲剛度基本保持不變，退化十分緩慢，且破壞時(shí)剛度與2萬(wàn)次時(shí)剛度基本相同，疲勞破壞前沒(méi)有發(fā)生突變。

對(duì)于鋼梁截面不同的FBFT-1～FBFT-3和FBFT-4～FBFT-6，鋼梁截面較小的試件FBFT-1～FBFT-3具有明顯較小的初始滑移剛度和彎曲剛度。此外，鋼梁尺寸對(duì)剛度的退化幅度有一定影響。2萬(wàn)次時(shí)FBFT-1～FBFT-3的滑移剛度降低約87%，但FBFT-4～FBFT-6的剛度只降低約78%。這是因?yàn)殇摿撼叽绮煌ㄡ斔芗袅Σ煌?。FBFT-1～FBFT-3的彎曲剛度降低約30%，而FBFT-4～FBFT-6的剛度降低約26%。彎曲剛度主要由鋼梁截面控制，在試驗(yàn)中，疲勞荷載對(duì)混凝土及栓釘?shù)膿p傷較大，對(duì)軋制鋼梁的影響較小，因而鋼梁截面相對(duì)較大的后3組試件能更好地抵抗損傷引起的彎曲剛度退化。

分別對(duì)比FBFT-1和FBFT-2，F(xiàn)BFT-4和FBFT-5可知，由于彈性混凝土的彈性模量降低，組合梁的初始滑移剛度和彎曲剛度降低15%～23%。彈性混凝土對(duì)組合梁滑移剛度的退化幅度基本沒(méi)有影響，但會(huì)導(dǎo)致彎曲剛度退化加劇。

對(duì)比FBFT-2和FBFT-3可知，增大組合梁的剪力連接程度可有效增大初始彎曲剛度，增幅分別約為14%和25%。同時(shí)由于栓釘抗剪能力增強(qiáng)，可以使滑移剛度和彎曲剛度的退化分別降低2%～7%。

FBFT-5和FBFT-6的試驗(yàn)結(jié)果表明，如果剪力連接程度相同，栓釘直徑對(duì)組合梁的滑移剛度退化程度基本沒(méi)有影響。但較大直徑的栓釘有利于提高組合梁的初始剛度，降低彎曲剛度的退化程度。

4結(jié)論

本文對(duì)6個(gè)橡膠集料混凝土與鋼組合梁試件開(kāi)展了疲勞試驗(yàn)研究。在此基礎(chǔ)上通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析得出如下結(jié)論：

1）組合梁的疲勞破壞模式為栓釘剪斷和混凝土開(kāi)裂，試件可進(jìn)行多次應(yīng)力重分布，其疲勞破壞有一定的延性，且破壞后仍有較高的承載力，疲勞破壞后強(qiáng)度儲(chǔ)備較大。

2）在疲勞過(guò)程中，部分剪力連接的組合梁不符合平截面假定，混凝土板與鋼梁不能共同受力，分別具有一個(gè)中性軸。板內(nèi)中性軸在疲勞作用下不斷上移，當(dāng)中性軸高度系數(shù)達(dá)到0.4時(shí)，試件發(fā)生疲勞破壞。

3）橡膠混凝土組合梁能有效推遲混凝土裂縫出現(xiàn)的時(shí)間，減小裂縫寬度，顯著提高組合梁抗疲勞性能；較大的剪力連接程度對(duì)靜力性能影響很小，卻可增加組合梁的抗疲勞能力，因此承受較大疲勞荷載的結(jié)構(gòu)宜采用剪力連接程度較高的組合梁；此外，較大的栓釘直徑會(huì)加劇應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致組合梁疲勞壽命降低，但該不利影響可被橡膠集料混凝土降低，從而促進(jìn)大直徑栓釘?shù)膽?yīng)用。

4）在疲勞試驗(yàn)初期，組合梁的殘余滑移和殘余撓度均有較大的發(fā)展，但在疲勞破壞前，殘余滑移迅速增大，殘余撓度沒(méi)有發(fā)生明顯變化，也說(shuō)明組合梁的疲勞破壞具有一定的延性。橡膠集料混凝土可增大試件在損傷發(fā)展階段的殘余滑移和撓度，表現(xiàn)出更好的塑性；相反，使用大直徑栓釘?shù)慕M合梁在損傷發(fā)展階段變形較小，延性略差。

5）滑移剛度和彎曲剛度在疲勞初期有較大退化，此后保持相對(duì)穩(wěn)定，破壞前沒(méi)有突然性的降低，說(shuō)明在疲勞荷載作用下，組合梁有較好的保持剛度的能力。試驗(yàn)表明，剪力連接程度越高，則彎曲剛度退化越慢；橡膠集料混凝土可使組合梁初始剛度降低，剛度退化略有增大，但由于其較好的抗疲勞性能，在剛度滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，仍可用于組合梁結(jié)構(gòu)來(lái)改善其抗疲勞性能。