钢-混凝土组合梁疲劳性能研究进展

林广泰，郑　健，陈迪森

(1.广西路桥工程集团有限公司，广西　南宁　530011；2.广西大学土木建筑工程学院，广西　南宁　530004)



钢-混凝土组合梁疲劳性能研究进展

林广泰1，郑健1，陈迪森2

(1.广西路桥工程集团有限公司，广西南宁530011；2.广西大学土木建筑工程学院，广西南宁530004)

由于重复荷载以及车辆等动荷载的作用，组合梁的疲劳问题日益突出，目前组合梁在桥梁工程上应用时间较短，疲劳问题尚未显露，因此需要对组合梁疲劳进行更深入的研究。文章对栓钉疲劳性能影响因素、栓钉疲劳寿命计算模型以及近几年来国内外有关组合梁的发展状况进行分类总结，为疲劳荷载作用下钢-混凝土组合梁设计提供参考建议。

钢-混凝土组合梁；栓钉；疲劳性能；计算模型；疲劳寿命

0　引言

钢-混凝土组合梁结构主要由混凝土板和钢梁通过抗剪连接件组合连接而成。20世纪50年代欧美、日本等国先后开展了组合梁的研究，组合梁开始应用于工程实例中；到1970年，这些国家又投入了大量资金进行组合梁理论研究和应用。20世纪80年代我国开始组合结构的研究和应用，经过国内外专家学者几十年的研究与实践，组合梁已经广泛应用于建筑结构及桥梁工程领域并在世界范围内得到了快速推广。

近年来，日本、德国、法国在组合梁研究上进行了比较充分的研究，提出了一些新型的施工方法，比如预制混凝土板法、预制混凝土纵向滑移法、分段现浇法等；并

且提出了一些新的设计方法，比如根据现有施工方法调整钢梁和混凝土板应力状态的设计方法等。国内外有关组合梁疲劳性能的研究较多，相关的组合梁疲劳规范如国外EC4[1]、AISC LRFD[2]、BS5400[3]规范以及我国《钢结构设计规范》[4]均对组合梁疲劳设计作了相关规定，但有关组合梁疲劳设计的细则并不是非常完善，相关细则大部分为疲劳试验数据的拟合以及静力试验方面。由于重复荷载以及车辆等动荷载的作用，组合梁的疲劳问题日益突出，因此需要对组合梁疲劳进行更深入的研究。

1　栓钉疲劳性能

栓钉是组合梁中最常用的抗剪连接件，是钢梁与混凝土板组合起来的关键元件，而组合梁的疲劳破坏多始于栓钉连接件处[5]。栓钉的疲劳性能主要和栓钉规格、栓钉应力幅、栓钉受力形式及混凝土有关[6]。聂建国分析其原因在文献[7]中指出，大直径栓钉在疲劳试验中较小直径栓钉所承受的剪力应力幅大，其主要承受低周疲劳荷载，而《欧洲规范4》中的相关公式是基于高周疲劳试验结果的拟合以及Lee等人试验中大直径栓钉疲劳寿命略低于《欧洲规范4》计算的理论疲劳寿命。

到目前为止，国内外学者提出了3种基本栓钉疲劳寿命计算模型，分别有：(1)只考虑栓钉所受疲劳应力幅影响所提出的疲劳寿命计算模型；(2)同时考虑栓钉荷载幅和栓钉静力极限抗剪承载力影响的疲劳寿命计算模型；(3)既考虑荷载幅、静力极限抗剪承载力的同时，又考虑最大疲劳荷载影响的疲劳寿命计算模型。

以上3种模型基本沿用了金属疲劳的S-N曲线方法，即通过大量的试验数据点的拟合和修正，从而规定栓钉疲劳寿命和荷载幅、静力极限抗剪承载力以及最大疲劳荷载之间的关系。聂建国等人进行了基于断裂力学的组合梁栓钉疲劳性能研究[8]，通过理论计算，积分结果给出了栓钉的疲劳寿命计算公式：

(1)

式中：N——理论计算疲劳寿命；

Δf——名义剪力幅；

fmax——名义剪应力上限值；

fu——疲劳时极限强度；

c、m——Paris参数，主要与材料性质有关，文献[8]取值c=6.5×10-16、m=4.1；

a0——初始裂纹特征长度，当焊缝质量达到探伤的Ⅱ级标准时，可假定a0=2 mm。

结果证明，组合梁中栓钉疲劳寿命采用基于断裂力学的评估方法结果较为准确，并且试验结果离散性较小，同时可以根据结构设计中的重要性等级，满足栓钉疲劳寿命的保证率，让组合梁的设计更为安全、可靠，可为同类型结构的疲劳设计和工程应用提供参考。

2　钢-混凝土组合梁研究进展

钢-混凝土组合梁的疲劳性能不仅与栓钉的疲劳特性有关，而且与钢梁的疲劳特性有关，钢梁与混凝土的界面滑移随着疲劳荷载次数的变化不可忽略，界面的滑移变化规律对于组合梁的疲劳刚度计算有着重要意义。目前，国内外学者对钢-混凝土组合梁的疲劳性能试验研究均表明，栓钉刚度随着疲劳加载次数增加而下降，栓钉刚度的退化宏观反映在整体梁刚度的退化。

2011年，清华大学的聂建国、王宇航通过8根钢板-混凝土组合受弯加固简支梁的等幅疲劳加载试验研究发现，组合加固梁的疲劳破坏是由钢板裂纹从栓钉焊趾处开始缓慢扩展直至贯通导致的，与普通钢筋混凝土梁相比，加固后的组合梁，其疲劳破坏时有相当好的延性；钢板的应力幅对加固后的组合梁疲劳性能影响较大，在实际设计过程中，应严格控制钢板的应力幅和应力上限，并且尽量不采用较薄的钢板和高强钢材，加固层预应力可有效提高组合加固梁的疲劳性能[9]。

2012年，Weiwei Lin和Teruhiko Yoda研究了负弯矩作用下钢-混凝土组合梁的疲劳性能。研究结果发现，当重复荷载相当于初始开裂荷载时，疲劳荷载只对组合梁的刚度和开裂模式有影响，但影响有限；当重复荷载相当于静力开裂荷载时，随着疲劳加载次数增加，组合梁抗弯刚度、栓钉抗剪刚度均逐渐下降并且残余裂缝很多出现在初次静力试验中；当重复荷载大于初始开裂荷载时，随着疲劳加载次数增加，组合梁抗弯刚度、栓钉抗剪刚度却略有增加[10]。

2012年，杨勇、周现伟等人对带钢板-混凝土组合桥面板的组合梁进行了疲劳试验，主要研究了在承受正弯矩和负弯矩时，疲劳荷载上、下限值及疲劳荷载幅值等因素对带钢板-混凝土组合桥面板组合梁的疲劳破坏模式及疲劳累积损伤的影响。试验表明：正弯矩组合梁试件的疲劳破坏形态为组合梁底部钢梁疲劳破坏，进而受压区混凝土压碎破坏，试件疲劳寿命与疲劳应力幅有直接关系，而疲劳荷载上、下限值对疲劳寿命影响不大[11]。

2012年，同济大学的杨涛、薛伟辰通过基于3根模型梁试件的单调静力试验，当钢-混凝土组合梁承受体外预应力时，对组合梁的受力性能进行了研究，研究证明：当组合梁施加体外预应力时，可以有效提高组合梁的抗弯承载力，但试件的延性有所降低，增大栓钉间距可以提高试件的极限变形能力，但对其抗弯承载力的影响不大；试件的抗剪连接程度越低，达到极限荷载时栓钉滑移值越大[12]。

2013年，西安交通大学的卫星、肖林为研究反复荷载作用下钢-混组合结构PBL剪力键的疲劳性能，设计了6组24个PBL剪力键推出试验模型，进行三因素二水平的正交试验。以静载试验测得的极限承载力为标准，测试得到每组试件在不同荷载反复作用下各试件能承受的荷载循环次数，在此基础上建立了荷载作用次数与残余滑移量之间的关系曲线，确定了PBL剪力键疲劳损伤的3个阶段及与之对应的破坏形态。其研究结果表明：残余滑移量能够用于描写PBL剪力键损伤的过程，在各种加载条件下，可以用这种形式来度量PBL剪力键的疲劳寿命和疲劳损伤[13]。

2013年，同济大学的童乐为、咸庆军等人通过对3根尺度和构造细节与实际工程一致的H型钢混凝土梁进行了基于设计荷载的静力试验和200万次的疲劳试验研究表明：在设计荷载静力作用和200万次循环作用下，SRC梁保持完好，处在弹性阶段，混凝土表面最大裂缝宽度≤0.2 mm；增大荷载幅之后，SRC梁又经历了31～146万次寿命后发生疲劳破坏；在发生疲劳破坏前，SRC梁各组件协同工作良好，并且截面的应变分布也较符合平截面的相关假定；疲劳破坏起源于H型钢受拉翼缘与腹板的焊接部位，焊接H型钢梁的疲劳性能对整个SRC梁的疲劳强度起着十分关键的作用[14]。

2013年，中铁大桥局的徐海鹰、唐细彪对一组轻骨料混凝土栓钉推出试件进行疲劳试验。研究结果表明，轻骨料混凝土栓钉连接件50%和97.72%保证率下的疲劳强度分别为126.7 MPa和105.5 MPa，该结果与其它关于普通混凝土栓钉连接件的相关研究成果差异不大，且要高于Eurocode 4规范值；试件的疲劳曲线特性和疲劳破坏形式方面与普通混凝土栓钉连接件基本相似，轻骨料混凝土运用在剪力钉连接件的方案可行[15]。

2015年，中南大学的刘小洁、李亚平等人通过3根简支钢-混凝土组合箱梁的静载试验以及重复加载试验研究发现，重复荷载的反复作用使钢梁和混凝土翼板之间的相对滑移逐渐变大、组合梁的整体截面刚度下降、跨中挠度变大，组合箱梁的刚度随加载次数的增加而下降，部分剪力连接的组合箱梁有较好的抗疲劳性能，组合箱梁的抗剪连接程度越大，其抗疲劳性能也越好[16]。

3　结语

本文通过对栓钉疲劳性能影响因素、栓钉疲劳寿命计算模型以及近几年来国内外有关组合梁的发展状况进行分类总结，为桥梁工程上进行桥梁寿命评估、安全性及耐久性评估提供重要依据，为疲劳荷载作用下钢-混凝土组合梁设计提供参考建议。

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

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

[3]British Standards Institution.BS5400，Steel，concrete and composite bridges.Part10：code of practice for fatigue[S].

[4](GB50017-2003)，Code for Design of Steel Structures in China[S].

[5]聂建国.钢-混凝土组合梁结构[M].北京：科学出版社，2005.

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

[7]聂建国，王宇航.钢-混凝土组合梁疲劳性能研究综述[J].工程力学，2012，29(6)：1-11.

[8]王宇航，聂建国.基于断裂力学的组合梁栓钉疲劳性能[J].清华大学学报，2009，49(9)：35-38.

[9]聂建国，王宇航.钢板-混凝土组合受弯加固梁疲劳性能试验研究[J].建筑结构学报，2011，32(2)：1-9.

[10]Weiwei Lin，Teruhiko Yoda，Nozomu Taniguchi.Fatigue tests on straight steel-concrete composite beams subjected to hogging moment[J].Journal of Constructional Steel Research，2013，80：42-56.

[11]杨勇，周现伟，薛建阳，等.带钢板-混凝土组合桥面板的组合梁疲劳性能试验研究[J].土木工程学报，2012，45(6)：123-131.

[12]杨涛，薛伟辰.单调荷载下体外预应力钢-混凝土组合梁的受力性能[J].江苏大学学报，2012，33(2)：233-238.

[13]卫星，肖林.钢-混组合结构PBL剪力键疲劳寿命试验[J].中国公路学报，2013，26(6)：96-102.

[14]童乐为，咸庆军，周丽瑛，等.高铁站房型钢混凝土梁疲劳性能试验[J].同济大学学报，2013，41(3)：368-482.

[15]徐海鹰，唐细彪.轻骨料混凝土栓钉连接件疲劳性能研究[J].铁道工程学报，2013(5)：97-101.

[16]刘小洁，李亚平，刘亚茹，等.钢-混凝土组合箱梁的抗弯疲劳性能试验研究[J].铁道科学与工程学报，2015，12(5)：1123-1129.

Progress in Fatigue Property Study of Steel-concrete Composite Beam

LIN Guang-tai1，ZHENG Jian1，CHEN Di-sen2

(1.Guangxi Road and Bridge Engineering Group Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530011；2.College of Civil Engineering and Architecture，Guangxi University，Nanning，Guangxi，530004)

Due to the impact of repeated load and dynamic load such as vehicles，the fatigue problem of composite beam has become increasingly prominent，currently the application of composite beam in bridge engineering has not been a long time yet，its fatigue problem has not been revealed，thus it is required to further study the fatigue problem of composite beam.This article classified and summarized the influencing factors of studs fatigue performance，stud fatigue life calculation model，as well as the relevant domestic and foreign composite beam development situation in recent years，thereby providing the reference recommendation for steel-concrete composite beam design under fatigue loads.

Steel-concrete composite beams；Stud；Fatigue properties；Calculation model；Fatigue life

U441+.6

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.07.009

1673-4874(2016)07-0034-03

2016-06-05

林广泰(1989— )，硕士，研究方向：组合桥梁混凝土结构；

郑健(1990—)，硕士，研究方向：钢管混凝土结构安全性；

陈迪森(1991—)，硕士，主要从事Bim技术开发以及高性能混凝土研究工作。