关于钢-混凝土组合梁疲劳性能研究的阐述

刘殿忠 陈泳先

（吉林建筑大学， 吉林 长春 132000）

0 引言

钢-混凝土组合梁的初期模型并无抗剪连接件进行连接的外包混凝土工字梁，国内对于组合梁的试验科研开始于70 年代末期，近几十年来，钢-混凝土组合梁发展迅速并普遍应用于重工业厂房、新型住宅等范围。钢梁与混凝土板之间相互作用通过剪力链接件形成组合梁，钢梁的形式主要分为工字钢、槽钢和箱型钢梁，混凝土板采用的工艺可以是预制工艺或者现浇工艺。钢-混凝土组合梁的特点是，钢梁位于下部受剪力与拉力，混凝土板位于上部受压力，混凝土板避免了钢梁受压的侧向位移，防止失稳。相比与钢筋混凝土梁，组合梁结构楼盖的高度减小,自身重量减小，从而减小地震带来的副作用，有效增加使用空间，缩短施工周期。钢梁为了保持整体的稳定性和加强构件之间的连接性，需要增加形式复杂多样的构件，因而构造上比组合梁结构更为严格也更为复杂，相比较来说，组合梁构造简单，造价也更为低廉，在降低了结构高度的同时还增大了刚度，在一定程度上减少用钢量，极大提高了结构的、防火性、耐腐蚀性。当前，国内对钢-混凝土组合梁的科研方向着重于静力方向，对疲劳性能的研究还不够，仍需完善相关规范中关于疲劳性能的规章制度。

1 钢-混凝土组合梁的研究

1.1 对于普通钢-混凝土组合梁的疲劳性能研究

钢-混凝土组合梁的疲劳性能是指在低于静载强度下，受到交变载荷作用，混凝土内部结构不断变化，同时材料也发生性能优劣变化直至失效。除材料特性、混凝土配合比、时间可以影响组合梁的疲劳性能外，更重要因素的是组合梁结构的受力状态、荷载循环特性以及荷载频率。程玉琨[1]从钢-混凝土组合连续梁桥的负弯矩区考虑，进行抗疲劳性能研究，建立了倒U 形框架有限元模型，分析比较了组合梁侧向扭转屈曲的弹性临界弯矩Mcr,得出钢梁的高度越低,临界弯矩越大,组合梁越容易发生疲劳破坏,建议通过增加钢梁的高度来增强组合梁的疲劳性能。

以简支钢-混凝土叠合板的组合梁为例，进行疲劳破坏形态分析，组合梁的破坏形态分为三种，组合梁的弯曲破坏是首先中间钢梁受疲劳荷载产生屈服，然后混凝土翼板破坏，剪跨段出现竖向裂缝，当荷载达到45%的极限荷载时，钢梁与混凝土翼板产生小幅度的滑移，直到荷载达到80%的极限荷载时，混凝土翼板在跨中的横向线中有明显的裂缝。组合梁的弯剪破坏是当荷载达到75%的极限荷载时，混凝土侧面产生开裂从底部扩展到上部，随着荷载的加大，纵向剪切裂缝向支座进行扩展，但对组合梁承载力没有明显影响。组合梁的纵向剪切破坏是当荷载达到90%的极限荷载时,纵向剪切裂缝已经穿透剪跨区域,对结构的刚度产生影响。曹团结[2]对ECC 组合梁与普通钢筋混凝土组合梁进行疲劳荷载作用下塑形损伤的对比,得出了荷载作用次数为100 时,普通钢筋混凝土组合梁没有疲劳损伤,当荷载作用次数为1000、5000 次时，普通钢筋混凝土组合梁的最大损伤均发生在纯弯段的受拉区域。运用相似方法，张大付[3]使用MATLAB 数值分析软件，绘制了混凝土强度与疲劳累积损伤的函数图，得出疲劳累积损伤减弱是由于混凝土强度等级的增加。同时建立组合箱梁模型，分析钢箱梁高度、混凝土翼板厚度等要素，得出了组合箱梁的疲劳性能主要受混凝土梁翼板厚度和翼板跨度因素影响，改变混凝土的强度等级和钢箱梁的高度意义不大，所以建议在工程应用上，主要考虑提高混凝土梁翼板的厚度从而增强组合箱梁的疲劳性能。

1.2 对于预应力钢-混凝土组合梁的疲劳性能研究

在钢构件上施加中心压力或者偏心压力，作用是预先反向变形来抵抗正向变形趋势，由于预应力的施加，组合梁在受到外荷载作用时，应力被界定在一定的区域内，预应力的施加增大了材料的弹性范围，增强组合梁的疲劳性能，充分地发挥高强材料特性。基于弹塑性有限变形理论，宗周红[4]对组合梁的讨论显示，预应力能够减少由工作荷载引起的拉应力，同时还能最大程度削弱应力幅, 从而避免构件开裂，延长组合梁的使用时间。在连续组合梁中,因为混凝土负弯矩区的约束，采用预应力可以解决构件横向开裂的问题，增强负弯矩区混凝土的受力性能。同时，宗周红[5]还采用两点集中加载的方式对组合梁进行疲劳试验，实验结果指出，预应力的施加能够改变疲劳阶段单一的拉应力循环，使钢梁更好的受力，同时使截面内力由混凝土板向钢梁的重分布，让组合梁整体刚度显著提升，疲劳强度增大。

1.3 对于钢-混凝土组合梁栓钉连接件的疲劳性能研究

抗剪连接件是影响组合梁疲劳性能的重要原因，在普遍状况下，组合梁发生疲劳失效是由剪力连接件的剪切疲劳失效引起的。依据变形能力大小抗剪连接件分为刚性和柔性，柔性连接件的优势在于其抗剪承载力不会因为出现滑移现象而减小。栓钉连接件作为柔性连接件中的一种，相比于槽钢和弯起钢筋在承担同样剪力时的用钢量最小，同时易于工业化、产品化，受力性能好，对混凝土板中钢筋布置的影响较小。

余浩瀚[6]通过ABAQUS 有限元分析软件,建立了十组模型研究栓钉的抗剪承载力影响因素，分析得出混凝土强度等级对栓钉抗剪承载力虽有加强但效果并不显著，通过补充栓钉的个数也不能显著的提高栓钉的抗剪承载力，在实际工程应用中，主要要通过增加栓钉的直径和屈服强度从而加强承载力。林广泰[7]分别对现浇工艺与预制工艺的两种钢-混凝土组合梁,进行单调静力加载试验及等幅疲劳加载试验，通过绘制栓钉滑移距离与加载次数的函数图像，分析了栓钉疲劳性能的三个阶段，第一阶段为前5 万次疲劳荷载循环，在第一阶段栓钉的滑移距离增加缓慢，第二阶段为5 万次到20 万次的疲劳荷载循环，在第二阶段栓钉的滑移距离成线性快速增加，第三阶段为20 万次到50 万次的疲劳荷载循环，在第三阶段，栓钉的抗剪性能由于疲劳积累已经发生了明显的退化，从而造成组合梁整体刚度降低。最终结果显示，预制工艺与现浇工艺组合梁中抗剪栓钉连接件的刚度都根据疲劳荷载循环频率的提高而减小，但现浇工艺的钢-混凝土组合梁的栓钉刚度下降比较慢，疲劳寿命长。

2 对于钢-混凝土组合梁疲劳性能研究的总结与展望

国内外对组合梁的研究正在持续进行，但对于疲劳性能的研究还远远不够，虽然目前很多工程中的组合梁没有出现疲劳破坏，但是组合梁的疲劳性问题会随着时间的演化逐渐显现，随着科研技术的发展与创新，对于组合梁要进行各种环境、不同破坏因素的疲劳分析。