超載對(duì)鋼-混凝土組合梁橋疲勞力學(xué)性能影響分析

郭至博　孟令佩　卜建清　張吉仁　荀敬川

關(guān)鍵詞：橋涵工程;鋼-混凝土組合梁;疲勞剛度;剩余承載力;車輛超載

中圖分類號(hào)：U441.4;TU398 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI： 10.7535/hbgykj.2023yx01001

鋼-混凝土組合梁橋是通過剪力連接件將混凝土與鋼梁連接而成的組合結(jié)構(gòu)[1]。大量的工程實(shí)踐表明，鋼-混凝土組合梁橋有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、施工迅速快捷、經(jīng)濟(jì)效益好、造型美觀等優(yōu)點(diǎn)，正逐步成為常規(guī)跨徑橋梁建設(shè)中極富競(jìng)爭(zhēng)力的橋型[2-5]。但在荷載的反復(fù)作用，尤其是超載車輛的作用，會(huì)加劇結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞剛度和剩余承載力等力學(xué)性能造成顯著影響[6-8]。

針對(duì)鋼-混凝土組合梁剛度計(jì)算，王景全等[9]采用有效剛度法對(duì)組合梁撓度計(jì)算的組合系數(shù)進(jìn)行了推導(dǎo)，將考慮不同抗剪連接度的組合梁撓度計(jì)算統(tǒng)一起來，算例計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。聶建國(guó)等[10]提出了跨中殘余撓度的計(jì)算公式，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性?，F(xiàn)有規(guī)范采用折減剛度法對(duì)組合梁靜載撓度進(jìn)行計(jì)算，其中剛度折減系數(shù)的計(jì)算尚缺乏完整的理論依據(jù)，在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性[11]，尤其當(dāng)鋼-混凝土組合梁抗剪連接度較大或承受荷載較大時(shí)，該方法的誤差較為明顯。圍繞鋼-混凝土組合梁承載力計(jì)算方法，汪炳[12]基于混凝土板、鋼梁及栓釘?shù)氖Ｓ鄰?qiáng)度和剩余剛度模型，提出了不同抗剪連接度下栓釘式與PBL式組合梁剩余承載力的計(jì)算方法。項(xiàng)貽強(qiáng)等[13]將栓釘初始缺陷考慮在內(nèi)，提出了改進(jìn)的栓釘式鋼-混凝土組合梁剩余承載力計(jì)算方法。

綜上可見，目前鋼-混凝土組合梁疲勞變形計(jì)算方法仍存在一定缺陷，且超載對(duì)鋼-混凝土組合梁橋力學(xué)性能的影響鮮有研究。車輛超載問題的存在會(huì)加速鋼-混凝土組合梁橋的力學(xué)性能退化。本文引進(jìn)新的理論計(jì)算方法用于鋼-混凝土組合梁疲勞剛度計(jì)算，通過疲勞荷載計(jì)算模型量化分析超載車輛的荷載放大效應(yīng)，并以某簡(jiǎn)支鋼-混凝土組合梁橋?yàn)槔治霾煌d程度下該橋疲勞剛度、抗剪連接度與剩余承載力的退化規(guī)律。

1 鋼-混凝土組合梁疲勞剛度的計(jì)算

在疲勞荷載作用下，組合梁剛度不斷退化，加載n 次后組合梁疲勞剛度定義式如式（1）所示。

1.1 鋼-混凝土組合梁靜載撓度的計(jì)算

已有研究表明，若在設(shè)計(jì)中按照靜力方法計(jì)算鋼-混凝土組合梁疲勞剛度，得到組合梁的變形值小于實(shí)際值，使得設(shè)計(jì)偏于不安全[13]。本文通過引入文獻(xiàn)[14]中提出的改進(jìn)折減剛度法對(duì)組合梁靜載撓度fe 進(jìn)行計(jì)算，該方法將有效剛度作為考慮滑移效應(yīng)的折減剛度，且在剛度折減系數(shù)的計(jì)算中引入計(jì)算長(zhǎng)度因子，如式（2）—式（5）所示：

1.3 算例驗(yàn)證

選取文獻(xiàn)[20]中的4根試驗(yàn)梁，驗(yàn)證本文第1節(jié)方法的有效性，將試驗(yàn)所測(cè)撓度與采用文獻(xiàn)[20]及本文方法的計(jì)算結(jié)果相對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，本文方法計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[20]方法計(jì)算結(jié)果吻合良好，文獻(xiàn)[20]所用方法最大誤差為26%，而本文計(jì)算方法的最大誤差控制在12%以內(nèi)，2種計(jì)算方法的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之比均接近1，而本文所用方法得到的計(jì)算結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差小于文獻(xiàn)[20]計(jì)算方法的標(biāo)準(zhǔn)差，由此可見，本文計(jì)算方法不僅精度較高，且離散性較小，針對(duì)鋼-混凝土組合梁撓度可進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。

2 鋼-混凝土組合梁剩余承載力的計(jì)算

2.1 材料力學(xué)性能退化模型

以文獻(xiàn)[12]所給的剩余承載力計(jì)算方法為基礎(chǔ)，基于各材料力學(xué)性能退化模型和精度更高的栓釘承載力退化模型，給出了不同抗剪連接度下鋼-混凝土組合梁剩余承載力的計(jì)算公式。

3.3 車輛超載對(duì)疲勞力學(xué)性能的影響分析

以橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期100 a為計(jì)算終點(diǎn)，加載間隔為5 a，采用文獻(xiàn)[26]中日交通量為9 304輛，車輛年作用次數(shù)為3 395 960次，計(jì)算得組合梁橋算例在不同服役期下的疲勞剛度值，如圖8所示。

從圖8 中可以看出：隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加，鋼-混凝土組合梁橋處于正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)時(shí)其疲勞剛度退化曲線斜率較小，說明該狀態(tài)下剛度退化較為緩慢;處于一般超載狀態(tài)下的鋼-混凝土組合梁橋疲勞剛度退化曲線在加載初、中期曲線的斜率較小，說明剛度退化速率較緩，水平較低，而加載末期曲線的斜率較大，說明剛度退化速率較大，水平較高;處于嚴(yán)重超載狀態(tài)下的鋼-混凝土組合梁橋疲勞剛度退化曲線呈拋物線形，曲線斜率隨運(yùn)營(yíng)時(shí)間不斷增大，退化速率不斷增加。結(jié)果表明超載對(duì)組合梁橋疲勞剛度的退化規(guī)律影響顯著，因此在提高橋梁抗疲勞性能的同時(shí)必須加大對(duì)此超載問題的處置力度，從而保證橋梁的可靠性。

隨著服役年限的增加，組合梁橋栓釘承載力與抗剪連接度均會(huì)產(chǎn)生變化，組合梁橋算例的栓釘抗剪連接度和剩余承載力變化曲線如圖9、圖10所示。由圖9可知，本文橋梁算例中初始抗剪連接度為3.728，而隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間與超載程度的增加，栓釘?shù)某休d能力明顯下降，組合梁橋抗剪連接度逐漸降低，但不同運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的抗剪連接度均保持在完全抗剪連接范圍。在目前實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)中，栓釘設(shè)計(jì)均按照完全抗剪連接程度設(shè)計(jì)，即栓釘數(shù)量與單個(gè)栓釘抗剪承載力均遠(yuǎn)高于規(guī)范要求，體現(xiàn)為抗剪連接程度均遠(yuǎn)高于1。

由于不同超載狀態(tài)下組合梁橋算例抗剪連接度始終大于1，因此采用完全抗剪連接時(shí)的組合梁剩余承載力計(jì)算公式可得組合梁橋算例的剩余承載力變化曲線，如圖11所示。從圖11中可以看出：隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加，3種不同運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下鋼-混凝土組合梁橋剩余承載力的退化曲線均大致呈直線型，說明剩余承載力的退化速率較為穩(wěn)定，但組合梁橋剩余承載力退化曲線的斜率隨著超載程度的加深而不斷增大，表明超載運(yùn)營(yíng)將加重和加速組合梁橋剩余承載力的退化，顯著降低組合梁橋的結(jié)構(gòu)抗力。

4 結(jié)語

通過理論分析與實(shí)證研究揭示了車輛超載對(duì)鋼-混凝土組合梁疲勞剛度、抗剪連接度及剩余承載力的影響規(guī)律，研究了不同超載程度對(duì)其疲勞剛度、抗剪連接度及剩余承載力的影響規(guī)律，主要研究結(jié)論如下。

1）采用本文提出的組合梁疲勞變形計(jì)算方法對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)中的算例進(jìn)行計(jì)算，最大誤差在12%以內(nèi)，采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行計(jì)算時(shí)最大誤差為26%，且本文所用方法的標(biāo)準(zhǔn)差小于傳統(tǒng)方法。與傳統(tǒng)方法相比，本文提出的組合梁疲勞變形計(jì)算方法離散性較小且計(jì)算精度高，可對(duì)組合梁撓度進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。

2）與以往考慮橋梁受活載作用相比，在已有活載影響修正系數(shù)的基礎(chǔ)上提出的超載車輛影響修正系數(shù)，充分考慮了超載車輛對(duì)橋梁荷載效應(yīng)的影響，使得研究更貼合實(shí)際;并計(jì)算得到正常運(yùn)營(yíng)、一般超載與嚴(yán)重超載3種不同超載程度下橋梁的疲勞荷載幅值，荷載幅值上限均為502 kN，下限分別為877，963，1027 kN。

3）超載車輛對(duì)組合梁橋疲勞剛度及剩余承載力影響顯著，隨著超載程度增大，組合梁橋疲勞剛度、抗剪連接度及剩余承載力的退化速率與退化量均呈增大趨勢(shì)。組合梁橋疲勞剛度退化曲線出現(xiàn)急劇下降段，且抗剪連接度與剩余承載力退化曲線均呈直線型。

論文根據(jù)等效損傷理論將隨機(jī)疲勞荷載轉(zhuǎn)化為常幅疲勞荷載進(jìn)行研究，為使得加載工況更貼合實(shí)際，今后應(yīng)對(duì)隨機(jī)荷載作用下的鋼-混凝土組合梁橋疲勞力學(xué)性能展開研究，并探索適用于鋼-混凝土組合梁橋的非線性疲勞累積損傷理論。