鋼-混凝土組合梁疲勞性能研究

鋼-混凝土組合梁疲勞性能研究

鋼-混凝土組合梁是指鋼梁和混凝土板（或組合板）通過切力連接完成的整體。由于組合梁具有承載力高、剛度大、穩(wěn)定性好以及施工方便等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)廣泛應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)和建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。橋梁結(jié)構(gòu)除了承受靜載作用之外,還承受循環(huán)荷載的作用。尤其是鐵路橋梁,由列車經(jīng)過而產(chǎn)生的荷載變化量通常占總設(shè)計(jì)荷載的70%左右;工業(yè)廠房中的組合吊車梁在承受吊車荷載作用時(shí),也可能產(chǎn)生疲勞破壞。組合梁在20世紀(jì)五、六十年代開始應(yīng)用于實(shí)際工程,但到目前為止國內(nèi)外有關(guān)鋼-混凝土組合梁研究主要集中于靜力承載力以及靜力剛度等問題,取得了豐碩的成果,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐。由于組合梁使用時(shí)間不長,遠(yuǎn)未到達(dá)其疲勞壽命,因此還沒有一起組合橋梁和組合吊車梁的疲勞破壞事故發(fā)生,疲勞荷載對組合梁造成的影響還未充分表現(xiàn)出來。隨著人們對結(jié)構(gòu)疲勞問題的認(rèn)識(shí)逐漸深入,組合梁的疲勞問題開始引起人們的重視。國內(nèi)外學(xué)者在組合梁疲勞方面的研究已經(jīng)取得了不少成果,并已形成計(jì)算方法體系,各國規(guī)范也有比較完整的規(guī)范條文。為了進(jìn)一步推廣和應(yīng)用具有明顯經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的鋼-混凝土組合梁,本文對國內(nèi)外鋼-混凝土組合梁疲勞性能的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了回顧和分析,以求對組合梁的疲勞性能有進(jìn)一步的了解,供實(shí)際工程設(shè)計(jì)參考。本文中所有應(yīng)力和強(qiáng)度單位均為MPa,力單位為N,長度單位均為mm。1組合梁疲勞性能試驗(yàn)研究由于剪力連接件是保證組合梁中鋼與混凝土發(fā)揮組合作用的關(guān)鍵元件,而栓釘是實(shí)際工程中最常用的剪力連接件,因此早期對組合梁疲勞性能的研究主要通過推出試驗(yàn)(圖1)研究栓釘?shù)钠谛阅?研究內(nèi)容主要包括栓釘?shù)钠趬勖?、鋼與混凝土界面滑移和疲勞破壞形態(tài)等。1.1栓釘?shù)钠谛阅?966年~1967年,日本大阪理工大學(xué)教授Slutter和Fisher等人通過對栓釘?shù)钠谠囼?yàn)證明,栓釘?shù)钠谄茐陌l(fā)生在焊縫區(qū)。同時(shí)給出了栓釘剪應(yīng)力幅△τ與荷載循環(huán)次數(shù)n的關(guān)系式:此次試驗(yàn)為最早的針對組合結(jié)構(gòu)疲勞問題的研究,得出了栓釘疲勞破壞形態(tài),并參照傳統(tǒng)的金屬疲勞S-N曲線方法提出了栓釘疲勞壽命設(shè)計(jì)方法,對隨后的研究具有重要指導(dǎo)意義。但該研究僅考慮了栓釘應(yīng)力幅對疲勞壽命的影響,考慮的因素不夠全面。1990年,日本大阪大學(xué)的Hiragi、Matsui和FukumotoY總結(jié)了他們自己完成的179個(gè)靜態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和145個(gè)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù),采用回歸分析的方法得到了栓釘?shù)钠趬勖?jì)算式,得出栓釘?shù)钠趶?qiáng)度不僅與混凝土強(qiáng)度有關(guān),而且與栓釘?shù)闹睆胶透叨扔嘘P(guān)的結(jié)論。此次研究突破了傳統(tǒng)的S-N曲線方法,考慮了多種因素對栓釘疲勞壽命的影響,且試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)較多,滿足用疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行公式擬合的條件。1990年鄭州工學(xué)院進(jìn)行了10個(gè)推出試件的疲勞試驗(yàn)研究,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果給出了栓釘疲勞壽命N的計(jì)算式:式中:R1為栓釘?shù)募袅Ψ?Rsh為栓釘?shù)撵o力承載力。同時(shí)建議對焊接栓釘焊縫進(jìn)行嚴(yán)格檢查,當(dāng)焊縫不飽滿時(shí)需進(jìn)行補(bǔ)焊,補(bǔ)焊焊縫應(yīng)和原焊縫成光滑過渡,栓釘?shù)挠?jì)算長度應(yīng)考慮由于焊接引起的縮短,其量約為3mm,承受動(dòng)荷載的組合梁跨高比宜在10以內(nèi)。鄭州工學(xué)院提出的栓釘疲勞壽命計(jì)算公式考慮了栓釘靜力承載力的影響,較傳統(tǒng)S-N曲線方法考慮的因素更為全面。但只進(jìn)行了10個(gè)試件的試驗(yàn)研究,由于疲勞試驗(yàn)結(jié)果的離散性往往很大,因此試件的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,需要進(jìn)一步的大量試驗(yàn)以保證擬合設(shè)計(jì)公式的準(zhǔn)確性。1997年意大利烏第納大學(xué)的GattescoN、布雷沙大學(xué)的GiurianiE等學(xué)者對8個(gè)試件進(jìn)行了低周疲勞試驗(yàn)研究。他們認(rèn)為由于傳統(tǒng)的S-N曲線方法只適用于處于彈性狀態(tài)下的結(jié)構(gòu),而對于承受疲勞荷載的大跨度部分剪力連接組合梁,由于混凝土板和鋼梁的相對滑移較大,栓釘根部附近的混凝土可能被壓潰,栓釘可能產(chǎn)生非彈性變形,因此建議用uf065-N方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法,用鋼與混凝土界面的相對滑移量來衡量栓釘?shù)钠趬勖?個(gè)試件的試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示,圖2中Smax、Smin分別表示最大滑移和最小滑移。從圖2中可以看出,在對數(shù)坐標(biāo)系中,栓釘?shù)钠趬勖徒缑婊浦祷境删€性關(guān)系。此次試驗(yàn)對于大跨度部分剪力連接組合梁中承受較大剪力荷載的栓釘?shù)钠谛阅苡兄匾囊饬x,突破了傳統(tǒng)的S-N曲線方法,考慮了鋼與混凝土界面的非彈性變形。在大多數(shù)規(guī)范規(guī)定橋梁必須使用完全抗剪連接件的情況下,該試驗(yàn)研究對比較經(jīng)濟(jì)的部分抗剪連接組合梁的推廣應(yīng)用產(chǎn)生了積極的影響。1997年英國Warwick大學(xué)的JohnsonRP在總結(jié)前人大量試驗(yàn)研究結(jié)果的基礎(chǔ)上擬合出了栓釘疲勞壽命N與栓釘名義剪應(yīng)力幅的關(guān)系:根據(jù)式(3)可以得到當(dāng)疲勞壽命為200萬次時(shí)栓釘?shù)脑试S剪應(yīng)力幅為95MPa。這一公式的實(shí)質(zhì)是傳統(tǒng)S-N曲線方法。因此同樣存在考慮因素不全面的問題。但由于采用了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合,因此公式的可靠性較高,被《歐洲規(guī)范4》所采用。JohnsonRP同時(shí)指出栓釘?shù)脑试S剪應(yīng)力幅將隨混凝土骨料密度的減小而減小。因此可以看出混凝土對栓釘?shù)募s束程度對栓釘?shù)钠趬勖幸欢ǖ挠绊憽?996年~1999年鐵道部大橋工程局和長沙鐵道學(xué)院進(jìn)行了蕪湖橋桁梁組合梁的試驗(yàn)研究,完成了8個(gè)uf06622和7個(gè)uf06625的栓釘疲勞試驗(yàn),提出了栓釘疲勞壽命與剪力幅的關(guān)系式。但此次試驗(yàn)研究的基本思路仍然是傳統(tǒng)的S-N曲線方法,且試件的數(shù)量偏少。1999年福州大學(xué)的宗周紅對5個(gè)試件進(jìn)行了疲勞推出試驗(yàn),分析了混凝土材料類型和強(qiáng)度等級、連接件類型、橫向配筋等參數(shù)對栓釘疲勞性能的影響。但對影響參數(shù)的分析僅僅局限于定性層次上,試件的數(shù)量同樣過少。2005年韓國漢城大學(xué)的LeePil-Goo等學(xué)者對大直徑栓釘?shù)钠谛阅苓M(jìn)行了試驗(yàn)研究。試件根據(jù)《歐洲規(guī)范4》制作。對12個(gè)試件進(jìn)行了低周疲勞加載,栓釘直徑為27mm~30mm。試驗(yàn)結(jié)果表明,大直徑栓釘?shù)钠趬勖缘陀诟鶕?jù)《歐洲規(guī)范4》計(jì)算的理論疲勞壽命。分析其原因,可以認(rèn)為是低周疲勞加載對栓釘?shù)钠谛阅芨鼮椴焕?而《歐洲規(guī)范4》中的公式是基于高周疲勞試驗(yàn)結(jié)果的擬合。由于剪力連接程度較低的部分剪力連接組合梁中的栓釘主要承受的是低周疲勞荷載,因此此次試驗(yàn)結(jié)果對部分剪力連接組合梁的設(shè)計(jì)具有更重要的意義。另外,由于大直徑栓釘根部的焊接量較大,由此產(chǎn)生的初始裂紋和應(yīng)力集中現(xiàn)象較小直徑栓釘嚴(yán)重,因此大直徑栓釘?shù)钠趩栴}更值得人們的重視。此次試驗(yàn)研究突破了傳統(tǒng)的研究思路,考慮了更多的因素對栓釘疲勞壽命的影響,對以后的試驗(yàn)研究具有指導(dǎo)意義。2006年德國Wuppertal大學(xué)的HanswilleGerhard、PorschMarkus和UstundagCenk進(jìn)行了承受疲勞荷載的栓釘?shù)脑囼?yàn)研究[10―11]。試件根據(jù)《歐洲規(guī)范4》中的規(guī)定制作,然后進(jìn)行疲勞推出試驗(yàn)。試驗(yàn)研究了承受單向循環(huán)荷載的栓釘疲勞壽命和靜力強(qiáng)度的折減。試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)加載次數(shù)為疲勞壽命的10%~15%時(shí),栓釘根部的混凝土初始裂縫開始擴(kuò)展并使栓釘強(qiáng)度降低。根據(jù)71個(gè)栓釘疲勞推出試驗(yàn)結(jié)果和其它栓釘疲勞推出試驗(yàn)結(jié)果系統(tǒng)地分析了混凝土板中栓釘?shù)钠趬勖?給出了栓釘疲勞壽命的計(jì)算式:式中:Pmax、Pmean、Pu,0分別為栓釘承受的疲勞荷載上限、疲勞荷載均值和靜力承載力;K1、K2為常數(shù),當(dāng)推出試驗(yàn)中的混凝土板受到側(cè)向約束時(shí),K1=0.1267、K2=0.1344,當(dāng)混凝土板無側(cè)向約束時(shí),K1=0.1483,K2=0.1680。此次研究采用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)較多,且考慮了荷載上限和栓釘靜力承載力對疲勞壽命的影響,考慮因素較為全面。從式(4)中可以看出,若Pmax=Pu,0,則栓釘?shù)钠趬勖鼮?,即疲勞荷載上限等于栓釘?shù)撵o力承載力時(shí),只需一次加載,栓釘即發(fā)生破壞,這也是符合基本常識(shí)的。由以上研究成果可以看出,目前關(guān)于栓釘疲勞壽命的研究基本沿用了金屬疲勞的S-N曲線方法,即通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合,規(guī)定栓釘疲勞壽命和剪應(yīng)力幅之間的關(guān)系:已知應(yīng)力幅,可以求得疲勞壽命;已知要求使用壽命,可以求得允許應(yīng)力幅。少量學(xué)者考慮了栓釘應(yīng)力上限、靜力承載力以及混凝土強(qiáng)度等因素的影響,對S-N曲線方法進(jìn)行了修正,但最終設(shè)計(jì)公式的提出還是基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合,斷裂力學(xué)等理論尚未運(yùn)用到對栓釘疲勞壽命的預(yù)測中來。而對于栓釘疲勞失效的可靠性等問題,也有待于進(jìn)一步的研究。1.2基于殘余滑移的疲勞性能研究在栓釘?shù)钠谛阅苎芯恐?人們往往關(guān)注栓釘?shù)钠趬勖雎粤嗽谄诤奢d作用下鋼與混凝土的界面滑移隨荷載加載次數(shù)的變化。已有的組合梁靜力研究結(jié)果表明[12―13]:組合梁中鋼與混凝土交界面的滑移效應(yīng)不能忽視,它將引起撓度和轉(zhuǎn)角的增大,若不考慮滑移效應(yīng)的影響,將使正常使用極限狀態(tài)的驗(yàn)算偏于不安全。因此研究疲勞荷載作用下鋼與混凝土界面的滑移變化規(guī)律對于組合梁的疲勞剛度計(jì)算具有重要的意義。由于疲勞荷載作用下整梁的界面滑移不易測量,因此學(xué)者們主要基于栓釘推出試驗(yàn)來進(jìn)行鋼與混凝土界面滑移隨疲勞荷載加載次數(shù)的變化。國內(nèi)尚未見到相關(guān)研究報(bào)道,下面介紹國外少數(shù)幾個(gè)學(xué)者對于此問題的研究成果。1985年愛爾蘭國立Cork大學(xué)的OehlersDJ和英格蘭的CoughlanCG進(jìn)行了116個(gè)推出試驗(yàn),加載方式包括單向循環(huán)加載和反向循環(huán)加載。根據(jù)斷裂力學(xué)中計(jì)算疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命的常用的Paris公式以及栓釘推出試驗(yàn)結(jié)果,提出鋼-混凝土界面滑移uf064與疲勞荷載循環(huán)次數(shù)n的關(guān)系式為:式中:c、m為常數(shù);R為栓釘剪力幅;Rsh為栓釘?shù)撵o力承載力。并由此得出每次疲勞循環(huán)加載引起的殘余滑移變形量uf064r=1.70×10-5R4.55。研究結(jié)果表明:疲勞破壞發(fā)生時(shí)鋼與混凝土界面的滑移量大約為栓釘直徑的三分之一,大部分變形可以恢復(fù)?；炷恋膹?qiáng)度對栓釘?shù)目辜魟偠扔休^大的影響,混凝土強(qiáng)度越高,抗剪剛度越大。1996年意大利烏迪內(nèi)大學(xué)的GattescoN和GiurianiE研究了承受反向循環(huán)加載的栓釘疲勞性能。研究結(jié)果表明,在反復(fù)荷載作用下,栓釘?shù)淖冃慰赡艹^彈性范圍而進(jìn)入屈服狀態(tài)。研究得到了一些定性的結(jié)論:每次加載循環(huán)過程中的滑移增量經(jīng)歷一段時(shí)間的重復(fù)加載后逐漸趨于常量;反向循環(huán)加載使得每次加載滑移增量加大,從而加速栓釘?shù)钠谄茐摹?997年意大利烏迪內(nèi)大學(xué)的GattescoN對栓釘進(jìn)行疲勞推出試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),完全剪力連接組合梁與部分剪力連接組合梁的滑移沒有明顯的差別。1997年澳大利亞Monash大學(xué)的GeoffTaplin和PaulGeundy研究了對稱循環(huán)加載與單向循環(huán)加載作用下栓釘累積滑移變化規(guī)律,認(rèn)為單調(diào)荷載作用下的滑移對于組合梁的受力性能并非完全不利:由于滑移可以提高栓釘?shù)难有?從而使極限狀態(tài)下的荷載重新分布;而對于對稱循環(huán)加載作用,滑移可使組合梁的承載力下降多達(dá)47%。對稱循環(huán)加載下梁的滑移增長率比單向循環(huán)加載下梁的滑移增長率要快。2006年德國Wuppertal大學(xué)的HanswilleGerhard、PorschMarkus和UstundagCenk通過栓釘?shù)钠谕瞥鲈囼?yàn)研究[10―11]給出了經(jīng)歷N次疲勞加載后,栓釘與混凝土間殘余滑移uf064r的表達(dá)式:式中:Nf為栓釘?shù)钠趬勖?C1、C2由下式計(jì)算得到:由式(6)~式(8)可以看出,疲勞荷載作用下鋼與混凝土界面的殘余滑移與荷載上限,荷載下限以及栓釘靜力承載力等多種因素相關(guān)。由于此次研究采用的數(shù)據(jù)樣本較多,因此結(jié)果可信度較高?；谑?6)以及文獻(xiàn)中的試件繪出的界面殘余滑移隨疲勞荷載加載次數(shù)的變化趨勢如圖3所示。從圖3中可以看出鋼與混凝土間殘余滑移的發(fā)展大致分為3個(gè)階段:第1階段:殘余滑移隨疲勞荷載循環(huán)次數(shù)的增加迅速增長,但增長速率逐漸降低,這一階段較短;第2階段:殘余滑移的增長穩(wěn)定,增長速率基本為定值,這一階段較長,約占疲勞壽命的80%;第3階段:在疲勞荷載循環(huán)次數(shù)接近疲勞壽命時(shí),殘余滑移迅速增長,直至栓釘?shù)钠茐?這一階段較短。這也符合一般材料的疲勞特性。1.3局部微裂紋破壞對于栓釘?shù)钠趩栴},我們不能將注意力僅僅局限于疲勞壽命的預(yù)測和變形的計(jì)算上,更應(yīng)該關(guān)注栓釘在疲勞荷載作用下的破壞模式,才能更為全面的了解栓釘發(fā)生疲勞破壞的機(jī)理?？偨Y(jié)已有的栓釘疲勞推出試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)栓釘?shù)钠谄茐哪Ｊ街饕?種:1)栓釘靠近根部處的栓桿發(fā)生剪切破壞(圖4(a));2)與栓釘相連的鋼板被撕裂(圖4(b));3)栓釘根部的焊趾被撕裂(圖4(c))。從微觀層次上講,栓釘?shù)乃衅茐哪Ｊ骄鶠樵谄诤奢d作用下,由于初始缺陷和應(yīng)力集中的雙重影響,在材料的局部產(chǎn)生細(xì)小的微裂紋,由于疲勞荷載的作用,裂紋尖端會(huì)產(chǎn)生高度集中的應(yīng)力,使得裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展,直到材料的凈截面面積減小到不能抵抗疲勞荷載上限的作用,栓釘發(fā)生疲勞破壞。栓釘?shù)?種疲勞破壞模式中,第3種模式(栓釘根部的焊趾撕裂)的產(chǎn)生是由于焊接質(zhì)量不足,導(dǎo)致局部應(yīng)力集中以及初始微裂紋增多,并且由于栓釘與焊趾交界面的剛度較低,在疲勞荷載作用下,焊趾將很快被撕裂而發(fā)生疲勞破壞;第2種模式(與栓釘相連的鋼板被撕裂)是在當(dāng)栓釘?shù)闹睆脚c鋼板厚度的比值較大時(shí)產(chǎn)生,由于栓桿本身的抗剪強(qiáng)度較大使得鋼板成為薄弱環(huán)節(jié),在疲勞荷載的作用下,鋼板靠近栓釘根部的部位開始出現(xiàn)微裂紋,隨后鋼板裂紋沿與栓釘剪力垂直的方向擴(kuò)展,直至發(fā)生疲勞破壞,這種破壞模式中栓釘本身并沒有破壞,而鋼板破壞后將影響到整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力性能,甚至使整個(gè)結(jié)構(gòu)迅速失效,因此在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該控制栓釘直徑和鋼板厚度的比值,以避免這種破壞模式;第1種模式(栓釘本身發(fā)生剪切破壞)是最為常見的栓釘疲勞破壞模式,栓釘由于受到變幅剪力作用而在靠近根部的栓桿處產(chǎn)生初始裂紋并逐漸擴(kuò)展,栓桿凈截面面積逐漸減小,當(dāng)栓桿的凈截面面積不能承受剪力上限作用時(shí),整個(gè)截面將突然被剪斷,栓釘發(fā)生疲勞破壞。圖5為栓釘發(fā)生第一種破壞模式后的栓桿截面,從圖5中可以看出,栓桿截面明顯分為疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和靜力剪切區(qū)。這種破壞模式對于整個(gè)結(jié)構(gòu)來說是最好的,因?yàn)楫?dāng)單個(gè)栓釘發(fā)生疲勞破壞后,鋼板并未發(fā)生任何破壞,鋼與混凝土界面的剪力將重新分布,整個(gè)結(jié)構(gòu)仍然能夠繼續(xù)承載,不至于使整個(gè)結(jié)構(gòu)立即失效。換句話說,栓釘?shù)倪@種疲勞破壞模式具有一定的“延性”。1.4栓釘?shù)钠趬勖醒芯烤砻魉ㄡ數(shù)钠趬勖鼘ζ渌惺艿募魬?yīng)力幅最為敏感,因此多數(shù)學(xué)者在提出栓釘疲勞壽命計(jì)算公式時(shí)都只考慮了栓釘應(yīng)力幅對疲勞壽命的影響,并假設(shè)兩者的對數(shù)值呈線性關(guān)系,即沿用了鋼材中的S-N曲線疲勞壽命計(jì)算方法。但從物理意義上來講,當(dāng)栓釘承受的應(yīng)力上限接近甚至等于栓釘?shù)撵o力抗剪強(qiáng)度時(shí),無論應(yīng)力幅多大,栓釘都將很快發(fā)生疲勞破壞,這在栓釘?shù)牡椭芷谠囼?yàn)中已有所體現(xiàn),因此文獻(xiàn)建議用界面滑移量來評估承受低周疲勞荷載的栓釘?shù)钠趬勖呛侠淼摹Ｓ捎谒ㄡ數(shù)撵o力抗剪強(qiáng)度與栓釘母材的強(qiáng)度、混凝土的強(qiáng)度和彈性模量有關(guān),因此這3個(gè)因素對栓釘?shù)钠趬勖灿兴绊?。可以認(rèn)為,傳統(tǒng)的只考慮應(yīng)力幅影響的S-N曲線方法用于承受高周疲勞荷載的栓釘疲勞壽命預(yù)測是合理的,但對于承受低周疲勞荷載的栓釘,此方法并不適用。2關(guān)于鋼板受拉對栓釘?shù)慕缑婕袅Ψ植间?混凝土組合梁中的栓釘受力狀態(tài)與推出試驗(yàn)中栓釘?shù)氖芰顟B(tài)有一定的差別。如圖6所示,組合梁中栓釘在受剪的同時(shí)鋼梁上翼緣受壓(正彎矩區(qū))或受拉(負(fù)彎矩區(qū)),而鋼板的受力狀態(tài)對于栓釘?shù)钠谔匦杂兄匾挠绊?鋼板受壓對栓釘?shù)钠谛阅苡欣摪迨芾瓕λㄡ數(shù)钠谛阅懿焕?。因此由?biāo)準(zhǔn)疲勞推出試驗(yàn)得到的結(jié)果具有一定的局限性和不準(zhǔn)確性。根據(jù)文獻(xiàn)中關(guān)于簡支組合梁承受跨中集中荷載的界面滑移分布規(guī)律計(jì)算界面剪力沿梁長的分布如圖7所示。從圖7中可以看出,雖然梁的豎向剪力分布均勻,但由于滑移效應(yīng)的影響,界面的剪力分布并不均勻,跨中的界面剪力很小而梁端的界面剪力最大。但梁中彎矩的分布使得鋼梁上翼緣的應(yīng)力在跨中最大而在梁端最小。因此組合梁中發(fā)生疲勞破壞的栓釘往往距跨中有一定的距離。另外,組合梁中鋼梁受拉翼緣和混凝土板也存在疲勞問題。國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對組合梁的疲勞性能進(jìn)行了初步的研究,取得了一系列可喜的成果。2.1試驗(yàn)結(jié)果及分析1995年Maryland大學(xué)的Predro、LiWulin等學(xué)者共同研究了預(yù)應(yīng)力鋼-混凝土組合梁的疲勞壽命問題。通過在兩個(gè)加載點(diǎn)之間鋼梁受拉翼緣加焊覆蓋板,使疲勞破壞從覆蓋板端部與鋼梁受拉翼緣的焊縫處發(fā)生,而預(yù)應(yīng)力鋼絞線和栓釘始終保持正常工作。根據(jù)覆蓋板端部的鋼梁受拉翼緣的最小與最大應(yīng)力比值R=-1和R=0分為兩組,得出的覆蓋板端部與鋼梁受拉翼緣的疲勞壽命計(jì)算公式如下:研究結(jié)論為:1)焊接質(zhì)量越高,疲勞壽命越高;2)若鋼梁受拉翼緣的應(yīng)力幅相同,應(yīng)力比R=-1時(shí)比R=0時(shí)的疲勞強(qiáng)度大;3)應(yīng)力幅越低,疲勞強(qiáng)度越高。此次研究證明了組合梁中鋼梁的疲勞破壞與一般鋼結(jié)構(gòu)類似,即應(yīng)力幅和應(yīng)力比的影響對鋼梁受拉翼緣的疲勞壽命影響最大,鋼梁下翼緣承受拉-壓循環(huán)荷載時(shí)比承受拉-拉循環(huán)荷載時(shí)的疲勞壽命更高。1997年的臺(tái)灣新竹大學(xué)教授RichardJY、LinYiching和LaiMT進(jìn)行了組合梁的疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)采用4種形式的構(gòu)件:混凝土板中配置鋼筋的完全剪力連接組合梁(AF)、混凝土板中配置鋼筋的部分剪力連接組合梁(AP)、混凝土板中配置細(xì)密鋼絞線的完全剪力連接組合梁(BF)和混凝土板中配置細(xì)密鋼絞線的部分剪力連接組合梁(BP)。試驗(yàn)結(jié)果表明組合梁承受反復(fù)荷載時(shí)混凝土板均出現(xiàn)了縱向裂縫,這與靜力試驗(yàn)不同。所有梁在超過200萬次的循環(huán)加載后都未發(fā)生疲勞破壞,改用單調(diào)靜力加載直至梁破壞并測得剩余靜力承載力。試驗(yàn)還得到了以下主要結(jié)論:組合梁彈性剛度受疲勞的影響較大;疲勞荷載對采用細(xì)密鋼絞線組合梁的彈性剛度影響較小;疲勞荷載對剩余靜力承載力的影響較小;部分剪力連接組合梁與完全剪力連接組合梁的疲勞剛度、疲勞強(qiáng)度沒有明顯差異;組合梁抗疲勞性能取決于混凝土板中裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展;同時(shí)建議為防止組合梁在疲勞荷載作用下產(chǎn)生過大的變形,宜使用完全剪力連接。板的配筋形式對梁的疲勞性能有十分重要的影響。綜合評價(jià)4種構(gòu)件:BF構(gòu)件疲勞性能最好,依次為BP、AF和AP。該試驗(yàn)是在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,所以試驗(yàn)成果比較有代表性。由于進(jìn)行了大量構(gòu)件的試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果相對比較準(zhǔn)確。但由于所有構(gòu)件在經(jīng)歷200萬次后均未發(fā)生疲勞破壞后,沒有繼續(xù)進(jìn)行疲勞加載而采用靜力加載使其破壞,因此本次試驗(yàn)沒有找到組合梁的疲勞形態(tài)。1998年韓國的YounSeok-Goo和ChangSungPil對1∶5組合梁橋縮尺模型進(jìn)行了靜力加載和疲勞加載試驗(yàn)。由于試件為實(shí)橋結(jié)構(gòu)的縮尺模型,因此加載時(shí)考慮了荷載沿梁橫向位置的變化。試驗(yàn)表明混凝土板的裂縫隨著疲勞荷載加載次數(shù)的增加而發(fā)展,并且寬度逐漸增加;當(dāng)加載次數(shù)為疲勞壽命的1/9時(shí),混凝土板本身的抗彎剛度降為初始剛度的59%;所有承受疲勞荷載的試件的破壞模式均為栓釘剪切破壞;栓釘?shù)钠趬勖S著靜力強(qiáng)度的降低而降低;荷載加在橋面板中部時(shí)的疲勞壽命比荷載加在靠近支座時(shí)的高,在設(shè)計(jì)中需要也應(yīng)該考慮加載位置的不同對于組合梁疲勞壽命的影響?；趥鹘y(tǒng)S-N曲線方法,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果給出了疲勞壽命N與界面剪力P和界面靜力抗剪強(qiáng)度Ps的計(jì)算公式:此次試驗(yàn)是針對實(shí)橋結(jié)構(gòu)的模型試驗(yàn),所施加的荷載工況也更接近于實(shí)際橋梁,對組合梁在實(shí)際工程中的應(yīng)用和推廣有著重要的意義。1999年鐵道部大橋工程局和長沙鐵道學(xué)院針對蕪湖橋組合梁工程進(jìn)行了4根試驗(yàn)梁的疲勞試驗(yàn)。其中2根為一次成型的高配筋率鋼-混凝土組合梁(T1、T2),另2根為鋼-預(yù)應(yīng)力預(yù)制混凝土+后澆微膨脹混凝土組合梁(T3、T4)。得出結(jié)論如下:1)T1、T2梁混凝土板裂縫分布均勻,裂縫寬度細(xì)小。T3、T4梁在新混凝土、老混凝土受拉交接面上的裂縫寬度較大,后澆微膨脹混凝土中也出現(xiàn)了一些細(xì)小的裂紋,疲勞試驗(yàn)過程中預(yù)應(yīng)力混凝土板中無裂紋出現(xiàn);2)200萬次疲勞試驗(yàn)后,T3、T4梁的撓度、應(yīng)變明顯小于T1、T2,表明T3、T4梁的剛度比T1、T2梁大;3)新老混凝土受剪結(jié)合面上做成鋸齒形的方法很成功,該結(jié)合面上始終無裂紋出現(xiàn)。2000年福州大學(xué)的宗周紅和西南交通大學(xué)車惠民在國內(nèi)首次對預(yù)應(yīng)力鋼-混凝土組合梁的疲勞性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。研究表明預(yù)應(yīng)力鋼-混凝土組合梁的疲勞破壞是由于混凝土的嚴(yán)重開裂。本次試驗(yàn)研究結(jié)論如下:1)由于預(yù)應(yīng)力的存在,鋼梁的應(yīng)力循環(huán)可能由單純的拉應(yīng)力循環(huán)轉(zhuǎn)化為拉-壓應(yīng)力循環(huán),從而提高鋼梁的疲勞強(qiáng)度;2)疲勞荷載將增大鋼與混凝土界面相對滑移,使截面應(yīng)力重分布,導(dǎo)致正彎矩區(qū)截面剛度隨加載次數(shù)的增加逐漸下降,而負(fù)彎矩區(qū)截面剛度卻有強(qiáng)化的現(xiàn)象;3)在預(yù)應(yīng)力連續(xù)組合梁中,負(fù)彎矩區(qū)混凝土板開裂并且裂縫發(fā)展,開裂和相對滑移相互影響,使負(fù)彎矩區(qū)鋼與混凝土界面的相對滑移遠(yuǎn)大于正彎矩區(qū),因此預(yù)應(yīng)力連續(xù)組合梁的疲勞性能是由負(fù)彎矩區(qū)的混凝土疲勞控制;4)在合理的應(yīng)力幅值范圍內(nèi),現(xiàn)有的混凝土預(yù)應(yīng)力技術(shù)可以用于組合結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力體系。本次試驗(yàn)是國內(nèi)對預(yù)應(yīng)力鋼-混凝土組合梁疲勞性能較為系統(tǒng)的研究,對其在實(shí)際工程中的推廣起到了非常積極的作用。2000年韓國漢城國立大學(xué)的ShimCS和KimJH進(jìn)行了預(yù)制板組合梁的疲勞實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)疲勞荷載引起的殘余滑移使梁剪跨段內(nèi)連接件產(chǎn)生內(nèi)力重分布現(xiàn)象。由此可假定連接件是以平均抗力破壞的,剪跨段連接件可以均勻布置。由推出試驗(yàn)得到栓釘?shù)募魬?yīng)力幅R和靜力強(qiáng)度R0及疲勞壽命N的關(guān)系式為:R/R0=1.5117N-0.1355。同時(shí)由荷載-滑移曲線得到了疲勞荷載引起的殘余滑移uf064r的計(jì)算式:uf064r=aN+b。式中,a、b是由相應(yīng)構(gòu)件決定的常數(shù)。由于此次試驗(yàn)的研究對象為預(yù)制板鋼-混凝土組合梁,得出了疲勞壽命和殘余滑移的計(jì)算式,具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。試驗(yàn)中組合梁的疲勞破壞形態(tài)仍然只是栓釘?shù)募羟衅茐摹?001年中鐵大橋局橋梁科學(xué)研究院的劉自明、汪雙炎和童智洋對簡支帶懸臂的組合梁和連續(xù)組合梁進(jìn)行了試驗(yàn)研究,組合梁中預(yù)制混凝土板施加了預(yù)應(yīng)力。為與實(shí)際工程相一致,負(fù)彎矩區(qū)混凝土設(shè)置了接縫,并在接縫處后澆普通混凝土。試驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)過200萬次的疲勞加載后兩種梁的截面剛度分別減少了9%和5%左右,后澆混凝土與預(yù)制混凝土板的接縫處產(chǎn)生大量的裂縫,最大裂縫的寬度達(dá)到0.28mm。此次試驗(yàn)對于實(shí)際工程中組合梁的設(shè)計(jì)有較高的應(yīng)用價(jià)值,但僅做了一根帶懸臂的簡支梁和一根連續(xù)梁,由于疲勞試驗(yàn)結(jié)果一般有較大的離散性,因此其結(jié)論的普遍性有待證明。2002年清華大學(xué)聶建國、李建軍完成了8根部分剪力連接鋼-混凝土組合梁跨中兩點(diǎn)對稱加載的疲勞試驗(yàn)。由于試驗(yàn)梁均為部分剪力連接,栓釘承受的剪力較大,發(fā)生疲勞破壞的試件均為栓釘剪切破壞。同時(shí)證明了在組合梁中,栓釘剪應(yīng)力幅仍然是影響栓釘疲勞壽命最主要的因素。而混凝土板的橫向配筋率對組合梁疲勞性能的影響遠(yuǎn)沒有它對組合梁靜力試驗(yàn)的影響大,因此建議混凝土板的橫向配筋只需滿足靜力計(jì)算的要求而無須另外考慮疲勞加載的影響。2005年清華大學(xué)聶建國、袁西貴共完成了6根疊合板組合梁的疲勞試驗(yàn)。其中4根完全剪力連接的組合梁和1根剪力連接程度較高的部分剪力連接組合梁的鋼梁發(fā)生疲勞破壞,1根剪力連接程度較低的部分剪力連接組合梁的栓釘發(fā)生疲勞破壞,但新老混凝土疊合面保持完整;給出了不同破壞形態(tài)下疊合板組合梁疲勞壽命設(shè)計(jì)計(jì)算方法,提出了兩種破壞形態(tài)相應(yīng)的疲勞壽命實(shí)用表達(dá)式;對組合梁的疲勞變形也做了一些定性的分析,認(rèn)為疲勞加載會(huì)引起組合梁剛度的退化,但未提出組合梁疲勞剛度的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。由于疊合板組合梁在實(shí)際工程中應(yīng)用較廣,因此本次試驗(yàn)研究對疊合板組合梁的應(yīng)用推廣有著重要的意義。2.2組合梁的承載力目前已有的試驗(yàn)結(jié)果表明,鋼-混凝土組合梁疲勞破壞模式主要為栓釘疲勞剪切破壞(圖8(a))和鋼梁受拉翼緣受拉破壞(圖8(b)),而混凝土板由于基本處于受壓狀態(tài),只要滿足靜力荷載下不發(fā)生縱向受壓破壞和縱向劈裂破壞,則不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。組合梁中栓釘發(fā)生疲勞破壞時(shí)往往是單個(gè)或少數(shù)幾個(gè)栓釘被剪斷,然后由于鋼與混凝土界面剪力重分布,其余未發(fā)生疲勞破壞的栓釘可以承受界面剪力,因此整梁仍然可以繼續(xù)承載。但由于界面抗剪剛度的下降導(dǎo)致界面滑移增大,使得組合梁整體變形增大而不適于繼續(xù)承載。但從栓釘開始被剪斷到最終組合梁不適于繼續(xù)承載可以經(jīng)歷較長時(shí)間的疲勞加載,組合梁整體不會(huì)發(fā)生突然的脆性破壞,而是具有一定的“延性”。組合梁中鋼梁發(fā)生破壞時(shí),由于受拉翼緣和腹板連接的焊縫及其熱影響區(qū)或受拉翼緣的切割邊存在初始缺陷和殘余應(yīng)力,在加載循環(huán)達(dá)到一定次數(shù)后,內(nèi)部微裂紋迅速沿受拉翼緣及腹板發(fā)展,截面中和軸不斷上升,導(dǎo)致部分混凝土板受拉開裂,整梁的承載力迅速下降。從鋼梁出現(xiàn)疲勞裂紋到組合梁整體發(fā)生疲勞破壞只經(jīng)歷很短的時(shí)間,因此這種疲勞破壞模式對于組合梁是非常不利的。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)控制栓釘剪應(yīng)力和鋼梁受拉翼緣拉應(yīng)力的比值,使栓釘疲勞壽命低于鋼梁受拉翼緣的疲勞壽命,保證組合梁中栓釘?shù)钠谄茐南扔阡摿?以使得組合梁的疲勞破壞具有一定的“延性”。由于對鋼梁施加體外預(yù)應(yīng)力可有效降低鋼梁受壓翼緣的應(yīng)力水平,甚至使受拉翼緣承受拉-壓循環(huán),將大大提高鋼梁的疲勞壽命,使得組合梁更易產(chǎn)生栓釘疲勞破壞的破壞模式。3組合梁的疲勞性能到目前為止,各國規(guī)范對鋼-混凝土組合梁疲勞問題的規(guī)定主要集中在栓釘?shù)钠趬勖?計(jì)算模式為:式中:N為栓釘?shù)钠趬勖?r為栓釘?shù)募魬?yīng)力幅△τ或剪應(yīng)力幅與靜力抗剪強(qiáng)度的比值△τ/τu;m、C為常數(shù),不同的規(guī)范中有不同的規(guī)定。而對于組合梁中鋼梁和混凝土板的疲勞問題,可按一般混凝土和鋼材的疲勞相關(guān)規(guī)定進(jìn)行驗(yàn)算。以下介紹幾個(gè)國際上應(yīng)用較多的國外規(guī)范對栓釘疲勞壽命的規(guī)定,以供實(shí)際設(shè)計(jì)參考。3.1國家制定的相關(guān)規(guī)定3.1.1疲勞壽命的計(jì)算方法只考慮剪應(yīng)力幅對栓釘疲勞壽命的影響的規(guī)范主要有《歐洲規(guī)范4》、日本《鋼-混凝土組合梁橋規(guī)范》和美國《公路和橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(AASHTO),即式(12)中r=△τ。參數(shù)m、C的取值如表1所示。由于規(guī)范制定時(shí)均采取試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸的方法,疲勞試驗(yàn)的離散性較大而樣本數(shù)量有限,因此造成了各規(guī)范的疲勞壽命計(jì)算式的差別,主要體現(xiàn)在m和C的取值上。m值具有重要的實(shí)際意義:若m值太低,則絕大多數(shù)疲勞破壞由荷載頻譜分布中的高頻低應(yīng)力幅部分(高周疲勞荷載)引起,這種情況在實(shí)際橋梁中較為常見;若m值太高,則絕大多數(shù)疲勞破壞由荷載頻譜分布中的低