高疲勞應(yīng)力幅下部分抗剪連接鋼-混凝土組合梁的疲勞性能

楊濤，劉詩媛，覃炳賢，林廣泰

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029；3.同濟(jì)大學(xué) 橋梁工程系，上海 200092)

0 引言

鋼-混凝土組合梁由鋼梁、混凝土板和抗剪連接件等組成，具有承載力高、施工方便等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)組合梁用于橋梁等承受動力荷載的結(jié)構(gòu)中時，組合梁的疲勞破壞問題較為突出。因此，組合梁連接和構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞性能得到了較多的研究：衛(wèi)星等[1]對開孔板抗剪連接件的疲勞性能開展了試驗(yàn)研究，指出可以用殘余滑移量來描述開孔板剪力件損傷的發(fā)展；HANSWILLE等[2-3]采用試驗(yàn)和理論分析相結(jié)合的方法建立了栓釘連接件相對滑移以及經(jīng)歷疲勞加載后剩余強(qiáng)度的計算模型；DOGAN等[4]提出了一種利用栓釘剪切剛度的變化情況預(yù)測結(jié)構(gòu)疲勞壽命的方法；HIGASHIY等[5-6]則通過試驗(yàn)研究了混凝土強(qiáng)度和類型與栓釘疲勞強(qiáng)度之間的關(guān)系；楊濤[7]基于國內(nèi)外的研究成果總結(jié)了影響抗剪連接件疲勞性能的因素。此外，部分學(xué)者研究了鋼-混凝土組合梁在疲勞荷載作用下的整體受力性能[8-10]、負(fù)彎矩作用下組合梁的疲勞性能[11]、鋼-預(yù)制混凝土板組合梁的疲勞性能[12]以及采用不同混凝土類型和處于不同工作環(huán)境下組合梁的疲勞性能[13-14]。綜上可知，疲勞損傷會導(dǎo)致組合梁受力性能的劣化，對承受疲勞荷載的組合梁的疲勞性能開展研究具有重要意義。為了降低抗剪連接件的焊接工作量，適當(dāng)減少組合梁中所用抗剪連接件的數(shù)量便形成了部分抗剪連接鋼-混凝土組合梁。與完全抗剪連接組合梁相比，部分抗剪連接組合梁的整體性相對較差，當(dāng)承受較高的疲勞荷載時更易產(chǎn)生疲勞損傷并發(fā)生疲勞破壞。因此，部分抗剪連接組合梁在高疲勞應(yīng)力幅下剛度和承載力等受力性能的退化規(guī)律值得關(guān)注，而目前相關(guān)研究成果較少。針對當(dāng)前存在的問題，本文對部分抗剪連接鋼-混凝土組合梁在較高疲勞應(yīng)力幅下的疲勞受力性能展開試驗(yàn)研究，以期為此類結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計

1.1 試件設(shè)計

試驗(yàn)設(shè)計了5根焊接工字形鋼-混凝土組合梁，試件編號分別為S1～S5。5個試件的基本尺寸及混凝土板中的配筋均相同，試件主要設(shè)計參數(shù)包括栓釘直徑、抗剪連接程度和鋼梁疲勞應(yīng)力幅，詳見表1。表中：d為栓釘直徑；s為栓釘間距；φ代表抗剪連接程度，為一個剪跨區(qū)內(nèi)實(shí)際布置的栓釘個數(shù)與該剪跨區(qū)按照完全抗剪連接設(shè)計時實(shí)際需要的栓釘個數(shù)的比值；Δσ為組合梁跨中截面鋼梁下翼緣疲勞應(yīng)力幅。試件S1和S3主要考察栓釘直徑的影響；試件S2～S4主要考察抗剪連接程度的影響；試件S3和S5主要考察最大疲勞應(yīng)力幅的影響。試件基本尺寸和配筋如圖1所示。工字形鋼梁由鋼板焊接而成，焊縫采用焊腳尺寸為7 mm的直角焊縫。鋼梁高200 mm，在鋼梁的上翼緣布置雙排栓釘。實(shí)測的混凝土軸心抗壓強(qiáng)度為43.8 MPa，彈性模量為3.5×104MPa。鋼材的力學(xué)性能指標(biāo)見表2。

表1 試件設(shè)計

圖1 試件尺寸及配筋

表2 鋼材力學(xué)性能

1.2 加載與測試方案

試件安裝和試驗(yàn)裝置分別如圖2和圖3所示。加載設(shè)備采用最大加載能力為2 000 kN的電液伺服作動器，對試件施加兩點(diǎn)對稱荷載。疲勞試驗(yàn)波采用等幅三角波，加載頻率約4 Hz。在疲勞試驗(yàn)過程中，當(dāng)加載到1萬、5萬、10萬、20萬、50萬、100萬時分別停機(jī)進(jìn)行一次靜力加卸載過程，靜力加卸載過程中所施加的最大靜力荷載與疲勞試驗(yàn)中的最大疲勞荷載Pmax相同。試驗(yàn)中各試件所承受的最小疲勞荷載Pmin取理論靜力極限承載力的10.0 %；組合梁跨中截面鋼梁下翼緣應(yīng)力幅Δσ取200 MPa(或220 MPa)，并根據(jù)Δσ推算最大疲勞荷載Pmax。疲勞試驗(yàn)中Pmax和Pmin的實(shí)際取值見表3。根據(jù)EC3規(guī)范[15]計算可知，組合梁中焊縫、栓釘連接件和鋼梁母材這3種疲勞細(xì)節(jié)的疲勞壽命均不超過100萬次；考慮到疲勞試驗(yàn)的離散性，疲勞試驗(yàn)的目標(biāo)加載次數(shù)取100萬次。若經(jīng)歷100萬次疲勞加載后試件仍未發(fā)生疲勞破壞，則通過單調(diào)靜力加載的方式加載至最終破壞。試驗(yàn)中主要測量組合梁的跨中撓度、鋼梁和混凝土板界面相對滑移、鋼梁和鋼筋應(yīng)變等指標(biāo)數(shù)據(jù)；測點(diǎn)布置如圖4所示，圖4中字母S、L和T分別代表鋼梁、混凝土板中縱向鋼筋和橫向鋼筋上的測點(diǎn)。

圖2 試件安裝

圖3 試驗(yàn)裝置

圖4 測點(diǎn)布置

2 疲勞加載過程

疲勞試驗(yàn)中各試件的主要試驗(yàn)現(xiàn)象見表3。對比可知，在100萬次疲勞荷載作用下混凝土板上產(chǎn)生的裂縫較少，鋼梁和混凝土板界面處會觀測到微小的相對錯動，除此之外未觀測到其他明顯的疲勞破壞現(xiàn)象。

表3 主要試驗(yàn)現(xiàn)象

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 跨中附加撓度

在疲勞加載過程中，為了避免位移傳感器發(fā)生疲勞破壞，只在靜力加卸載時才使位移傳感器頂桿與試件梁底接觸。疲勞試驗(yàn)過程中，在經(jīng)歷相應(yīng)的加載次數(shù)后對組合梁進(jìn)行一次靜力加卸載過程，所施加的最大靜力荷載值取Pmax。在經(jīng)歷相應(yīng)次數(shù)的疲勞加載后，靜載試驗(yàn)中各試件的最大跨中撓度的變化趨勢如圖5所示，圖5中：ΔP為荷載幅，ΔP=Pmax-Pmin。由圖5可知，靜力荷載下跨中撓度的變化趨勢可分為2個階段。① 第一階段：在經(jīng)歷最初幾萬次的疲勞加載后，與未經(jīng)歷疲勞加載時的跨中撓度相比，組合梁的跨中最大撓度呈降低的趨勢。這一現(xiàn)象可解釋為經(jīng)歷疲勞荷載作用后，混凝土板和鋼梁上翼緣表面的摩擦逐漸被克服，同時試件各部位之間的縫隙(如栓釘與混凝土之間、鋼梁與混凝土板之間)受到擠壓，組合梁產(chǎn)生了殘余撓度。② 第二階段：隨著疲勞加載次數(shù)的增加，靜力試驗(yàn)中組合梁的跨中最大撓度出現(xiàn)了波動，與第一階段結(jié)束時的跨中最大撓度相比，若實(shí)測的跨中撓度增加，跨中撓度增量反映了疲勞損傷引起的組合梁剛度的退化程度；若經(jīng)歷疲勞加載后靜力試驗(yàn)實(shí)測跨中撓度減小，則說明組合梁產(chǎn)生了新的殘余變形。

(a)試件S1

將未經(jīng)歷疲勞加載時組合梁的跨中最大撓度記為f0，圖5中第一階段和第二階段的分界點(diǎn)對應(yīng)的疲勞加載次數(shù)記為N0，100萬次疲勞加載后的跨中最大靜力撓度值記為f100，則經(jīng)歷N0次疲勞加載后的組合梁跨中殘余變形fr=f0-fN0，第二階段疲勞損傷引起的組合梁跨中撓度附加值fd=f100-fN0。上述數(shù)值列于表4，分析可知：① 試件S1和S3：試件S1采用了直徑13 mm的栓釘，其在疲勞加載初期產(chǎn)生了明顯的疲勞殘余變形，加載至50萬次時的殘余變形不小于1.21 mm，約為初始跨中最大撓度的26.0 %；試件S3采用了直徑16 mm的栓釘，雖然與S1的抗剪連接程度相同，但疲勞殘余變形和剛度退化明顯小于S1。② 試件S2～S4在加載初期均產(chǎn)生了不同程度的疲勞殘余變形，S2和S4產(chǎn)生的殘余變形分別不小于初始跨中最大撓度的11.0 %和10.0 %。對于上述3個試件而言，在第二階段由疲勞損傷引起的附加變形相對較少，均不超過初始跨中最大撓度的4.0 %，這說明抗剪連接程度對所研究組合梁的疲勞受力性能影響不顯著。③ 試件S5由于承受了較大的疲勞荷載幅，其在第二階段剛度退化也最為明顯，剛度退化引起的跨中附加撓度至少為初始跨中最大撓度的25.0 %。綜上，在疲勞荷載作用下，組合梁初期的疲勞殘余變形以及后期由疲勞損傷引起的疲勞附加變形較為可觀，在正常使用階段的變形驗(yàn)算時應(yīng)予以相應(yīng)的考慮。

表4 跨中附加撓度

3.2 界面相對滑移

鋼梁和混凝土板界面的相對滑移可以反映栓釘連接件的變形特性。試驗(yàn)中在圖4所示位置布置了3個位移傳感器測量界面相對滑移，其中3#位移計位于支座截面，其滑移值的變化可以反映組合梁中栓釘在疲勞荷載下受力的一般變化規(guī)律。3#栓釘所在截面的界面相對滑移與加載次數(shù)的關(guān)系曲線如圖6所示，由圖6可知：隨疲勞加載次數(shù)的增加，與最大疲勞荷載和疲勞荷載幅對應(yīng)的相對滑移呈現(xiàn)波動變化的特點(diǎn)，這種波動與栓釘抗剪剛度的下降和殘余滑移的產(chǎn)生有關(guān)。經(jīng)歷100萬次疲勞加載后組合梁試件的界面相對滑移的最大值接近于0.16 mm，明顯大于第1次靜力加載時的滑移值。相對滑移的增加導(dǎo)致組合梁截面產(chǎn)生附加曲率，也是疲勞荷載作用下鋼-混凝土組合梁產(chǎn)生疲勞附加撓度的主要原因之一。試驗(yàn)結(jié)束后鑿開混凝土板，未觀測到鋼梁母材和栓釘焊縫有撕裂現(xiàn)象。

(a)試件S1

3.3 混凝土板中鋼筋的受力

在經(jīng)歷疲勞荷載作用后的靜力試驗(yàn)中，各試件混凝土板中縱、橫向鋼筋應(yīng)變的典型變化曲線如圖7所示(以試件S2為例)。板中縱、橫向鋼筋的應(yīng)變在疲勞加載的前幾萬次會有一個明顯的突變，分析可知：① 縱筋最大應(yīng)力在初始疲勞加載階段的降低表明經(jīng)歷疲勞加載后縱筋內(nèi)產(chǎn)生了殘余應(yīng)力，這與組合梁的殘余變形有關(guān)；② 在隨后的疲勞加載過程中，縱、橫向鋼筋應(yīng)變保持相對穩(wěn)定或緩慢的增加。因此，疲勞設(shè)計中組合梁正彎矩區(qū)混凝土板中縱、橫向鋼筋按照靜力計算配置即可滿足疲勞設(shè)計的要求。

(a)縱向鋼筋

3.4 鋼梁下翼緣應(yīng)變

在靜力加卸載試驗(yàn)中，跨中截面鋼梁下翼緣應(yīng)變與加載次數(shù)的典型曲線如圖8所示。在經(jīng)歷疲勞加載的初始階段后，鋼梁下翼緣的應(yīng)變有一個快速的小幅下降段，隨后進(jìn)入相對穩(wěn)定的階段。鋼梁下翼緣應(yīng)變的變化規(guī)律與縱筋類似，說明在前幾萬次的加載過程中在鋼梁下翼緣形成了殘余應(yīng)變，換算得到的殘余應(yīng)力為20.0～62.0 MPa。

(a)試件S2

4 疲勞加載后的靜力性能

在疲勞加載后對組合梁進(jìn)行了單調(diào)靜力加載試驗(yàn)，相關(guān)研究結(jié)果見文獻(xiàn)[16]。疲勞試驗(yàn)后的靜力加載試驗(yàn)表明：高應(yīng)力幅疲勞加載對部分抗剪連接組合梁變形性能的影響大于對完全抗剪連接組合梁變形性能的影響；部分抗剪連接組合梁試件的極限承載能力有不同程度的降低，但降幅較為有限；較高疲勞應(yīng)力幅引起的試件靜力極限承載力的下降更為明顯，降幅可達(dá)初始極限承載力的7.3 %。

5 結(jié)論

① 當(dāng)跨中鋼梁疲勞應(yīng)力幅為200 MPa(或220 MPa)時，試件在經(jīng)受100萬次的疲勞加載后未發(fā)生明顯的疲勞破壞，實(shí)際疲勞壽命高于按照EC3規(guī)范計算所得的疲勞壽命；與完全抗剪連接組合梁相比，部分抗剪連接組合梁的疲勞受力性能并未表現(xiàn)出顯著的差異。

② 在經(jīng)歷最初的幾萬次疲勞加載后，組合梁跨中產(chǎn)生了較明顯的殘余撓度，最大殘余撓度可到初始跨中最大撓度的26.0 %以上；此外，疲勞損傷也導(dǎo)致組合梁產(chǎn)生了附加撓度，其中在220 MPa疲勞應(yīng)力幅作用下的組合梁的跨中附加撓度至少為初始跨中最大撓度的25.0 %。因此，對于承受疲勞荷載的組合梁進(jìn)行正常使用階段的驗(yàn)算時，應(yīng)考慮殘余撓度及疲勞附加變形的影響。

③ 在部分抗剪連接組合梁的疲勞設(shè)計中，組合梁正彎矩區(qū)混凝土板中的縱、橫向鋼筋按照靜力計算方法配筋可以滿足疲勞設(shè)計的要求。