带疲劳损伤的钢-混凝土组合梁受力性能试验研究*

杨涛 林广泰 赵艳林† 彭修宁

(1.广西大学 土木建筑工程学院， 广西 南宁 530004； 2.广西防灾减灾与工程安全重点实验室， 广西 南宁 530004； 3.工程防灾与结构安全教育部重点实验室， 广西 南宁 530004)

1988年，我国上海南浦大桥的建设采用了钢-混凝土组合梁结构,此后，组合梁在建筑和桥梁结构中的应用逐渐推广.当组合梁应用于桥梁结构中时，由于要承受动力荷载的反复作用，组合梁的疲劳问题逐渐引起了设计人员的重视.抗剪连接件是传递混凝土板和钢梁之间剪力的重要组件，而栓钉是最常用的抗剪连接件之一.研究表明，组合梁中栓钉抗剪连接件等连接和构造细节通常较易发生疲劳破坏[1- 6].国内外学者在对栓钉抗剪连接件等疲劳细节的疲劳性能开展研究的同时，也对钢-混凝土组合梁的整体疲劳性能开展了相应的试验研究[7- 11].

在现有的组合梁疲劳设计中，连接和构造细节的疲劳强度是关注的热点，但设计使用寿命周期内疲劳损伤对组合梁的整体刚度、极限承载能力等受力性能的影响研究较少.已有研究成果表明，疲劳损伤会导致材料力学性能和抗剪连接件受力性能的退化，如：在发生最终疲劳破坏前，混凝土的弹性模量约退化为初始弹性模量的0.67倍[12]；栓钉抗剪连接件的极限抗剪承载力和抗剪刚度也会随着疲劳荷载作用次数的增加而降低[13- 14].以上因素均会导致组合梁受力性能的退化，并对其安全使用产生不利的影响.因此，有必要对疲劳损伤产生后组合梁的受力性能开展分析和评估.针对上述问题，文中对经历了指定疲劳加载次数的钢-混凝土组合梁试件开展了静力加载试验，评估疲劳损伤对不同设计参数情况下组合梁极限承载能力、变形能力等受力性能的影响，以期为此类结构在疲劳损伤产生后受力性能的评估提供参考.

1 试验设计

1.1 试件设计

设计了7根焊接工字钢-混凝土组合梁，试件编号分别为FS1-FS7.7个试件的基本尺寸和配筋均相同，试件主要参数设计见表1，基本尺寸和配筋如图1所示.

其中：试件FS1和FS2为静力对比试件；试件FS3-FS7在开展静力加载试验前已经历了100万次的等幅疲劳加载.在进行试件设计时，考察了抗剪连接程度、栓钉直径和疲劳应力幅的影响.表1中抗剪连接程度按n/n0进行计算，n和n0分别为剪跨段实际布置的栓钉个数和为了确保组合梁完全抗剪连接在剪跨段所需的栓钉个数，n/n0≥1时为完全抗剪连接，n/n0<1时为部分抗剪连接.试件总长2 600 mm，截面高300 mm.工字形钢梁由钢板焊接而成，采用二氧化碳气体保护焊，焊缝采用焊脚尺寸为7 mm的直角焊缝.钢梁高200 mm，在钢梁的上翼缘布置直径为13 mm(或16 mm)的栓钉，栓钉双排布置.混凝土板宽600 mm，厚100 mm.实测的混凝土轴心抗压强度为43.8 MPa，弹性模量为35 GPa.钢材的力学性能指标见表2.

表1 试件设计Table 1 Design of the specimens

图1 尺寸及配筋(单位：mm)Fig.1 Dimensions and reinforcement(Unit：mm)

表2 钢材力学性能Table 2 Mechanical performance of steel

1.2 加载方案

静力试验采用与疲劳试验相同的加载装置，通过分配梁对试件施加两点对称荷载，加载设备采用最大加载能力为2 000 kN的电液伺服作动器.试件安装示意图如图2所示，图中P为施加的外荷载.试验过程中对试件施加单调静力荷载直至试件最终破坏.

图2 试件安装示意图(单位：mm)Fig.2 Schematic diagram of specimen assembly(Unit：mm)

1.3 测量内容

试验的主要测量内容包括：① 试件的承载能力；② 组合梁的跨中挠度；③ 跨中截面的应变分布；④ 混凝土板上裂缝分布；⑤ 钢梁和混凝土板界面处的相对滑移等.为了测量剪跨段内栓钉的滑移值，在加载点外侧第1个和第3个栓钉以及支座上方栓钉所处位置的钢梁与混凝土板界面处布置位移计，3个位移计编号分别为1#-3#(如图3所示).

图3 测点布置示意图(单位：mm)

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

图3中字母S和L分别代表钢梁和混凝土板中纵向钢筋上的测点.

2 疲劳试验概况

在对试件FS3-FS7开展静力试验前，分别对其开展等幅疲劳加载试验.在组合梁试件中主要包含3种连接和构造细节，即焊缝、栓钉连接件和钢梁母材.根据EC3规范[15]，当疲劳荷载引起的跨中钢梁下翼缘应力幅Δσ为200 MPa时，3种细节的疲劳寿命以钢梁母材最长，约68.7万次.由于计算疲劳寿命通常具有一定的保证率，因此在疲劳试验中取100万次为疲劳加载目标次数，以评估组合梁在经历略大于钢梁母材计算疲劳寿命的加载次数后可能发生的疲劳破坏形式.试验中试件FS3-FS6跨中钢梁下翼缘疲劳应力幅Δσ取200 MPa；为了考察不同疲劳应力幅的影响，试件FS7的疲劳应力幅Δσ取220 MPa.疲劳试验中各试件最小疲劳荷载Pmin均取70 kN；最大疲劳荷载Pmax的取值根据跨中钢梁下翼缘的应力幅Δσ予以确定.各试件在试验中所承受的疲劳荷载值见表3；疲劳加载波形采用等幅三角波，加载频率约为4 Hz.

表3 疲劳荷载Table 3 Fatigue loads

疲劳试验研究表明：疲劳加载过程中，通常在组合梁跨中区域的混凝土板底首先观测到裂缝，此时各试件所经历的加载次数有一定的差异，如：试件FS4在经历9万次加载后出现第1条裂缝，而试件FS7在经历33万次后才出现第1条裂缝.随着加载次数的增加，组合梁跨中均产生了一定量值的残余挠度；同时，在疲劳加载过程中，个别试件(如试件FS4和FS5)在钢梁和混凝土板界面处可观测到较为明显的相对错动现象.直至100万次疲劳加载结束，未观测到试件FS3-FS7发生其他明显的疲劳破坏现象.

3 静力试验结果与分析

3.1 受力过程

试件FS1-FS2：在加载初期未观测到明显现象；随着荷载持续增加，试件变形逐渐增加；当荷载达到559和440 kN时，分别在试件FS1和FS2加载点附近的混凝土板底观测到初始裂缝；随着荷载的增加，试件变形明显增大，跨中区域混凝土板底裂缝逐渐增多、缝宽变大；当荷载分别达到656.8和678.4 kN时，试件FS1和FS2跨中板顶混凝土被压碎，随后试件的承载能力开始明显下降.当荷载降至极限承载能力的0.85倍以下时，试验结束.两个试件的破坏形态分别如图4(a)和4(b)所示.

图4 破坏形态Fig.4 Failure patterns

试件FS3-FS7：经历100万次的疲劳加载后，试件的混凝土板上已产生了若干条裂缝，组合梁本身存在了一定的疲劳损伤.在单调静力加载过程中，各试件的受力过程与试件FS1和FS2较为类似，即在荷载作用下混凝土板上裂缝逐渐增多；在加载的后期，跨中钢梁首先屈服，随后板顶混凝土被压碎.图4(c)为试件FS4的最终破坏形态，试件FS3、FS5和FS7的最终破坏形态与之相似.试件FS6在最终受力阶段钢梁突然断裂，破坏形态如图4(d)所示.

3.2 承载能力

各试件的屈服荷载(取跨中截面钢梁下翼缘达到屈服应变时对应的荷载)和极限荷载分别见表4，对比可知：

(1)未经历疲劳加载的组合梁试件的屈服荷载普遍低于经历100万次疲劳加载的试件，这一现象表明疲劳加载后钢材发生了强化，并导致试件的屈服荷载提高.

(2)与试件FS1相比，FS3在经历疲劳加载后极限承载能力约为FS1的0.99倍；与试件FS2相比，在经历相应的疲劳加载后试件FS4-FS7的极限承载能力分别为FS2的0.97倍、0.97倍、1.08倍和0.93倍.对比分析可知：① 在经历相同疲劳加载工况后，部分抗剪连接组合梁的极限承载能力虽有所下降但并不显著；② 完全抗剪连接试件FS6的极限承载能力为试件FS2的1.08倍，这既与完全抗剪连接组合梁整体性好于部分抗剪连接组合梁有关，也与疲劳荷载引起的钢材强化有关；③ 试件FS7极限承载能力的降幅约为FS2的7.0%，表明较高疲劳应力幅(220 MPa)作用下组合梁累积了更多的疲劳损伤.

(3)在抗剪连接程度相同的情况下，采用直径16 mm栓钉的组合梁试件的极限承载能力与采用直径13 mm栓钉的组合梁试件并无显著差异，如：试件FS2为FS1的1.03倍；经历疲劳加载后试件FS5约为试件FS3的1.02倍.

表4 试件的承载能力Table 4 Bearing capacity of the specimens

3.3 荷载-跨中挠度曲线

各试件的荷载-跨中挠度曲线如图5所示，相应受力阶段的位移列于表5，并按照下式计算试件的位移延性系数μΔ：

图5 荷载-跨中挠度曲线Fig.5 Load versus mid-span deflection curves

试件编号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)试件FS5和FS7的承载力未能降至0.85Pu以下，分别以试验结束时的荷载595.8 kN(0.9Pu)和579.7 kN(0.92Pu)对应的位移作为极限位移计算延性系数.

μΔ=Δu/Δy

(1)

式中：Δy为屈服荷载对应的组合梁跨中挠度；Δu为组合梁极限跨中挠度，取试件的承载能力降至0.85Pu时对应的挠度，Pu为相应试件的极限承载能力.

通过分析可以得到以下结论：

(1)根据表5可知，在经历疲劳加载后，部分抗剪连接组合梁试件的屈服位移Δy和延性系数μΔ与未经历疲劳加载的试件相比均有不同程度的降低，但各试件的位移延性系数仍大于4.6，表明其仍具有较好的延性.由于疲劳损伤的存在，试件发生脆性破坏的潜在风险增加，如试件FS6在最终破坏阶段钢梁突然断裂，具有一定的脆性破坏特征.

(2)根据表5和图5(a)，在抗剪连接程度相同的情况下，采用直径16 mm栓钉的试件FS2的极限变形能力略好于采用直径13 mm栓钉的组合梁试件FS1，但延性系数相近.与静力对比试件FS1相比，经历疲劳荷载作用后试件FS3的极限跨中挠度Δu和延性系数μΔ分别降低了约24.0%和20.6%；试件FS2和FS5在承载能力降至0.9Pu时对应的位移分别为45.6和31.5 mm，此时FS5的跨中挠度仅为FS2的0.69倍.综上可见，在经历疲劳加载后，采用直径13和16 mm两种栓钉的组合梁的极限变形能力均明显降低.

(3)图5(b)为不同抗剪连接程度组合梁试件的荷载-挠度曲线.由图可见，在弹性受力阶段各试件的变形能力并无明显差别；在进入承载力下降阶段后，试件FS4、FS5和FS6的承载力下降速率明显加快.在最终破坏时，部分抗剪连接组合梁试件FS4的极限跨中挠度Δu约为FS2的88.4%，而完全抗剪连接组合梁试件FS6的极限跨中挠度Δu约为FS2的96.6%.结合前述对试件FS5的分析可知，疲劳加载对部分抗剪承载组合梁的极限变形能力的影响较完全抗剪连接组合梁大.

(4)试件FS5和FS7所承受的疲劳应力幅分别为200和220 MPa，其在承载能力降至0.92Pu时的跨中挠度分别为31.7和27.7 mm，此时试件FS7的跨中挠度仅为FS5的87.4%.结合图5(c)中荷载-挠度曲线的走势可知，高应力幅作用导致的组合梁延性降低更为明显.

3.4 荷载-栓钉滑移曲线

栓钉是保证混凝土板和钢梁共同工作的重要连接部件，图3中3个栓钉的典型荷载-相对滑移曲线如图6所示.研究表明，大多数情况下，2#测点处栓钉的相对滑移较大，而1#和3#测点处栓钉的滑移相对较小.疲劳加载过程中，在部分试件钢梁和混凝土板界面处观测到较明显的相对错动，但由图6对比可见，经历疲劳加载后栓钉的滑移量未出现陡增现象，说明栓钉仍具有较好的受力性能.试验结束后敲开混凝土板，钢梁端部上翼缘栓钉的典型形态如图7所示，未观测到焊缝或钢梁母材开裂以及栓钉脱落的现象.

图6 典型的荷载-栓钉相对滑移曲线Fig.6 Typical curves of load versus relative slip of studs

图7 梁端栓钉形态Fig.7 Stud form at the beam end

4 结论

(1)与静力试件相比，疲劳加载后组合梁的破坏形态未发生改变，仍属弯曲破坏；由于疲劳损伤的存在，部分试件的最终破坏具有一定的突然性，呈现出脆性破坏的特征.

(2)疲劳损伤导致组合梁试件的极限变形能力有明显的降低，但各试件的位移延性系数仍大于4.6；疲劳加载对部分抗剪连接组合梁变形性能的影响大于对完全抗剪连接组合梁变形性能的影响.

(3)经历疲劳加载后试件的屈服荷载普遍有所提高，说明疲劳加载会导致钢材的强化；部分抗剪连接组合梁试件的极限承载能力普遍降低，但降低幅度有限；高疲劳应力幅引起的试件极限承载力的下降更为明显，降幅约为初始承载力的7.3%.

(4)当抗剪连接程度相同时，采用直径13或16 mm的栓钉对组合梁的极限承载力无明显影响.

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