超载对钢-混凝土组合梁桥疲劳力学性能影响分析_郭至博.pdf

第4 0卷第1期河 北 工 业 科 技V o l.4 0,N o.12 0 2 3年1月H e b e i J o u r n a l o f I n d u s t r i a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g yJ a n.2 0 2 3 文章编号:1 0 0 8-1 5 3 4(2 0 2 3)0 1-0 0 0 1-0 9超载对钢-混凝土组合梁桥疲劳力学性能影响分析郭至博1,孟令佩1,卜建清2,张吉仁3,荀敬川4(1.石家庄铁道大学土木工程学院,河北石家庄 0 5 0 0 4 3;2.石家庄铁道大学交通运输学院,河北石家庄 0 5 0 0 4 3;3.风工程与桥梁工程湖南省重点实验室,湖南长沙 4 1 0 0 8 2;4.中建路桥集团有限公司,河北石家庄 0 5 0 0 0 1)摘 要:为了进一步揭示车辆超载对组合结构桥梁疲劳力学性能的影响规律,并减小车辆超载对桥梁疲劳刚度和剩余承载力等性能所产生的不利影响,对现有钢-混凝土组合梁疲劳刚度的理论计算方法加以改进。基于疲劳荷载计算模型量化分析超载车辆的荷载放大效应,并以某实桥为例分析了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。结果表明:随着超载程度的增加,组合梁桥疲劳刚度与剩余承载力的退化速率和退化量均有增大趋势,最大退化量分别为4 2%和3 2%,呈现出明显的非线性;抗剪连接度下降,但均保持在完全抗剪连接范围内。所得出的超载对疲劳刚度与剩余承载力的影响规律可为进一步完善钢-混凝土组合梁桥的疲劳损伤理论提供借鉴。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:U 4 4 1.4;TU 3 9 8 文献标识码:A D O I:1 0.7 5 3 5/h b g y k j.2 0 2 3 y x 0 1 0 0 1收稿日期:2 0 2 2-0 7-1 6;修回日期:2 0 2 2-1 2-3 0;责任编辑:王海云基金项目:国家重点研发计划项目(2 0 2 1 Y F B 2 6 0 0 6 0 0,2 0 2 1 Y F B 2 6 0 0 6 0 5);河北省重点研发计划项目(1 9 2 7 5 4 0 5 D)第一作者简介:郭至博(1 9 9 9),男,河北石家庄人,硕士研究生,主要从事组合结构桥梁性能演化与状态评估方面的研究。通信作者:卜建清教授。E-m a i l:b u j q 2 0 0 41 6 3.c o m郭至博,孟令佩,卜建清,等.超载对钢-混凝土组合梁桥疲劳力学性能影响分析J.河北工业科技,2 0 2 3,4 0(1):1-9.GUO Z h i b o,ME N G L i n g p e i,B U J i a n q i n g,e t a l.I n f l u e n c e o f o v e r l o a d o n f a t i g u e m e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e o f s t e e l-c o n c r e t e c o m p o s i t e g i r d e r b r i d g e sJ.H e b e i J o u r n a l o f I n d u s t r i a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,2 0 2 3,4 0(1):1-9.I n f l u e n c e o f o v e r l o a d o n f a t i g u e m e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e o f s t e e l-c o n c r e t e c o m p o s i t e g i r d e r b r i d g e s GUO Z h i b o1,ME NG L i n g p e i1,B U J i a n q i n g2,Z HANG J i r e n3,XUN J i n g c h u a n4(1.S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g,S h i j i a z h u a n g T i e d a o U n i v e r s i t y,S h i j i a z h u a n g,H e b e i 0 5 0 0 4 3,C h i n a;2.S c h o o l o f T r a f f i c a n d T r a n s p o r t a t i o n,S h i j i a z h u a n g T i e d a o U n i v e r s i t y,S h i j i a z h u a n g,H e b e i 0 5 0 0 4 3,C h i n a;3.K e y L a b o r a t o r y o f W i n d a n d B r i d g e E n g i n e e r i n g o f H u n a n P r o v i n c e,C h a n g s h a,H u n a n 4 1 0 0 8 2,C h i n a;4.C S C E C R o a d a n d B r i d g e G r o u p C o m p a n y L i m i t e d,S h i j i a z h u a n g,H e b e i 0 5 0 0 0 1,C h i n a)A b s t r a c t:I n o r d e r t o f u r t h e r r e v e a l t h e i n f l u e n c e o f v e h i c l e o v e r l o a d i n g o n t h e f a t i g u e m e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e o f c o m p o s i t e s t r u c t u r e b r i d g e s,a n d r e d u c e t h e a d v e r s e e f f e c t s o f v e h i c l e o v e r l o a d i n g o n t h e f a t i g u e s t i f f n e s s a n d r e s i d u a l b e a r i n g c a p a c i t y o f b r i d g e s,t h e e x i s t i n g t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n m e t h o d s o f f a t i g u e s t i f f n e s s o f s t e e l-c o n c r e t e c o m p o s i t e b e a m s w e r e i m p r o v e d.T h e l o a d a m p l i f i c a t i o n e f f e c t o f o v e r l o a d e d v e h i c l e s w a s q u a n t i t a t i v e l y a n a l y z e d b a s e d o n t h e f a t i g u e l o a d c a l c u l a t i o n m o d e l,a n d a r e a l b r i d g e w a s t a k e n a s a n e x a m p l e t o a n a l y z e t h e d e g r a d a t i o n l a w o f f a t i g u e s t i f f n e s s,s h e a r c o n n e c t i v i t y a n d r e s i d u a l b e a r i n g 河 北 工 业 科 技第4 0卷c a p a c i t y o f t h e b r i d g e u n d e r d i f f e r e n t o v e r l o a d l e v e l s.T h e r e s u l t s s h o w t h a t w i t h t h e i n c r e a s e o f o v e r l o a d,t h e d e g r a d a t i o n r a t e a n d a m o u n t o f f a t i g u e s t i f f n e s s a n d r e s i d u a l b e a r i n g c a p a c i t y o f c o m p o s i t e g i r d e r b r i d g e i n c r e a s e,a n d t h e m a x i m u m d e g r a d a t i o n a m o u n t i s 4 2%a n d 3 2%r e s p e c t i v e l y,s h o w i n g o b v i o u s n o n l i n e a r i t y;T h e s h e a r c o n n e c t i v i t y d e c r e a s e,b u t r e m a i n w i t h i n t h e r a n g e o f f u l l s h e a r c o n n e c t i v i t y.T h e i n f l u e n c e o f o v e r l o a d o n f a t i g u e s t i f f n e s s a n d r e s i d u a l b e a r i n g c a p a c i t y c a n p r o v i d e r e f e r e n c e f o r f u r t h e r i m p r o v i n g t h e f a t i g u e d a m a g e t h e o r y o f s t e e l-c o n c r e t e c o m p o s i t e g i r d e r b r i d g e s.K e y w o r d s:b r i d g e e n g i n e e r i n g;s t e e l-c o n c r e t e c o m p o s i t e b e a m;f a t i g u e s t i f f n e s s;r e s i d u a l b e a r i n g c a p a c i t y;v e h i c l e o v e r l o a d 钢-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1 0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1 1,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1 2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P B L式组合梁剩余承载力的计算方法。项贻强等1 3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。Bn=ML2fn,fn=fe+fr ,(1)式中:为挠度计算系数,主要由支撑形式、荷载形式决定;M为最大弯矩;fn为疲劳荷载作用n次时组合梁挠度,主要由静载挠度fe与残余挠度fr组成;L为梁长。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1 3。本文通过引入文献1 4 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:fe=P L34 8B,B=EsI01+,(2)=11+(/)2(L)2|,=d2s cA0 0I0 0,(3)=nsk A1 1EsI0 0p,A0 0=AcAsnEAs+Ac,(4)A1 1=I0 0+A0 0d2s cA0 0,I0 0=Is+IcnE,(5)式(2)式(5)中:P为集中荷载;B为组合梁截面刚度;Ac为混凝土板面积;As为钢梁面积;Is为钢梁截面惯性矩;Ic为混凝土板截面惯性矩;ds c为钢梁与混凝土板间截面形心的距离;k为连接件抗剪刚度系数;p为连接件纵向间距;ns为连接件列数;nE为钢材与混凝土弹性模量之比1 5;为计算长度因子,其值与边界条件有关(对于两端简支梁,取1;对于两端固支梁,取0.5;对于一端固支一端自由梁,取2;对于一端固支一端简支梁,取0.7)1 6。1.2 钢-混凝土组合梁残余挠度的计算由于残余滑移的影响,在疲劳荷载的作用下钢-混凝土组合梁会产生残余变形1 7。为了求出钢-混凝土组合梁残余挠度,必须得到n次疲劳荷载循环后钢与混凝土界面的残余滑移量。文献1 8 给出了计算混凝土板与钢梁界面残余滑移的表达式:p l,N=C1-C2l nNf-nn()0,(6)0nNf0.9,p l,N=0,nNf=0,(7)2第1期郭至博,等:超载对钢-混凝土组合梁桥疲劳力学性能影响分析C1=0.1 0 4 e x p(3.9 5Pm a xPu,0),(8)C2=0.6 6 4Pm i nPu,0+0.0 2 9,(9)式(6)式(9)中:p l,N为界面残余滑移;Nf为栓钉的疲劳寿命;Pm a x,Pm i n,Pu,0分别为单个栓钉的荷载上限、荷载下限及极限承载力。栓钉极限承载力计算公式如式(1 0)所示1 9:Vs u d=m i n0.4 3AsEcfc d,0.7Asfs u,(1 0)式(1 0)中:Vs u d为栓钉抗剪承载力设计值;Ec为混凝土弹性模量;fc d为混凝土轴心抗压强度;As为栓钉钉杆截面面积;fs u为栓钉的极限承载力。文献1 0 给出了考虑钢-混凝土组合梁界面残余滑移的跨中残余挠度表达式,如式(1 1)所示:fr=p l,NL1 2h,(1 1)式(1 1)中,通过数据拟合得到,无试验数据时可取为1 0.1 1。1.3 算例验证选取文献2 0 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2 0 及本文方法的计算结果相对比,对比结果如表1所示。表1 不同计算方法结果与试验结果对比T a b.1 C o m p a r i s o n o f r e s u l t s o f d i f f e r e n t c a l c u l a t i o n m e t h o d s a n d t e s t r e s u l t s试件编号加载次数/万次实测挠度/mm文献2 0 方法本文方法计算挠度/mm计算值/实测值计算挠度/mm计算值/实测值06.8 06.8 11.0 07.2 01.0 617.8 07.0 00.9 27.2 00.9 21 07.9 77.7 90.9 87.3 90.9 22 08.2 78.0 70.9 87.8 30.9 3F S C B-25 08.5 98.5 41.0 08.4 80.9 51 0 09.7 09.0 60.9 39.0 90.9 01 2 59.7 29.2 70.9 59.3 70.9 21 5 01 0.0 79.4 50.9 49.6 60.9 11 7 51 0.0 99.6 10.9 51 0.0 50.9 42 0 01 0.2 79.7 20.9 51 0.9 91.0 106.8 06.8 11.0 07.2 01.1 217.9 17.4 70.9 48.0 91.0 2F S C B-31 09.3 68.6 80.9 39.0 10.9 42 09.5 69.3 40.9 89.5 30.9 65 09.8 71 0.7 61.0 91 0.5 11.0 106.8 06.9 01.0 16.9 91.0 317.8 87.1 20.9 06.9 90.8 9F S C B-51 07.9 37.9 91.0 17.1 30.9 01 0 09.0 19.9 21.1 08.6 70.9 42 0 01 0.4 11 1.1 41.0 71 0.0 50.9 307.1 06.7 81.0 06.4 00.9 0F S C B-717.8 77.0 60.9 06.6 40.9 41 08.0 29.4 91.2 07.9 60.9 72 21 0.5 91 1.3 61.2 69.7 50.8 9统计结果平均值1.0 0-0.9 6标准差0.0 9-0.0 6 由表1可以看出,本文方法计算结果与文献2 0 方法计算结果吻合良好,文献2 0 所用方法最大误差为2 6%,而本文计算方法的最大误差控制在1 2%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2 0 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1 2 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3河 北 工 业 科 技第4 0卷凝土组合梁剩余承载力的计算公式。2.1.1 栓钉承载力退化模型文献1 8 基于断裂力学的基本理论,提出了考虑栓钉初始缺陷的剩余承载力计算公式,如式(1 2)所示:1-Ps t(n)As tfu()M=NdMs t 2-2Mn+a0ds t()M,(1 2)=P S0 l2I0n1As t,(1 3)式(1 2)中:Ps t(n)为加载n次后栓钉剩余承载力;As t为栓钉截面面积;fu为栓钉极限强度;ds t为栓钉直径;a0为初始裂缝长度;为栓钉疲劳剪应力幅;根据文献2 1 取M=-1.0 5,N=-6.1 9 1 0-1 6。2.1.2 混凝土退化模型混凝土疲劳强度及刚度可按式(1 4)、式(1 5)计算2 2。fc(n)=fc-(fc-c,m a x)nNc,f()c1,(1 4)Ec(n)=1-0.3 3nNc,f()Ec,0,(1 5)式(1 4)式(1 5)中:n为疲劳荷载循环次数;Nc,f为混凝土疲劳寿命;fc为混凝土初始抗压强度;c,m a x为混凝土最大应力;c1为混凝土材料试验参数,未进行试验时可取为1;Ec,0为混凝土初始弹性模量。2.1.3 钢梁退化模型在疲劳荷载作用下,钢材的残余应变基本可以忽略不计,故而认为其疲劳弹性模量和静力弹性模量保持一致,其剩余强度可按式(1 6)计算2 2。fs(n)=fs-(fs-s,m a x)nNs,f()c2,(1 6)式(1 6)中:n为疲劳荷载循环次数;Ns,f为钢梁疲劳寿命,计算公式如式(1 7)所示;fs为钢材初始抗拉强度;s,m a x为钢梁最大应力;c2为材料试验参数,未进行试验时可取为1。mNf=mc21 06,Nf5 1 06,m=3,mNf=mD51 06,5 1 06Nf 1 08,m=5,(1 7)式(1 7)中:为钢梁应力幅值;c为加载2 0 0万次时的疲劳强度,且 D=0.7 3 c,其中 c按规范要求取用。2.2 组合梁剩余承载力的计算钢-混凝土组合梁的初始抗剪连接状态均为完全抗剪连接,在经历一定次数的疲劳荷载后,钢-混凝土组合梁可能由完全抗剪连接状态变为部分抗剪连接状态。因此,组合梁剩余承载力的计算应考虑到疲劳荷载作用后组合梁不同的抗剪连接度,疲劳荷载作用下钢-混凝土组合梁抗剪连接度定义为=nsn f,n f=m i nAcfc(n),Asfs(n)Ps t(n),(1 8)式(1 8)中:ns为剪跨区内栓钉的实际布置数量;n f为疲劳荷载作用n次剪跨区内保证完全抗剪连接所需栓钉个数;Ps t(n)为单个栓钉的剩余承载力,由式(1 2)计算;fc(n),fs(n)为混凝土与钢梁的材料剩余强度,由式(1 4)、式(1 6)计算;Ac,As分别为混凝土板和钢梁的截面面积。2.2.1 部分抗剪连接组合梁剩余承载力的计算部分抗剪连接组合梁在计算剩余承载力时应同时考虑各构件的力学性能退化,可假定混凝土的压力与一个剪跨内抗剪连接件的合力相等,根据组合截面塑性中性轴的不同位置可分为以下3种情况(如图1所示)。式(1 9)式(2 1)分别为部分抗剪连接情况下,中性轴位于钢梁上翼缘内、中性轴位于混凝土板内和中性轴位于钢梁腹板内3种情况下的组合梁剩余承载力计算公式。图1 部分抗剪连接组合梁剩余承载力计算图式F i g.1 C a l c u l a t i o n o f r e s i d u a l b e a r i n g c a p a c i t y o f p a r t i a l s h e a r c o n n e c t i o n c o m p o s i t e b e a m f i g u r eMu=Nsd1-N2s4fsb f+hc+Ns2fsb f()Nc-14fsb f+12fcn()be f f()N2c,(1 9)4第1期郭至博,等:超载对钢-混凝土组合梁桥疲劳力学性能影响分析Mu=Ns(d1-t f)+fsA f tt f-1fstwNs2-fsA f t()2+Ns-2fsA f t2fstw+hc+t f()Nc-14fstw+12fc(n)be f f()N2c,(2 0)Mu=Ns(hc+d1)-12fc(n)be f f()N2s,(2 1)式(1 9)式(2 1)中:Ns为考虑钢梁下翼缘板强度退化后的钢梁合力;Nc为材料强度退化后的混凝土板合力;be f f为混凝土板宽度;b f为钢梁上翼缘板宽度;d1为钢梁合力到钢梁上翼缘距离;hc为混凝土板高度;A f t为钢梁上翼缘板截面积;tw为钢梁腹板厚度;t f为钢梁上翼缘板厚度;其他参数均与上文保持一致。2.2.2 完全抗剪连接组合梁剩余承载力的计算钢-混凝土组合梁在完全抗剪连接状态下仅有一个中性轴,其承载力可按照塑性理论进行计算。同时,假设钢梁与混凝土间有足够的连接保证其共同作用,并且只考虑钢与混凝土材料强度的退化,不考虑栓钉承载力的退化,受拉区的混凝土不参与工作。完全抗剪连接状态下组合梁剩余承载力计算如图2所示。图2 完全抗剪连接组合梁剩余承载力计算图式F i g.2 C a l c u l a t i o n o f r e s i d u a l b e a r i n g c a p a c i t y o f a f u l l y s h e a r c o n n e c t i o n c o m p o s i t e b e a m f i g u r eMu=Nsd1-N2s4fsb f+hc+Ns2fsb f()Nc-14fsb fN2c,(2 2)Mu=Ns(d1-t f)+fsA f tt f-1fstwNs2-fsA f t()2+Ns-2fsA f t2fstw+hc2+t f()Nc-14fstwN2c,(2 3)Mu=Ns(hc+d1)-12fc(n)be f f()N2s,(2 4)式(2 2)式(2 4)分别为完全抗剪连接情况下,中性轴位于钢梁上翼缘内、中性轴位于混凝土板内和中性轴位于钢梁腹板内3种情况下的组合梁剩余承载力计算公式,式中各参数含义同上。3 超载对钢-混凝土组合梁桥力学性能的影响探析3.1 工程概况以文献2 3 中给出的3 0 m单跨简支钢-混凝土组合梁桥为例,该桥设计等级为一级公路,设计速度为8 0 k m/h,设计荷载为公路-级荷载,不考虑人群荷载,桥面净宽1 2 m,桥面横坡设计为2%,结构重要性系数取1.1,采用极限状态设计方法,按分项系数的设计表达式进行设计。全桥立面布置如图3所示。混凝土采用C 5 0,钢板梁、横梁与加劲肋均采用Q 3 4 5 q D桥梁用结构钢,其中钢梁采用焊接工字梁,共4片,间距3.2 m,主梁横断面如图4所示,栓钉采用2 21 8 0圆柱头焊钉,材料为ML 1 5钢,各材料特性见表2。利用等效换算原理计算得到截面几何特性如表3所示。图3 桥梁立面布置图F i g.3 E l e v a t i o n l a y o u t o f b r i d g e图4 主梁横断面示意图F i g.4 S c h e m a t i c d i a g r a m o f m a i n b e a m c r o s s s e c t i o n5河 北 工 业 科 技第4 0卷表2 全桥所用材料特性参数T a b.2 P r o p e r t i e s o f e a c h m a t e r i a l材料弹性模量/MP a重度/(k Nm-3)线膨胀系数抗拉强度设计值/MP a抗压强度设计值/MP aC 5 0混凝土3.4 51 042 6.01.01 0-51.8 32 2.8Q 3 4 5 q D桥梁用结构钢2.0 61 057 8.51.21 0-52 7 02 7 0ML 1 5钢2.0 01 057 8.51.21 0-54 0 0表3 截面几何特性计算结果T a b.3 C a l c u l a t i o n r e s u l t s o f c r o s s-s e c t i o n a l g e o m e t r i c p r o p e r t i e s截面中性轴至梁底距离/mm截面惯性矩/mm4截面面积/mm2混凝土板截面1 6 8 53.2 41 097 3 6 0 0 0钢梁截面5 5 11.8 11 01 05 0 9 9 2组合梁换算截面1 3 5 26.5 01 01 01 7 3 6 5 83.2 疲劳荷载幅值的计算3.2.1 疲劳荷载计算模型桥梁在车辆荷载作用下承受的荷载幅值是随机变化的,根据等效损伤理论可将随机疲劳荷载转换为常幅 疲 劳 荷 载。公 路 钢 结 构 桥 梁 设 计 规 范(J T G D 6 42 0 1 5)中给出了桥梁抗疲劳设计时所用的3种疲劳荷载计算模型,其类型分别为车道荷载、双车模型与单车模型,并规定对整桥的疲劳性能进行分析时采用车道荷载模型,对局部进行疲劳分析时采用双车或单车模型。由于本文对桥梁整体进行分析,采用疲劳荷载计算模型中车道荷载的形式模拟桥梁承受的活载情况,集中荷载为0.7Pk,均布荷载为0.3qk,按公路-级车道荷载标准取值,其计算模型如图5所示,双车模型与单车模型分别如图6、图7所 示。Pk取 值 规 定 如 表4所 示,qk取 值为1 0.5 k N/m。Pkqk图5 车道荷载计算模型F i g.5 L a n e l o a d c a l c u l a t i o n m o d e l图6 疲劳荷载计算模型F i g.6 F a t i g u e l o a d c a l c u l a t i o n m o d e l 图7 疲劳荷载计算模型F i g.7 F a t i g u e l o a d c a l c u l a t i o n m o d e l 表4 集中荷载Pk取值T a b.4 Pk v a l u e o f c o n c e n t r a t e d l o a d计算跨径Le/mPk取值/k NLe52 7 05Le5 02(Le+1 3 0)Le5 03 6 03.2.2 超载车辆影响修正系数对活载影响系数进行修正,并将其定义为超载车辆影响修正系数2 4。根据 公路桥梁承载能力检测评定规程(J T G/T J 2 12 0 1 1)中提出活载影响修正系数对桥梁现阶段运营时的承载能力进行评估,如式(2 5)所示。q=3q 1q 2q 3,(2 5)式(2 5)中:q 1为典型代表交通量影响修正系数;q 2为大吨位车辆混入影响修正系数;q 3为轴荷分布影响修正系数;以上系数取值均由规范确定。将修正后的活载影响系数定义为超载车辆影响修正系数。为了将超载车辆的作用考虑其中,文献2 5 在计算典型代表交通量影响修正系数q 1时将设计交通量降低一级取用,从而将q 1系数由0.6 2提升为1.1 7,而q 2,q 3保持不变,分别为1.1 3和1.4 0,最终计算出超载车辆影响修正系数为1.2 3。3.2.3 不同超载程度下疲劳荷载幅值的计算利用文献2 5 中所统计的交通量信息,通过不同超载车辆影响修正系数对超载程度加以区分,将组合梁桥承受的恒载作用作为疲劳荷载的下限,将组合梁桥承受的恒载及活载作用作为疲劳荷载的上限,不计人群荷载,将车道荷载形式根据荷载效应等效原则简化为集中力,分别计算其在不同运营状态下对应的疲劳荷载幅值,结果如表5所示。表5 不同超载程度下的疲劳荷载幅值T a b.5 Am p l i t u d e o f f a t i g u e l o a d a t d i f f e r e n t o v e r l o a d l e v e l s运营状态超载车辆影响修正系数荷载幅值上限/k N荷载幅值下限/k N正常运营1.0 05 0 28 7 7一般超载1.2 35 0 29 6 3严重超载1.4 05 0 21 0 2 76第1期郭至博,等:超载对钢-混凝土组合梁桥疲劳力学性能影响分析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1 0 0 a为计算终点,加载间隔为5 a,采用文献2 6 中日交通量为9 3 0 4辆,车辆年作用次数为3 3 9 5 9 6 0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。图8 超载对组合梁桥疲劳刚度的影响F i g.8 I n f l u e n c e o f o v e r l o a d l e v e l s o n t h e f a t i g u e s t i f f n e s s o f c o m p o s i t e g i r d e r b r i d g e s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1 0所示。由图9可知,本文桥梁算例中初始抗剪连接度为3.7 2 8,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1 1所示。从图1 1中可以看出:随着运营时间的增加,3种不同运营状态下钢-混凝土组图9 超载对组合梁桥抗剪连接度的影响F i g.9 I n f l u e n c e o f o v e r l o a d l e v e l s o n t h e s h e a r c o n n e c t i o n d e g r e e s o f c o m p o s i t e g i r d e r b r i d g e s图1 0 超载程度对栓钉剩余承载力的影响F i g.1 0 I n f l u e n c e o f o v e r l o a d l e v e l s o n t h e r e s i d u a l b e a r i n g c a p a c i t y o f s t u d s图1 1 超载程度对组合梁桥剩余承载力的影响F i g.1 1 I n f l u e n c e o f o v e r l o a d l e v e l s o n t h e r e s i d u a l b e a r i n g c a p a c i t y o f c o m p o s i t e g i r d e r b r i d g e s7河 北 工 业 科 技第4 0卷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1 2%以内,采用传统方法进行计算时最大误差为2 6%,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5 0 2 k N,下限分别为8 7 7,9 6 3,1 0 2 7 k N。3)超载车辆对组合梁桥疲劳刚