鋼-混凝土組合梁疲勞性能研究進展

楊濤

(同濟大學 建筑工程系,上海 200092)

鋼-混凝土組合梁最早出現于20世紀20年代,主要由鋼梁、混凝土板和抗剪連接件組成。由于充分利用了鋼材和混凝土的材料性能,組合梁具有承載力高、剛度大、施工方便等優點。1957年,我國在武漢長江大橋上首次采用了外包混凝土組合梁。隨后,鋼-混凝土組合梁在國內橋梁工程中得到了廣泛的應用。由于車輛等動荷載的作用,鋼-混凝土組合梁的疲勞問題日益突出。國外規范中,AISC LRFD[1]、Eurocode 4[2]和BS5400[3]等均對鋼-混凝土組合梁的疲勞設計做了規定,我國部分規范如《鋼結構設計規范》[4]包含了組合梁疲勞設計的條文,但并不完善。本文對國內外的相關文獻進行了系統的整理分析,相關內容可以為組合梁的疲勞設計提供參考。

1 抗剪連接件的疲勞性能

抗剪連接件包括栓釘、開孔板和后安裝抗剪連接件等多種類型,主要用于傳遞混凝土板和鋼梁之間的剪力。由于連接件的重要作用,其疲勞性能得到了較多的關注。

1.1 栓釘抗剪連接件

1)影響疲勞性能的因素。栓釘是應用最廣泛的抗剪連接件形式之一,而組合梁的疲勞破壞多始于栓釘連接件處[5-6]。影響栓釘疲勞性能的因素主要有應力幅、混凝土性能、焊接質量、栓釘規格和受力形式等。1966-1967年,Slutter和Fisher通過研究認為栓釘連接件的疲勞壽命主要與所受的疲勞應力幅有關[7],并提出了如下公式

式中N—疲勞循環次數;Δτ—疲勞應力幅。

此后的大量試驗也表明,疲勞應力幅是影響栓釘疲勞壽命的主要因素之一。Naithani等人的研究表明:混凝土強度對栓釘疲勞壽命的影響不大[5];混凝土澆筑方向的不同導致試驗結果有一定的離散[8]。目前,對直徑25mm以上栓釘的疲勞性能研究較少。Lee通過對直徑分別為 25mm、28mm、30mm栓釘的疲勞試驗研究指出,大直徑栓釘的疲勞強度與普通直徑栓釘相比略微偏低,其設計的安全性應予以提高[9];文獻[10-11] 的研究表明,AASHTO和ECCS規范公式可用于大直徑栓釘的疲勞設計。由于現有的栓釘疲勞壽命計算公式多基于對常規直徑栓釘疲勞試驗數據的擬合,其對大直徑栓釘疲勞設計的適用性有待進一步的試驗驗證。焊接方式(手工電弧焊和焊槍熔焊)會對栓釘的疲勞破壞模式產生影響[12];焊接質量對栓釘的疲勞壽命有較大的影響,應對其進行嚴格的質量檢查[13]。當所受的疲勞應力幅相同時,栓釘在雙向荷載作用下的疲勞壽命高于單向荷載作用下的壽命[14]。組合梁中采用預制混凝土板時,板上預留孔洞的大小和位置、鋼梁和混凝土板之間砂漿墊層的厚度等均會對栓釘的性能產生影響。Shim的研究表明[15]:隨著鋼梁和預制混凝土板之間砂漿墊層厚度的增加,栓釘的靜力抗剪承載力降低;砂漿墊層對栓釘疲勞性能的影響有待進一步的研究。

2)栓釘疲勞壽命計算模型。較為常用的栓釘疲勞壽命計算模型有3種:(1)僅考慮疲勞應力幅對疲勞壽命的影響,如Fisher公式、EC4規范公式等。(2)同時考慮栓釘靜載能力和疲勞荷載幅的影響,如BS5400規范公式。(3)疲勞荷載作用下,栓釘的極限抗剪承載力隨著疲勞循環次數的增加而降低[16-18],因此,認為疲勞破壞前栓釘極限抗剪承載力為常量的觀點并不合理[19]。Oehlers建議在計算栓釘疲勞壽命時同時考慮最大疲勞荷載Pp和靜力極限承載力PR的影響,在此基礎上形成了最大疲勞荷載模型(Peak load model)。3種模型的計算公式見表1,其中△τ為疲勞應力幅,△P為疲勞荷載幅,m、k為特征參數,N為疲勞荷載循環作用次數。文獻[21] 提出了一種基于斷裂力學的栓釘疲勞壽命計算方法,該方法可用于有初始缺陷栓釘的疲勞壽命計算。

根據Lee[9]、Badie[10]等學者的研究以及蕪湖大橋、南浦大橋等工程建設中進行的栓釘連接件的疲勞試驗,本文篩選出了76組數據,并將其與相關疲勞壽命計算公式進行了比較,如圖1所示。由圖比較可知,Fisher公式的計算壽命偏于保守,EC4、BS5400等規范公式的計算結果較為合理;修訂后的EC4規范(EN1994-2,2005)對栓釘疲勞應力幅的要求較以前(ENV1994-2,1994)更為嚴格;由于Naithani采用了改進的栓釘試件[5],其試驗數據點明顯偏下,可見試驗方法對疲勞試驗結果的影響較為明顯。不同規范對栓釘疲勞應力幅的限值列于表2。

1.2 其他抗剪連接件

近年來,開孔板和后安裝抗剪連接件在工程中的應用逐漸增多,部分學者對其疲勞性能進行了研究。Ahn等通過試驗指出[24]:承受循環荷載作用的開孔板連接件的孔洞中應配置橫向鋼筋以保證抗剪承載力。宗周紅對開孔板連接件進行了疲勞試驗,試驗中開孔板試件的界面滑移小于栓釘試件,并且開孔板未發生疲勞破壞[25]。目前,開孔板連接件疲勞性能的試驗研究尚不充分,影響開孔板疲勞性能的因素有待進一步研究。后安裝抗剪連接件可減少施焊量,但需要在鋼梁翼緣上預留孔洞;Kayir[26]的研究表明,非焊接后安裝連接件的疲勞性能優于焊接抗剪連接件。

表1 栓釘疲勞壽命計算模型Tab.1 Calculating models of fatigue life of studs

表2 栓釘疲勞應力幅限值Tab.2 Limits of fatigue stress range of studs

2 鋼-混凝土組合梁的疲勞性能

2.1 普通鋼-混凝土組合梁

鋼-混凝土組合梁根據抗剪連接度可分為完全抗剪連接組合梁和部分抗剪連接組合梁。由于部分抗剪連接組合梁的整體性較完全抗剪連接組合梁差,其疲勞性能得到了較多的研究。Yen等人對44根組合梁進行了試驗研究,主要考察了連接度和混凝土板中配筋形式對組合梁疲勞性能的影響[27]。研究表明:較大的荷載、較少的栓釘抗剪連接件以及大間距的配筋是組合梁發生疲勞破壞的根源;完全抗剪連接可以避免組合梁產生過大的變形;板中配筋具有重要的作用,板中配置金屬網的試件性能較好。李建軍通過對部分抗剪連接組合梁的疲勞試驗得到以下結論[28]:在疲勞破壞發生前,組合梁的剛度雖有下降,但下降并不明顯;當疲勞破壞發生時,組合梁的截面剛度迅速下降,抗彎承載力也隨之減小;隨著疲勞加載次數的增加,梁的疲勞殘余撓度逐漸增大。

最大疲勞荷載是影響組合梁疲勞性能的主要因素之一。Krige等通過對18根壓型鋼板組合板試件的靜力和疲勞試驗指出[29]:對于任意的最小疲勞荷載,當最大疲勞荷載大于50%的極限荷載時,裂縫將不可避免的產生,并導致剛度的損失、跨中撓度的增加以及板的最終破壞。

綜上,部分連接組合梁在疲勞破壞前承載力損失并不明顯,但可能產生較大的變形;混凝土板中合理的配筋形式可以改善梁的疲勞性能;疲勞荷載峰值過大是組合梁發生疲勞破壞的主要誘因之一。

2.2 預應力鋼-混凝土組合梁

預應力的施加可以改善鋼-混凝土組合梁的疲勞性能。Albrecht等對11根預應力鋼-混凝土組合梁進行了疲勞試驗,主要研究了預應力對鋼梁及焊接于鋼梁下翼緣的蓋板細節疲勞強度的影響[30]。試驗表明:預應力的施加使梁的平均疲勞強度提高了一個等級;預應力對蓋板細節疲勞強度的提高并不一致,應力幅越小,疲勞強度提高越多。

Kennedy和宗周紅對連續組合梁的研究也表明:預應力可有效減小疲勞荷載引起的應力幅,從而提高組合梁的疲勞壽命和極限承載力[31];在連續組合梁中,負彎矩區混凝土控制疲勞設計,采用預應力將消除橫向裂縫,從而大大改善負彎矩區混凝土的受力性能[25]。

2.3 加固后的鋼-混凝土組合梁

在工程中常需對組合梁進行修復或加固,部分學者對修復或加固后組合梁的疲勞性能進行了研究。Dawood對3根組合梁進行了疲勞試驗研究,其中兩根采用高彈性模量CFRP加固,一根為普通梁[32]。試驗表明:CFRP有助于減小過載引起的殘余變形;采用CFRP加固的試驗梁經受了300萬次疲勞循環加載,其疲勞性能與試驗中承受較低荷載幅的普通組合梁相似。Albrecht[33]對10根預應力鋼-混凝土組合梁進行了疲勞試驗,在鋼梁上出現疲勞裂縫后分別采用了3種加固方法,(1)在裂縫的端部打孔,并安裝一個具有預壓力的高強螺栓,如圖2(a)所示。(2)在腹板上開孔并設置連接板,如圖2(b)所示。(3)提高預應力筋的預應力。通過對加固后組合梁疲勞性能的研究可知,提高預應力筋的預應力是限制疲勞裂縫進一步發展的最有效方法。

3 組合梁的疲勞壽命評估

結構的疲勞可分為高周疲勞和低周疲勞,其中高周疲勞的特點是應力水平低、經歷的疲勞循環次數多,而低周疲勞的特點是應力水平高、經歷的疲勞循環次數少。當組合梁用于公路橋梁結構中時,車輛等動荷載引起的結構疲勞一般屬于高周疲勞,此時可按照以下程序對組合梁的疲勞壽命進行評估:(1)確定結構所承受的疲勞荷載。組合梁所承受的疲勞荷載可參照BS5400、EC4等國外規范采用車道荷載模型或標準疲勞荷載車模型進行計算,也可根據交通流量的觀測統計資料或對未來交通流量的預測得到相應的荷載譜[34]。(2)計算疲勞應力譜。根據疲勞荷載譜,采用彈性方法計算出組合梁中相應連接和構造細節的疲勞應力譜。(3)疲勞壽命評估。在得到連接和構造細節的疲勞應力譜后,利用Basquin方程以及Palmgren-Miner線性累積損傷準則對其進行疲勞壽命評估。

4 結語

通過對國內外研究文獻和規范的整理、分析和對比可知:在確保栓釘抗剪連接件焊接質量的前提下,應力幅是影響栓釘疲勞壽命的主要因素;開孔板、后安裝抗剪連接件具有較好的抗疲勞性能,但應對影響其疲勞性能的因素做進一步的研究;在橋梁等承受動荷載的結構中,如果對結構變形有嚴格的控制,不宜采用部分連接組合梁;預應力的施加有利于改善組合梁的疲勞性能;疲勞損傷產生后,采用了合理加固措施的組合梁也可以具有較好的抗疲勞性能。

[1] American Institute of Steel Construction.Load and resistance factor design specification for structural steel buildings[S] .

[2] European Committee for Standardization.Design of composite steel and concrete structures,Part2:bridges[S] .

[3] British Standards Institution.BS5400,Steel,concrete and composite bridges.Part 10:code of practice for fatigue[S] .

[4] (GB50017-2003),鋼結構設計規范[S] .

[5] NAITHANI K C,GUPTA V K,GADH A D.Behaviour of shear connectors under dynamic loads[J] .Materials and StructuresMatériaux etConstructions,1988,21,359-363.[6] AHN J H,KIM S H,JEONG Y J.Fatigue experiment of studwelded on steel plate for a new bridge deck system[J] .Steel and Composite Structures,2007,7(5):391-404.

[7] SLUTTER RG,FISHER J W.Fatigue strength of shear connectors[R] .Highway Research RecordNo.147,1966.

[8] AKAO S,KURITA A.Concrete placing and fatigue of shear studs[C] .Fatigue of Steel and Concrete Structures.IABSE Colloquium Lausanne,1982.

[9] LEE P G,SHIM C S.Static and fatigue behavior of large stud shear connectors for steel concrete composite bridges[J] .Journal of Constructional Steel Research,2005(61):1270-1285

[10] BADIE S S,TADROS M K,KAKISH H F,et al.Large shear studs for composite action in steel bridge girders[J] .Journal of Bridge Engineering,2002,7(3):195-203.

[11] 蕪湖橋組合結構專題研究組.蕪湖橋組合結構試驗研究總報告[R] .1997.

[12] CIVJAN S A,SINGH P.Behavior of shear studs subjected to fully reversed cyclic loading[J] .Journal of Structural Engineering,2003,129(11):1466-1474.

[13] 鄭州工學院.鋼-混凝土栓釘連接件壓型鋼板組合梁動載疲勞性能試驗研究[R] .鄭州工學院土建系,1990.

[14] SERACINO R,OEHLERS D J,YEO M F.Behaviour of stud shear connectors subjected to bi-directional cyclic loading[J] .Advances in Structural Engineering.2003,6(1):65-75.

[15] SHIM C S,LEE P G,CHANG S P.Design of shear connection in composite steel and concrete bridges with precast decks[J] .Journal of ConstructionalSteel Research,2001,5:203-219.

[16] MARIE WESTBERG M B.Influence of fatigue on headed stud connectors in composite bridges[D] .Lule:University of Technology,2004.

[17] HANSWILLE G,PORSCH M,USTUNDAG C.Resistance of headed studssubjected to fatigue loading,Part I:Experimental study[J] .Journal of Constructional Steel Research,2007,63:475-484.

[18] HANSWILLE G,PORSCH M,USTUNDAG C.Resistance of headed studs subjected to fatigue loading,Part II:Analytical study[J] .Journal of Constructional Steel Research,2007,63:485-493.

[19] OEHLERS D J.Deterioration in strength of stud connectors in composite bridge beams[J] .Journal of Structural Engineering,1990,116(12):3417-3431.

[20] JOHNSON R P.Resistance of stud shear connectors to fatigue[J] .Journal of Constructional Steel Research,2000,56:101-116.

[21] 王宇航,聶建國.基于斷裂力學的組合梁栓釘疲勞性能[J] .清華大學學報,2009,49(9):35-38.

[22] American Association of State Highway and Transportation Officials.AASHTO LRFD Bridge Design Specifications[S] .

[23] European Convention for ConstructionalSteelwork,Composite Structures[S] .

[24] AHN J H,KIM S H,JEONG Y J.Shear behavior of profound rib shears connector under static and cyclic loadings[J] .Magazine of Concrete Research,2008,60(5):347-357

[25] 宗周紅.預應力鋼-混凝土組合梁靜動載行為研究[D] .成都:西南交通大學,1998.

[26] KAYIR H.Methods to develop composite action in noncomposite bridge floor systems:Fatigue behavior of postinstalled shear connectors[D] .The University of Texas,2006.

[27] YEN Y J R,LIN Y,LAI M T.Composite beams subjected to static and fatigue loads[J] .The JournalStructural Engineering,1997,(7):765-771.

[28] 李建軍.鋼-混凝土組合梁疲勞性能的試驗研究[D] .北京:清華大學,2002.

[29] KRIGE G J,MAHACHI J.Dynamic behavior of composite floors[J] .Journal of Constructional Steel Research,1995(34):249-269.

[30] ALBRECHT P,LI W,SAADATMANESH H.Fatigue strength of pre-stressed composite steel-concrete beams[J] .Journal of Structural Engineering,1995(121):1850-1856.

[31] KENNEDY J B,GRACE N F.Pre-stressed continuous composite bridges under dynamic load[J] .Journal of Structural Engineering,1990,116(6):1660-1678

[32] DAWOOD M,RIZKALLA S,SUMNER E.Fatigue and overloading behavior of steel-concrete composite flexural members strengthened with high modulus CFRP materials[J] .Journal of Composites for Construction,2007,11(6):659-669.

[33] ALBRECHT P,LENWARI A.Fatigue strength of repaired pre-stressed composite beams[J] .Journal of Bridge Engineering,2008,13(4):409-417.

[34] 童樂為,沈祖炎.城市道路橋梁的疲勞荷載譜[J] .土木工程學報,1997,30(5):20-27.