高疲劳应力幅下部分抗剪连接钢-混凝土组合梁的疲劳性能

杨涛，刘诗媛，覃炳贤，林广泰

(1.广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁 530004；2.广西新发展交通集团有限公司，广西 南宁 530029；3.同济大学 桥梁工程系，上海 200092)

0 引言

钢-混凝土组合梁由钢梁、混凝土板和抗剪连接件等组成，具有承载力高、施工方便等优点。当组合梁用于桥梁等承受动力荷载的结构中时，组合梁的疲劳破坏问题较为突出。因此，组合梁连接和构造细节的疲劳性能得到了较多的研究：卫星等[1]对开孔板抗剪连接件的疲劳性能开展了试验研究，指出可以用残余滑移量来描述开孔板剪力件损伤的发展；HANSWILLE等[2-3]采用试验和理论分析相结合的方法建立了栓钉连接件相对滑移以及经历疲劳加载后剩余强度的计算模型；DOGAN等[4]提出了一种利用栓钉剪切刚度的变化情况预测结构疲劳寿命的方法；HIGASHIY等[5-6]则通过试验研究了混凝土强度和类型与栓钉疲劳强度之间的关系；杨涛[7]基于国内外的研究成果总结了影响抗剪连接件疲劳性能的因素。此外，部分学者研究了钢-混凝土组合梁在疲劳荷载作用下的整体受力性能[8-10]、负弯矩作用下组合梁的疲劳性能[11]、钢-预制混凝土板组合梁的疲劳性能[12]以及采用不同混凝土类型和处于不同工作环境下组合梁的疲劳性能[13-14]。综上可知，疲劳损伤会导致组合梁受力性能的劣化，对承受疲劳荷载的组合梁的疲劳性能开展研究具有重要意义。为了降低抗剪连接件的焊接工作量，适当减少组合梁中所用抗剪连接件的数量便形成了部分抗剪连接钢-混凝土组合梁。与完全抗剪连接组合梁相比，部分抗剪连接组合梁的整体性相对较差，当承受较高的疲劳荷载时更易产生疲劳损伤并发生疲劳破坏。因此，部分抗剪连接组合梁在高疲劳应力幅下刚度和承载力等受力性能的退化规律值得关注，而目前相关研究成果较少。针对当前存在的问题，本文对部分抗剪连接钢-混凝土组合梁在较高疲劳应力幅下的疲劳受力性能展开试验研究，以期为此类结构的疲劳设计提供参考。

1 试验设计

1.1 试件设计

试验设计了5根焊接工字形钢-混凝土组合梁，试件编号分别为S1～S5。5个试件的基本尺寸及混凝土板中的配筋均相同，试件主要设计参数包括栓钉直径、抗剪连接程度和钢梁疲劳应力幅，详见表1。表中：d为栓钉直径；s为栓钉间距；φ代表抗剪连接程度，为一个剪跨区内实际布置的栓钉个数与该剪跨区按照完全抗剪连接设计时实际需要的栓钉个数的比值；Δσ为组合梁跨中截面钢梁下翼缘疲劳应力幅。试件S1和S3主要考察栓钉直径的影响；试件S2～S4主要考察抗剪连接程度的影响；试件S3和S5主要考察最大疲劳应力幅的影响。试件基本尺寸和配筋如图1所示。工字形钢梁由钢板焊接而成，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双排栓钉。实测的混凝土轴心抗压强度为43.8 MPa，弹性模量为3.5×104MPa。钢材的力学性能指标见表2。

表1 试件设计

图1 试件尺寸及配筋

表2 钢材力学性能

1.2 加载与测试方案

试件安装和试验装置分别如图2和图3所示。加载设备采用最大加载能力为2 000 kN的电液伺服作动器，对试件施加两点对称荷载。疲劳试验波采用等幅三角波，加载频率约4 Hz。在疲劳试验过程中，当加载到1万、5万、10万、20万、50万、100万时分别停机进行一次静力加卸载过程，静力加卸载过程中所施加的最大静力荷载与疲劳试验中的最大疲劳荷载Pmax相同。试验中各试件所承受的最小疲劳荷载Pmin取理论静力极限承载力的10.0 %；组合梁跨中截面钢梁下翼缘应力幅Δσ取200 MPa(或220 MPa)，并根据Δσ推算最大疲劳荷载Pmax。疲劳试验中Pmax和Pmin的实际取值见表3。根据EC3规范[15]计算可知，组合梁中焊缝、栓钉连接件和钢梁母材这3种疲劳细节的疲劳寿命均不超过100万次；考虑到疲劳试验的离散性，疲劳试验的目标加载次数取100万次。若经历100万次疲劳加载后试件仍未发生疲劳破坏，则通过单调静力加载的方式加载至最终破坏。试验中主要测量组合梁的跨中挠度、钢梁和混凝土板界面相对滑移、钢梁和钢筋应变等指标数据；测点布置如图4所示，图4中字母S、L和T分别代表钢梁、混凝土板中纵向钢筋和横向钢筋上的测点。

图2 试件安装

图3 试验装置

图4 测点布置

2 疲劳加载过程

疲劳试验中各试件的主要试验现象见表3。对比可知，在100万次疲劳荷载作用下混凝土板上产生的裂缝较少，钢梁和混凝土板界面处会观测到微小的相对错动，除此之外未观测到其他明显的疲劳破坏现象。

表3 主要试验现象

3 试验结果分析

3.1 跨中附加挠度

在疲劳加载过程中，为了避免位移传感器发生疲劳破坏，只在静力加卸载时才使位移传感器顶杆与试件梁底接触。疲劳试验过程中，在经历相应的加载次数后对组合梁进行一次静力加卸载过程，所施加的最大静力荷载值取Pmax。在经历相应次数的疲劳加载后，静载试验中各试件的最大跨中挠度的变化趋势如图5所示，图5中：ΔP为荷载幅，ΔP=Pmax-Pmin。由图5可知，静力荷载下跨中挠度的变化趋势可分为2个阶段。① 第一阶段：在经历最初几万次的疲劳加载后，与未经历疲劳加载时的跨中挠度相比，组合梁的跨中最大挠度呈降低的趋势。这一现象可解释为经历疲劳荷载作用后，混凝土板和钢梁上翼缘表面的摩擦逐渐被克服，同时试件各部位之间的缝隙(如栓钉与混凝土之间、钢梁与混凝土板之间)受到挤压，组合梁产生了残余挠度。② 第二阶段：随着疲劳加载次数的增加，静力试验中组合梁的跨中最大挠度出现了波动，与第一阶段结束时的跨中最大挠度相比，若实测的跨中挠度增加，跨中挠度增量反映了疲劳损伤引起的组合梁刚度的退化程度；若经历疲劳加载后静力试验实测跨中挠度减小，则说明组合梁产生了新的残余变形。

(a)试件S1

将未经历疲劳加载时组合梁的跨中最大挠度记为f0，图5中第一阶段和第二阶段的分界点对应的疲劳加载次数记为N0，100万次疲劳加载后的跨中最大静力挠度值记为f100，则经历N0次疲劳加载后的组合梁跨中残余变形fr=f0-fN0，第二阶段疲劳损伤引起的组合梁跨中挠度附加值fd=f100-fN0。上述数值列于表4，分析可知：① 试件S1和S3：试件S1采用了直径13 mm的栓钉，其在疲劳加载初期产生了明显的疲劳残余变形，加载至50万次时的残余变形不小于1.21 mm，约为初始跨中最大挠度的26.0 %；试件S3采用了直径16 mm的栓钉，虽然与S1的抗剪连接程度相同，但疲劳残余变形和刚度退化明显小于S1。② 试件S2～S4在加载初期均产生了不同程度的疲劳残余变形，S2和S4产生的残余变形分别不小于初始跨中最大挠度的11.0 %和10.0 %。对于上述3个试件而言，在第二阶段由疲劳损伤引起的附加变形相对较少，均不超过初始跨中最大挠度的4.0 %，这说明抗剪连接程度对所研究组合梁的疲劳受力性能影响不显著。③ 试件S5由于承受了较大的疲劳荷载幅，其在第二阶段刚度退化也最为明显，刚度退化引起的跨中附加挠度至少为初始跨中最大挠度的25.0 %。综上，在疲劳荷载作用下，组合梁初期的疲劳残余变形以及后期由疲劳损伤引起的疲劳附加变形较为可观，在正常使用阶段的变形验算时应予以相应的考虑。

表4 跨中附加挠度

3.2 界面相对滑移

钢梁和混凝土板界面的相对滑移可以反映栓钉连接件的变形特性。试验中在图4所示位置布置了3个位移传感器测量界面相对滑移，其中3#位移计位于支座截面，其滑移值的变化可以反映组合梁中栓钉在疲劳荷载下受力的一般变化规律。3#栓钉所在截面的界面相对滑移与加载次数的关系曲线如图6所示，由图6可知：随疲劳加载次数的增加，与最大疲劳荷载和疲劳荷载幅对应的相对滑移呈现波动变化的特点，这种波动与栓钉抗剪刚度的下降和残余滑移的产生有关。经历100万次疲劳加载后组合梁试件的界面相对滑移的最大值接近于0.16 mm，明显大于第1次静力加载时的滑移值。相对滑移的增加导致组合梁截面产生附加曲率，也是疲劳荷载作用下钢-混凝土组合梁产生疲劳附加挠度的主要原因之一。试验结束后凿开混凝土板，未观测到钢梁母材和栓钉焊缝有撕裂现象。

(a)试件S1

3.3 混凝土板中钢筋的受力

在经历疲劳荷载作用后的静力试验中，各试件混凝土板中纵、横向钢筋应变的典型变化曲线如图7所示(以试件S2为例)。板中纵、横向钢筋的应变在疲劳加载的前几万次会有一个明显的突变，分析可知：① 纵筋最大应力在初始疲劳加载阶段的降低表明经历疲劳加载后纵筋内产生了残余应力，这与组合梁的残余变形有关；② 在随后的疲劳加载过程中，纵、横向钢筋应变保持相对稳定或缓慢的增加。因此，疲劳设计中组合梁正弯矩区混凝土板中纵、横向钢筋按照静力计算配置即可满足疲劳设计的要求。

(a)纵向钢筋

3.4 钢梁下翼缘应变

在静力加卸载试验中，跨中截面钢梁下翼缘应变与加载次数的典型曲线如图8所示。在经历疲劳加载的初始阶段后，钢梁下翼缘的应变有一个快速的小幅下降段，随后进入相对稳定的阶段。钢梁下翼缘应变的变化规律与纵筋类似，说明在前几万次的加载过程中在钢梁下翼缘形成了残余应变，换算得到的残余应力为20.0～62.0 MPa。

(a)试件S2

4 疲劳加载后的静力性能

在疲劳加载后对组合梁进行了单调静力加载试验，相关研究结果见文献[16]。疲劳试验后的静力加载试验表明：高应力幅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；部分抗剪连接组合梁试件的极限承载能力有不同程度的降低，但降幅较为有限；较高疲劳应力幅引起的试件静力极限承载力的下降更为明显，降幅可达初始极限承载力的7.3 %。

5 结论

① 当跨中钢梁疲劳应力幅为200 MPa(或220 MPa)时，试件在经受100万次的疲劳加载后未发生明显的疲劳破坏，实际疲劳寿命高于按照EC3规范计算所得的疲劳寿命；与完全抗剪连接组合梁相比，部分抗剪连接组合梁的疲劳受力性能并未表现出显著的差异。

② 在经历最初的几万次疲劳加载后，组合梁跨中产生了较明显的残余挠度，最大残余挠度可到初始跨中最大挠度的26.0 %以上；此外，疲劳损伤也导致组合梁产生了附加挠度，其中在220 MPa疲劳应力幅作用下的组合梁的跨中附加挠度至少为初始跨中最大挠度的25.0 %。因此，对于承受疲劳荷载的组合梁进行正常使用阶段的验算时，应考虑残余挠度及疲劳附加变形的影响。

③ 在部分抗剪连接组合梁的疲劳设计中，组合梁正弯矩区混凝土板中的纵、横向钢筋按照静力计算方法配筋可以满足疲劳设计的要求。