鋼砼組合結構PBH剪力鍵的疲勞性能

范亮　閆龍彪　呂娜

摘要：為了研究鋼箱一砼組合結構中PBH剪力鍵在反復荷載作用下的疲勞性能，設計制作了PBH剪力鍵試驗模型，進行了24萬次疲勞推出試驗。在疲勞破壞形態和試驗滑移及應變數據分析的基礎上，利用數值工具開展肋板開孔孔徑、穿入鋼筋直徑、混凝土強度3個參數的PBH剪力鍵疲勞壽命影響因素分析。研究表明：PBH剪力鍵的疲勞破壞形態與靜載破壞相似，表觀表現為混凝土面多處斜向劈裂裂縫、內部榫孔混凝土壓碎、穿入鋼筋局部屈服；疲勞破壞演化過程分為疲勞損傷開始、發展、破壞3個階段，其中疲勞發展階段占整個疲勞階段的91.7%，結構剛度在疲勞損傷開始和發展階段退化較慢，在疲勞破壞階段退化較快；肋板開孔孔徑、穿入鋼筋直徑、混凝土強度3個參數對PBH剪力鍵疲勞壽命影響均有明顯影響，其中穿入鋼筋直徑對疲勞壽命的影響尤為突出。

關鍵詞：組合結構；剪力鍵；疲勞試驗；疲勞壽命

中圖分類號：TU398.9

文獻標志碼：A

文章編號：1674-4764（2016）06-0097-08

近年應用日益廣泛的鋼-混組合結構將兩種材料的優勢性能結合起來，突破混凝土和鋼結構單獨使用的局限，具有自重小、強度大、抗震性能強、截面設計靈活的優點，耐火性、耐久性、整體性相對于傳統結構均有很大提高。鋼-混組合結構主要應用于橋梁、高層建筑等領域。

作為鋼-混凝土組合結構的關鍵部件，剪力連接件把有較大彈性模量差別的鋼結構和混凝土結構連接成整體而共同工作，防止界面處過大滑移和分離。常用的剪力鍵形式有栓釘、PBL等，已對剪力鍵進行了抗剪承載力、疲勞性能等相關的廣泛研究。筆者在優化組合拱橋設計和施工的背景下提出了鋼箱-砼組合拱橋，并針對鋼箱-砼組合構件（圖1）提出了一種基于PBL的新型剪力鍵——開孔加勁肋套箍剪力聯結構造（PerfobondHoop，簡寫為PBH）。PBH位于鋼箱的側面鋼板，由焊接在鋼板上的肋板按照一定的問距挖孔，而后將穿入鋼筋穿過加勁肋的圓孔，并將穿入鋼筋作為澆筑混凝土后與鋼箱接觸的混凝土塊的鋼筋骨架的一部分。

PBH剪力鍵（圖2（a））在PBL（圖2（b））的基礎上發展而來，與PBL受力類似，PBH的抗剪力主要由孔內鋼筋混凝土榫構成。此外，PBH一個重要的特點是其穿過帶孔加勁肋的鋼筋是鋼箱上方混凝土中鋼筋骨架的一部分。由于混凝土受到箍筋套箍作用的影響，鋼筋混凝土榫的抗壓和抗剪性能均得到了改善，貫穿鋼筋作為鋼筋骨架中箍筋的一部分，變形受到了縱筋和混凝土的約束。PBH剪力連接構造由于抗剪鋼筋與箍筋合為一體，且與架立鋼筋及縱向受壓鋼筋形成鋼筋骨架，該鋼筋骨架內的混凝土將不同程度地參與界面抗剪。以上構造造成PBH和PBL在受力上的不同，文獻[17]中的試驗表明，在相同荷載下，PBL的變形增加速度大于PBH。以限制滑移量1mm為例，在該滑移量時，PBH試驗荷載值為537kN，而PBL試驗荷載值為429kN，PBH為PBL的1.25倍。

PBH剪力鍵構造的靜力性能已得到較深入研究?？紤]到鋼-混組合結構在承受動荷載的情況下，剪力鍵是組合結構的薄弱環節，易發生疲勞破壞，有必要進一步研究PBH剪力鍵在反復荷載作用下的疲勞力學性能。筆者結合PBH剪力鍵疲勞推出試驗及ABAQUS和FE-SAFE有限元疲勞分析方法，對PBH破壞模式、疲勞發展全過程及疲勞壽命影響因素等進行研究。

1.試驗方法及模型設計

在剪力鍵性能研究中，試驗方法有梁式試驗和推出試驗2種。EC4推薦的實驗方法是推出試驗。在推出試驗中混凝土承受直接剪力，雖然這種受力狀態與組合梁中混凝土板的彎曲應力狀態不一致，但在剪力連接件的力學性能研究中仍然多采用推出試驗。這是由于推出試驗相比于梁式試驗，試件的變形、破壞更加明顯，易于觀測；推出試驗所得出的構件的承載能力偏安全。綜上，PBH剪力連接件靜力抗剪承載力P_u以及疲勞壽命的試驗均采用推出試驗方法。

結合鋼箱-砼組合結構及前期研究成果。如圖3所示，參照歐洲規范中推出試件的尺寸，結合實驗室的設備情況，設計制作了PBH疲勞試驗試件。試件中帶孔鋼肋板厚8mm，開孔孔徑40mm，穿入鋼筋直徑10mm，鋼材為Q235鋼，混凝土標準立方體抗壓強度為55.7MPa，實測彈性模量為3.55×10⁴MPa。推出試驗模型如圖4所示。

2.疲勞推出試驗

2.1疲勞試驗加載程序及測試方法

疲勞試驗采用重慶交通大學100t位MTS疲勞試驗機，采用常幅正弦波載荷譜，考慮加載系統的共振影響及百分表反應時效，選擇3Hz加載頻率。

參照規范以及前期研究結果，根據靜載試件的靜載極限承載力P_u分別取0.72P_u和0.18P_u作為疲勞實驗時的疲勞上下限荷載。根據上述計算方法，試驗中疲勞加載上下限分別取650kN和270kN。

疲勞試驗加載分為預加載和疲勞加載2部分。疲勞加載分為3個階段。第1階段，進行分級加載靜載試驗，將荷載分5次加載至疲勞上限荷載，每次加載持荷15min后卸載；第2階段，疲勞加載，每進行2000次的循環加載中間隔持荷3min并采集數據。第3階段，若試件疲勞加載次數達到200萬次時未發生破壞，則將試件靜載加載直至破壞，加載過程如圖5所示。

界面相對滑移采用百分表測試鋼板與相鄰對應混凝土的相對位移量表征；試件應變測試采用短標距電阻應變片，并運用以溫度補償片進行修正。測點布置圖如圖6所示。

2.2疲勞試驗現象

循環加載次數達到7000次時，4條鋼箱與混凝土塊接觸縫界面均發現可見表面縫隙，此時相對滑移量較?。患虞d至2.53萬～13.3萬次時，一側混凝土塊肋板端部出現裂縫并逐漸發展至裂縫貫穿，形成包圍核心混凝土的封閉裂縫，如圖7所示；加載至13.6萬次時，混凝土下部榫孔處出現向下約45。斜裂縫，加載至14.6萬次時，上部榫孔處出現類似斜裂縫，裂縫隨著循環次數的增加向下發展加寬，如圖8所示；加載至23.2萬次時，混凝土與鋼箱界面問裂縫貫通至頂部；此時，連接件已失效；加載至24.1萬次時，混凝土與鋼箱界面滑移發展迅速，最大滑移值達3mm，遂終止試驗，認為該試件已發生疲勞破壞。對疲勞試驗結束后的試件進行解剖，榫孔處穿人鋼筋下方混凝土被壓成碎末，穿入鋼筋在榫孔處均發生局部彎曲變形，鋼箱肋板連接處有微小向內凹的趨勢。如圖9～10所示。

2.3疲勞試驗結果

由試驗現象可見，剪力鍵的疲勞破壞形態為：受到穿入鋼筋的反復擠壓，肋板孔內的混凝土榫受壓破碎，穿入鋼筋受到肋板寬度較小范圍內集中力反復作用，導致穿入鋼筋屈服。這與PBH剪力鍵靜載典型破壞模式相似。

2.3.1界面滑移量與荷載作用次數曲線對試驗結果進行處理，得到榫孔處鋼箱與混凝土塊之問的滑移量與荷載作用次數曲線如圖11所示。

圖11為鋼箱與混凝土相對滑移量與循環次數曲線，參照PBL剪力鍵的損傷累積規律研究成果，可將PBH剪力鍵疲勞損傷累積規律類似地分為3個階段：疲勞損傷開始階段、疲勞損傷發展階段、疲勞破壞階段。結構剛度在第1、2階段退化緩慢，在第3階段退化較快。疲勞損傷開始階段的荷載循環次數占整個壽命的4.6%左右，剪力鍵的界面滑移量為0.07mm；疲勞損傷發展階段的荷載循環次數占整個試件疲勞壽命的91.7%左右，剪力鍵的界面滑移量為0.20mm，該階段的界面滑移增長速率緩慢；疲勞破壞階段的荷載循環次數占整個試件疲勞壽命的3.7%左右，剪力鍵的界面滑移量為2.22mm，這個階段內剪力鍵的界面滑移量迅速增大，試件在較短的作用周期內發生疲勞破壞。

2.3.2鋼和混凝土應變幅值與荷載作用次數曲線

將不同位置的鋼和混凝土應變平均幅值均值作為鋼與混凝土在周期荷載上下限作用下的實測應變幅值，得到鋼和混凝土在疲勞試驗中應變幅值和疲勞循環作用次數的關系。

圖12為鋼與混凝土應變幅值隨加載次數發展的比較。鋼與混凝土的應變幅值與加載次數關系曲線也可以分為3個階段，第1階段為循環加載0～1萬次，鋼片和混凝土片的應變幅值均快速增加；此階段對應于剪力鍵的疲勞損傷第1階段，但前述疲勞損傷第1階段加載次數止于1.1萬次左右，略大于應變幅值曲線中的1萬次，說明鋼混組合結構的疲勞效應相比于鋼和混凝土單種材料的疲勞效應有一定的滯后；第2階段為循環加載1～23.2萬次，鋼片和混凝土片的應變幅值均緩慢線性增加，此階段對應于剪力鍵的疲勞損傷第2階段，剪力鍵的抗剪剛度緩慢退化，疲勞損傷第2階段加載次數也截止于23.2萬次左右，這說明此階段兩種材料已協同受力；第3階段為循環加載23.2～24.1萬次，鋼片和混凝土片的應變幅值均快速增加，此階段對應于剪力鍵的疲勞損傷第3階段，剪力鍵的抗剪剛度快速退化，以至于剪力鍵疲勞破壞。

相比來說，混凝土的應變幅值略大于鋼的應變幅值，表明加載線與支撐線不完全重合造成的同一水平位上變形不完全一致。

2.3.3試件不同位置的界面滑移和應變幅值比較

將上、下排鋼箱與混凝土塊界面滑移進行對比如圖13，上、中、下排鋼應變幅值對比如圖14。由圖13、14可知，在整個疲勞加載過程中，加載端位移幅值、應變幅值均大于結構支撐端，表明在結構的疲勞加載過程中，疲勞破壞局部變形由加載端向支撐端傳遞，此亦說明了剪力由加載端向支撐端傳遞的傳力機制。

3.PBH鍵疲勞壽命多參數影響分析

3.1疲勞壽命有限元分析方法

PBH剪力鍵疲勞性能研究采用ABAQUS+FE-SAFE分析相結合的方法。首先利用ABAQUS有限元軟件進行靜力分析，將得出的分析結果文件導人FE-SAFE軟件；FE-SAFE是分析結構疲勞的專用軟件，能夠分析多軸疲勞；依據疲勞試驗結果對軟件進行驗證，而后借助該軟件進行PBH剪力鍵疲勞性能的研究。

ABAQUS有限元軟件模型中鋼材和鋼筋本構采用理想彈塑性本構，其具體參數由材性實驗確定?；炷恋谋緲嬯P系采用損傷塑性模型。鋼箱肋板與混凝土之問界面采用虛擬軟弱夾層模擬，通過夾層材料的剪切變形模擬PBH剪力鍵界面滑移。

FE-SAFE軟件中的Seeger算法根據材料的彈性模量、抗拉極限強度UTS、材料類型3個特征自動計算材料的計算用S-N曲線。鋼筋與鋼箱肋板采用理想彈塑性本構，選擇Steel（Ductile）材料類型，抗拉極限強度設為300MPa；鋼箱與混凝土中問夾層材料選擇Steel（Ductile）材料類型，抗拉極限強度設為100MPa。在疲勞計算的過程中不考慮混凝土的影響，所以其材料設定可以適當加強。

載荷譜定義參照試驗取為常幅正弦波，并對應實驗疲勞上下限；計算過程采用局部應力應變Brown-Miller方法的Morrow平均應力準則修正。根據中國公路橋梁設計相應規范，取設計壽命為200萬次。

3.2可行性驗證

PBH疲勞推出試驗有限元分析疲勞壽命結果為10^5.366，即232274次，破壞位置在肋板位置的穿入鋼筋處。計算結果與實驗現像基本一致，說明利用re-safe在所選算法下的疲勞壽命計算可行。

3.3PBH鍵疲勞壽命影響分析

疲勞壽命分析中的荷載比u為疲勞加載過程中荷載下限P_min與荷載上限P_max的比值，即u=P_mim/p_max。對應推出試驗所取荷載比，在荷載比u=0.25情況下，對比不同參數下PBH的疲勞曲線。參照材料疲勞強度概念，定義疲勞強度為結構設計壽命200萬次內不發生結構疲勞破壞時的構件內最不利點應力值上限。對PBH而言，根據試驗現象和有限元分析，該最不利應力值出現在穿入鋼筋中，位置位于穿入鋼筋與開孔板垂直相交點處。以下分析中，將使用疲勞強度作為衡量試驗疲勞性能的一個分析指標。

以下將分析加勁肋板開孔孔徑、穿入鋼筋直徑、混凝土強度3個參數發生變化時的PBH疲勞S-N曲線。N為結構的疲勞壽命，是指結構發生疲勞破壞所經受的荷載循環次數，S為疲勞荷載加載過程中結構所承受的疲勞應力。

3.3.1加勁肋板開孔孔徑圖16為不同加勁肋板開孔孔徑下，PBH剪力鍵的疲勞曲線。

通過對圖16所示曲線的擬合，得到結果如下：在肋板開孔直徑允許范圍內，孔徑30、40、50mm試件的疲勞強度分別為189.2、202.1、215.4MPa，說明在其他條件相同情況下，孔徑越大，對應的疲勞強度越大；在相同最大疲勞破壞應力下，孔徑越大，壽命越長。其他條件相同的情況下，對于同一個試件，最大疲勞破壞應力越大，壽命越小。當破壞應力為230MPa時，加勁肋開孔孔徑為30、40、50mm時對應的疲勞壽命分別為21.7萬、35.7萬、75.1萬次，孔徑40mm比30mm的試件壽命大39%，孔徑50mm比30mm的試件壽命大71%。

3.3.2穿入鋼筋直徑

圖17為不同的穿入鋼筋直徑下，PBH剪力鍵的疲勞曲線。

通過對曲線的擬合分析，得到如下結果：穿孔鋼筋直徑分別為8、10、12mm試件的疲勞強度分別為183.0、202.1、211.7MPa，說明在其他條件相同情況下，穿入鋼筋直徑越大，對應的疲勞強度越大；在相同最大疲勞破壞應力下，穿入鋼筋直徑越大，壽命越長。其他條件相同的情況下，對于同一個試件，最大疲勞破壞應力越大，壽命越小。當破壞應力是230MPa時，穿入鋼筋直徑為8、10、12mm的試件對應的疲勞壽命為8.7萬、35.7萬、56.9萬次，直徑10mm比8mm的試件壽命大75%，直徑12mm比8mm的試件壽命大85%。

3.3.3混凝土強度圖18為不同的混凝土強度下，PBH剪力鍵的疲勞曲線。

通過對曲線的擬合分析，得到如下結果：C30、C45、C55混凝土試件的疲勞強度分別為167.3、190.8、202.1MPa，說明在其他條件相同情況下，混凝土強度越高，對應的疲勞強度越大；在相同最大疲勞破壞應力下，混凝土強度越高，壽命越長。其他條件相同的情況下，對于同一個試件，最大疲勞破壞應力越大，壽命越小。當破壞應力是230MPa時，混凝土強度為C30、C45、C55的試件對應的疲勞壽命為10.0萬、21.6萬、35.7萬次，混凝土強度為C45比C30的試件壽命大54%，混凝土強度為c55比C30的試件壽命大72%。

3.3.4疲勞壽命影響參數比較總結圖14、15、16以及在破壞應力為230MPa時參數變化導致試件疲勞壽命的變化可知，肋板開孔直徑、穿入鋼筋直徑及混凝土強度對PBH疲勞壽命的影響均較大，其中穿入鋼筋直徑變化影響最為顯出，而后是混凝土強度和肋板開孔孔徑。

4.結論

1）PBH剪力鍵疲勞損傷累積規律可分為3個階段：疲勞損傷開始階段、疲勞損傷發展階段、疲勞破壞階段。其剛度退化在上述3個階段中，第1、2階段退化緩慢，第3階段退化明顯較快。

2）PBH剪力鍵的疲勞破壞模式與靜載破壞相似：受到穿入鋼筋的反復擠壓，肋板孔內的混凝土榫受壓破碎，穿入鋼筋受到肋板寬度較小范圍內集中力反復作用，導致穿入鋼筋局部屈服。

3）PBH剪力鍵在疲勞加載過程中，位移幅值和應變幅值沿試件高度分布均表現為從加載端至支撐端逐漸減小，表明在結構的疲勞加載過程中，疲勞破壞局部變形由加載端向支撐端傳遞，這也說明剪力由加載端向支撐端傳遞的傳力機制。

4）PBH疲勞壽命有限元分析表明，PBH疲勞壽命隨肋板開孔直徑、穿人鋼筋直徑及混凝土強度的增加而增加，其中穿入鋼筋直徑對PBH剪力鍵的疲勞壽命影響最為顯著，其次是混凝土強度和肋板開孔孔徑。