關于鋼-混凝土組合梁疲勞性能研究的闡述

劉殿忠 陳泳先

（吉林建筑大學， 吉林 長春 132000）

0 引言

鋼-混凝土組合梁的初期模型并無抗剪連接件進行連接的外包混凝土工字梁，國內(nèi)對于組合梁的試驗科研開始于70 年代末期，近幾十年來，鋼-混凝土組合梁發(fā)展迅速并普遍應用于重工業(yè)廠房、新型住宅等范圍。鋼梁與混凝土板之間相互作用通過剪力鏈接件形成組合梁，鋼梁的形式主要分為工字鋼、槽鋼和箱型鋼梁，混凝土板采用的工藝可以是預制工藝或者現(xiàn)澆工藝。鋼-混凝土組合梁的特點是，鋼梁位于下部受剪力與拉力，混凝土板位于上部受壓力，混凝土板避免了鋼梁受壓的側(cè)向位移，防止失穩(wěn)。相比與鋼筋混凝土梁，組合梁結(jié)構(gòu)樓蓋的高度減小,自身重量減小，從而減小地震帶來的副作用，有效增加使用空間，縮短施工周期。鋼梁為了保持整體的穩(wěn)定性和加強構(gòu)件之間的連接性，需要增加形式復雜多樣的構(gòu)件，因而構(gòu)造上比組合梁結(jié)構(gòu)更為嚴格也更為復雜，相比較來說，組合梁構(gòu)造簡單，造價也更為低廉，在降低了結(jié)構(gòu)高度的同時還增大了剛度，在一定程度上減少用鋼量，極大提高了結(jié)構(gòu)的、防火性、耐腐蝕性。當前，國內(nèi)對鋼-混凝土組合梁的科研方向著重于靜力方向，對疲勞性能的研究還不夠，仍需完善相關規(guī)范中關于疲勞性能的規(guī)章制度。

1 鋼-混凝土組合梁的研究

1.1 對于普通鋼-混凝土組合梁的疲勞性能研究

鋼-混凝土組合梁的疲勞性能是指在低于靜載強度下，受到交變載荷作用，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷變化，同時材料也發(fā)生性能優(yōu)劣變化直至失效。除材料特性、混凝土配合比、時間可以影響組合梁的疲勞性能外，更重要因素的是組合梁結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)、荷載循環(huán)特性以及荷載頻率。程玉琨[1]從鋼-混凝土組合連續(xù)梁橋的負彎矩區(qū)考慮，進行抗疲勞性能研究，建立了倒U 形框架有限元模型，分析比較了組合梁側(cè)向扭轉(zhuǎn)屈曲的彈性臨界彎矩Mcr,得出鋼梁的高度越低,臨界彎矩越大,組合梁越容易發(fā)生疲勞破壞,建議通過增加鋼梁的高度來增強組合梁的疲勞性能。

以簡支鋼-混凝土疊合板的組合梁為例，進行疲勞破壞形態(tài)分析，組合梁的破壞形態(tài)分為三種，組合梁的彎曲破壞是首先中間鋼梁受疲勞荷載產(chǎn)生屈服，然后混凝土翼板破壞，剪跨段出現(xiàn)豎向裂縫，當荷載達到45%的極限荷載時，鋼梁與混凝土翼板產(chǎn)生小幅度的滑移，直到荷載達到80%的極限荷載時，混凝土翼板在跨中的橫向線中有明顯的裂縫。組合梁的彎剪破壞是當荷載達到75%的極限荷載時，混凝土側(cè)面產(chǎn)生開裂從底部擴展到上部，隨著荷載的加大，縱向剪切裂縫向支座進行擴展，但對組合梁承載力沒有明顯影響。組合梁的縱向剪切破壞是當荷載達到90%的極限荷載時,縱向剪切裂縫已經(jīng)穿透剪跨區(qū)域,對結(jié)構(gòu)的剛度產(chǎn)生影響。曹團結(jié)[2]對ECC 組合梁與普通鋼筋混凝土組合梁進行疲勞荷載作用下塑形損傷的對比,得出了荷載作用次數(shù)為100 時,普通鋼筋混凝土組合梁沒有疲勞損傷,當荷載作用次數(shù)為1000、5000 次時，普通鋼筋混凝土組合梁的最大損傷均發(fā)生在純彎段的受拉區(qū)域。運用相似方法，張大付[3]使用MATLAB 數(shù)值分析軟件，繪制了混凝土強度與疲勞累積損傷的函數(shù)圖，得出疲勞累積損傷減弱是由于混凝土強度等級的增加。同時建立組合箱梁模型，分析鋼箱梁高度、混凝土翼板厚度等要素，得出了組合箱梁的疲勞性能主要受混凝土梁翼板厚度和翼板跨度因素影響，改變混凝土的強度等級和鋼箱梁的高度意義不大，所以建議在工程應用上，主要考慮提高混凝土梁翼板的厚度從而增強組合箱梁的疲勞性能。

1.2 對于預應力鋼-混凝土組合梁的疲勞性能研究

在鋼構(gòu)件上施加中心壓力或者偏心壓力，作用是預先反向變形來抵抗正向變形趨勢，由于預應力的施加，組合梁在受到外荷載作用時，應力被界定在一定的區(qū)域內(nèi)，預應力的施加增大了材料的彈性范圍，增強組合梁的疲勞性能，充分地發(fā)揮高強材料特性?；趶椝苄杂邢拮冃卫碚摚谥芗t[4]對組合梁的討論顯示，預應力能夠減少由工作荷載引起的拉應力，同時還能最大程度削弱應力幅, 從而避免構(gòu)件開裂，延長組合梁的使用時間。在連續(xù)組合梁中,因為混凝土負彎矩區(qū)的約束，采用預應力可以解決構(gòu)件橫向開裂的問題，增強負彎矩區(qū)混凝土的受力性能。同時，宗周紅[5]還采用兩點集中加載的方式對組合梁進行疲勞試驗，實驗結(jié)果指出，預應力的施加能夠改變疲勞階段單一的拉應力循環(huán)，使鋼梁更好的受力，同時使截面內(nèi)力由混凝土板向鋼梁的重分布，讓組合梁整體剛度顯著提升，疲勞強度增大。

1.3 對于鋼-混凝土組合梁栓釘連接件的疲勞性能研究

抗剪連接件是影響組合梁疲勞性能的重要原因，在普遍狀況下，組合梁發(fā)生疲勞失效是由剪力連接件的剪切疲勞失效引起的。依據(jù)變形能力大小抗剪連接件分為剛性和柔性，柔性連接件的優(yōu)勢在于其抗剪承載力不會因為出現(xiàn)滑移現(xiàn)象而減小。栓釘連接件作為柔性連接件中的一種，相比于槽鋼和彎起鋼筋在承擔同樣剪力時的用鋼量最小，同時易于工業(yè)化、產(chǎn)品化，受力性能好，對混凝土板中鋼筋布置的影響較小。

余浩瀚[6]通過ABAQUS 有限元分析軟件,建立了十組模型研究栓釘?shù)目辜舫休d力影響因素，分析得出混凝土強度等級對栓釘抗剪承載力雖有加強但效果并不顯著，通過補充栓釘?shù)膫€數(shù)也不能顯著的提高栓釘?shù)目辜舫休d力，在實際工程應用中，主要要通過增加栓釘?shù)闹睆胶颓姸葟亩訌姵休d力。林廣泰[7]分別對現(xiàn)澆工藝與預制工藝的兩種鋼-混凝土組合梁,進行單調(diào)靜力加載試驗及等幅疲勞加載試驗，通過繪制栓釘滑移距離與加載次數(shù)的函數(shù)圖像，分析了栓釘疲勞性能的三個階段，第一階段為前5 萬次疲勞荷載循環(huán)，在第一階段栓釘?shù)幕凭嚯x增加緩慢，第二階段為5 萬次到20 萬次的疲勞荷載循環(huán)，在第二階段栓釘?shù)幕凭嚯x成線性快速增加，第三階段為20 萬次到50 萬次的疲勞荷載循環(huán)，在第三階段，栓釘?shù)目辜粜阅苡捎谄诜e累已經(jīng)發(fā)生了明顯的退化，從而造成組合梁整體剛度降低。最終結(jié)果顯示，預制工藝與現(xiàn)澆工藝組合梁中抗剪栓釘連接件的剛度都根據(jù)疲勞荷載循環(huán)頻率的提高而減小，但現(xiàn)澆工藝的鋼-混凝土組合梁的栓釘剛度下降比較慢，疲勞壽命長。

2 對于鋼-混凝土組合梁疲勞性能研究的總結(jié)與展望

國內(nèi)外對組合梁的研究正在持續(xù)進行，但對于疲勞性能的研究還遠遠不夠，雖然目前很多工程中的組合梁沒有出現(xiàn)疲勞破壞，但是組合梁的疲勞性問題會隨著時間的演化逐漸顯現(xiàn)，隨著科研技術的發(fā)展與創(chuàng)新，對于組合梁要進行各種環(huán)境、不同破壞因素的疲勞分析。