超载对钢-混凝土组合梁桥疲劳力学性能影响分析

郭至博　孟令佩　卜建清　张吉仁　荀敬川

关键词：桥涵工程;钢-混凝土组合梁;疲劳刚度;剩余承载力;车辆超载

中图分类号：U441.4;TU398 文献标识码：A DOI： 10.7535/hbgykj.2023yx01001

鋼-混凝土组合梁桥是通过剪力连接件将混凝土与钢梁连接而成的组合结构[1]。大量的工程实践表明，钢-混凝土组合梁桥有质量轻、强度高、施工迅速快捷、经济效益好、造型美观等优点，正逐步成为常规跨径桥梁建设中极富竞争力的桥型[2-5]。但在荷载的反复作用，尤其是超载车辆的作用，会加剧结构的疲劳破坏，对桥梁结构的疲劳刚度和剩余承载力等力学性能造成显著影响[6-8]。

针对钢-混凝土组合梁刚度计算，王景全等[9]采用有效刚度法对组合梁挠度计算的组合系数进行了推导，将考虑不同抗剪连接度的组合梁挠度计算统一起来，算例计算结果与试验结果吻合良好。聂建国等[10]提出了跨中残余挠度的计算公式，并通过试验验证了该方法的有效性。现有规范采用折减刚度法对组合梁静载挠度进行计算，其中刚度折减系数的计算尚缺乏完整的理论依据，在实际应用中存在一定的局限性[11]，尤其当钢-混凝土组合梁抗剪连接度较大或承受荷载较大时，该方法的误差较为明显。围绕钢-混凝土组合梁承载力计算方法，汪炳[12]基于混凝土板、钢梁及栓钉的剩余强度和剩余刚度模型，提出了不同抗剪连接度下栓钉式与PBL式组合梁剩余承载力的计算方法。项贻强等[13]将栓钉初始缺陷考虑在内，提出了改进的栓钉式钢-混凝土组合梁剩余承载力计算方法。

综上可见，目前钢-混凝土组合梁疲劳变形计算方法仍存在一定缺陷，且超载对钢-混凝土组合梁桥力学性能的影响鲜有研究。车辆超载问题的存在会加速钢-混凝土组合梁桥的力学性能退化。本文引进新的理论计算方法用于钢-混凝土组合梁疲劳刚度计算，通过疲劳荷载计算模型量化分析超载车辆的荷载放大效应，并以某简支钢-混凝土组合梁桥为例，分析不同超载程度下该桥疲劳刚度、抗剪连接度与剩余承载力的退化规律。

1 钢-混凝土组合梁疲劳刚度的计算

在疲劳荷载作用下，组合梁刚度不断退化，加载n 次后组合梁疲劳刚度定义式如式（1）所示。

1.1 钢-混凝土组合梁静载挠度的计算

已有研究表明，若在设计中按照静力方法计算钢-混凝土组合梁疲劳刚度，得到组合梁的变形值小于实际值，使得设计偏于不安全[13]。本文通过引入文献[14]中提出的改进折减刚度法对组合梁静载挠度fe 进行计算，该方法将有效刚度作为考虑滑移效应的折减刚度，且在刚度折减系数的计算中引入计算长度因子，如式（2）—式（5）所示：

1.3 算例验证

选取文献[20]中的4根试验梁，验证本文第1节方法的有效性，将试验所测挠度与采用文献[20]及本文方法的计算结果相对比，对比结果如表1所示。

由表1可以看出，本文方法计算结果与文献[20]方法计算结果吻合良好，文献[20]所用方法最大误差为26%，而本文计算方法的最大误差控制在12%以内，2种计算方法的计算值与实测值之比均接近1，而本文所用方法得到的计算结果标准差小于文献[20]计算方法的标准差，由此可见，本文计算方法不仅精度较高，且离散性较小，针对钢-混凝土组合梁挠度可进行有效预测。

2 钢-混凝土组合梁剩余承载力的计算

2.1 材料力学性能退化模型

以文献[12]所给的剩余承载力计算方法为基础，基于各材料力学性能退化模型和精度更高的栓钉承载力退化模型，给出了不同抗剪连接度下钢-混凝土组合梁剩余承载力的计算公式。

3.3 车辆超载对疲劳力学性能的影响分析

以桥梁设计基准期100 a为计算终点，加载间隔为5 a，采用文献[26]中日交通量为9 304辆，车辆年作用次数为3 395 960次，计算得组合梁桥算例在不同服役期下的疲劳刚度值，如图8所示。

从图8 中可以看出：随着运营时间的增加，钢-混凝土组合梁桥处于正常运营状态时其疲劳刚度退化曲线斜率较小，说明该状态下刚度退化较为缓慢;处于一般超载状态下的钢-混凝土组合梁桥疲劳刚度退化曲线在加载初、中期曲线的斜率较小，说明刚度退化速率较缓，水平较低，而加载末期曲线的斜率较大，说明刚度退化速率较大，水平较高;处于严重超载状态下的钢-混凝土组合梁桥疲劳刚度退化曲线呈抛物线形，曲线斜率随运营时间不断增大，退化速率不断增加。结果表明超载对组合梁桥疲劳刚度的退化规律影响显著，因此在提高桥梁抗疲劳性能的同时必须加大对此超载问题的处置力度，从而保证桥梁的可靠性。

随着服役年限的增加，组合梁桥栓钉承载力与抗剪连接度均会产生变化，组合梁桥算例的栓钉抗剪连接度和剩余承载力变化曲线如图9、图10所示。由图9可知，本文桥梁算例中初始抗剪连接度为3.728，而随着运营时间与超载程度的增加，栓钉的承载能力明显下降，组合梁桥抗剪连接度逐渐降低，但不同运营状态下的抗剪连接度均保持在完全抗剪连接范围。在目前实际桥梁结构中，栓钉设计均按照完全抗剪连接程度设计，即栓钉数量与单个栓钉抗剪承载力均远高于规范要求，体现为抗剪连接程度均远高于1。

由于不同超载状态下组合梁桥算例抗剪连接度始终大于1，因此采用完全抗剪连接时的组合梁剩余承载力计算公式可得组合梁桥算例的剩余承载力变化曲线，如图11所示。从图11中可以看出：随着运营时间的增加，3种不同运营状态下钢-混凝土组合梁桥剩余承载力的退化曲线均大致呈直线型，说明剩余承载力的退化速率较为稳定，但组合梁桥剩余承载力退化曲线的斜率随着超载程度的加深而不断增大，表明超载运营将加重和加速组合梁桥剩余承载力的退化，显著降低组合梁桥的结构抗力。

4 结语

通过理论分析与实证研究揭示了车辆超载对钢-混凝土组合梁疲劳刚度、抗剪连接度及剩余承载力的影响规律，研究了不同超载程度对其疲劳刚度、抗剪连接度及剩余承载力的影响规律，主要研究结论如下。

1）采用本文提出的组合梁疲劳变形计算方法对相关文献中的算例进行计算，最大误差在12%以内，采用传统方法进行计算时最大误差为26%，且本文所用方法的标准差小于传统方法。与传统方法相比，本文提出的组合梁疲劳变形计算方法离散性较小且计算精度高，可对组合梁挠度进行有效预测。

2）与以往考虑桥梁受活载作用相比，在已有活载影响修正系数的基础上提出的超载车辆影响修正系数，充分考虑了超载车辆对桥梁荷载效应的影响，使得研究更贴合实际;并计算得到正常运营、一般超载与严重超载3种不同超载程度下桥梁的疲劳荷载幅值，荷载幅值上限均为502 kN，下限分别为877，963，1027 kN。

3）超载车辆对组合梁桥疲劳刚度及剩余承载力影响显著，随着超载程度增大，组合梁桥疲劳刚度、抗剪连接度及剩余承载力的退化速率与退化量均呈增大趋势。组合梁桥疲劳刚度退化曲线出现急剧下降段，且抗剪连接度与剩余承载力退化曲线均呈直线型。

论文根据等效损伤理论将随机疲劳荷载转化为常幅疲劳荷载进行研究，为使得加载工况更贴合实际，今后应对随机荷载作用下的钢-混凝土组合梁桥疲劳力学性能展开研究，并探索适用于钢-混凝土组合梁桥的非线性疲劳累积损伤理论。