钢－混凝土组合箱梁的抗弯疲劳性能试验研究.pdf

第 1 2卷第 5期 2 0 1 5年 l 0月 铁道科学与 工程 学报 J ou r n a l o f Ra i lwa y Sc ien c e a n d E n g i n e e r i n g Volu me 1 2 Nu mb e r 5 Oc t o b er 2 0 1 5 钢 一混凝土组合箱梁 的抗弯疲劳 性能试 验研 究 刘小洁 ， 李亚平 ， 刘亚茹 ， 李晓静 ( 1 中南大学 土木 工程学院， 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 ； 2 中南大学 高速铁路 建造技术国家工程实验室， 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 ) 摘要： 通过 3根简支钢 一混凝土组合箱梁的静载试验以及重复加载试验， 研究分析组合箱梁抗剪连接度对组合箱梁疲劳 性能的影响， 试验结果表明： 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增加， 造成组合梁截面刚度下降， 挠 度增大。在疲劳破坏发生之前， 组合箱梁的刚度随加载次数的增加 虽有下降， 但仍保持线弹性状态， 表明部分剪力连接的 组合箱梁具有良好的抗疲劳性能， 抗剪连接度越大， 组合箱梁的抗疲劳性能越好。 关键词 ： 钢 一混凝 土组 合箱梁 ； 疲 劳性 能 ； 试验研 究 中图分 类号 ： T U 3 9 8 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 1 5 ) 0 51 1 2 3 0 7 E x p e r i me n t a l r e s e a r c h o n f a t i g u e b e h a v i o r o f s t e e l c o n c r e t e c o mp o s i t e b o x g i r d e r L I U X i a o j i e ， L I Y a p i n g ， L I U Y a r u ， L I X i a o j i n g ( 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 ，C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ，C h a n g s h a 4 1 0 0 7 5 ，C h i n a ； 2 N a t i o n a l E n gin e e r i n g L a b o r a t o r y o f Hi g h S p e e d R a i l w a y C o n s t r u c t i o n ，C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 7 5 ) Ab s t r a c t ：T h e s t a t i c a n d f a t i g u e b e h a v i o r o f t h r e e s t e e l a n d c o n c r e t e c o mp o s i t e b o x g r i d e r s we r e s t u d i e d b y e x p e r i me n t s T he i n flu e nc e o f d e g r e e o f s h e a r c o nn e c t i o n o n f a t i g u e b e ha v i o r o f s t e e l a nd c o n c r e t e c o mp o s i t e b o x g i r d e r wa s i n v e s t i g a t e d Th e t e s t r e s u l t s i n di c a t e t h a t t he r e l a t i v e s l i p be t we e n s t e e l g i r d e r a n d c o n c r e t e s l a b wo u l d i n c r e a s e be c a u s e o f t h e r e pe a t e d l o a d i n g，wh i c h r e s u l t e d i n d e c r e a s e i n s e c t i o n a l s t i f f ne s s o f c o mp o s i t e b e a ms T he c o mpo s i t e b e a ms b e h a v e l i n e a r l y b e f o r e f a t i g ue f a i l ur e Th i s p h e n o me na i n d i c a t e s t h a t t he c o mp o s i t e b o x g i r d e r wi t h p a r t i a l d e g r e e o f s h e a F c o n ne c t i o n po s s e s s e s g o o d f a t i g u e b e h a v i o r Th e l a r g e r t h e d e g r e e o f s h e a F c o n n e c t i o n，t h e be t t e r t he f a t i g ue b e h a v i o r o f s t e e lc o n c r e t e b o x g i r d e r Ke y wo r d s：s t e e l a n d c o n c r e t e c o mp o s i t e b o x g i r d e r ；f a t i g u e b e h a v i o r ；e x p e rime n t a l r e s e a r c h 钢 一混凝土组合箱梁是在钢制薄壁箱梁结构 以及钢筋混凝土结构基础 上整合发展 出来的一种 新型结构形式 。同一般钢筋混凝土箱梁相比， 钢 一 混凝土组合箱梁具有自重低 ， 造价低， 构件和结构 延性好 ， 抗震能力强， 有效使用空间增加等优点； 同 一 般钢箱梁相 比， 钢 一混凝土组合箱梁具有用钢量 少 ， 稳定性高 ， 整体性强 ， 抗火性好 ， 耐久性增强等 优点。因此 ， 钢 一混凝土组合箱梁 自2 0世纪出现 以来 ， 便得 到了广 泛应用 J 。随着 组合梁应用 的 不断发展 ， 针对其开展的研究工作越来越多 I 4 J ， 理论体系也越来越完善。目 前， 对钢 一 混凝土组合 梁疲劳性能的试验研究针对工字型截面的居多 ， 箱 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 1 0 5 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 1 0 8 4 5 9 ) 通讯作者： 刘小洁( 1 9 7 3 一 ) ， 女， 湖南益阳人， 副教授， 博士， 从事组合结构方向研究； E m a i l ： l i u x j m a i l C S U 。 e d u c n l l 2 6 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 1 5 年 1 0月 现突变， 平截面假定不再适用 ，但是钢梁 和混凝土 的应变为斜率相同的线性变化 。在加载过程 中， 当 组合箱梁交界面的粘结力破坏后 ， 交界面开始 出现 相对滑移 ， 加载开始阶段滑移值很小 ， 随着荷载的 增大 ， 滑移值增大。当 P P 0 3 8时， 荷载 一梁 端相对滑移基本呈线性关系 ； P P 0 3 8之后 ， 梁端相对滑移增长速度明显加快 ， 但还是基本呈线 性变化。在加载初始 阶段组合箱梁跨 中及三分点 位置处挠 度随着荷 载 的增加 而增 加 ， 加载 到 4 7 8 k N之前 ， 其增长速度保持不变 ； 屈服荷载之后增长 速度随着 荷载 的增 加而 增加 ； 达到极 限荷 载 6 3 5 k N后 ， 荷载开始下降 ， 此时挠度随着荷载的减小而 增加。破坏时钢梁和混凝土板的交界面没有 明显 的剥离 ， 梁的变形 比较明显 ， 组合箱梁具有很好 的 延性 。图 1 3为梁破坏的整体示意图。 挠 度 n m a 图 9 荷 载 一挠度 曲线 Fi g 9 Lo a d de f l e c t i o n C HI V e 滑移 mm 图 1 O荷载 一滑移曲线 Fi g1 0 Lo a d s l i p c u r v e 应变y 图 1 1 截 面应 变分布 F i g 1 1 S e c t i o n a l s t r a i n d i s t r i b u t i o n 应变 8 图 1 2 跨 中钢梁底板的荷载 一应 变曲线 F i g 1 2 L o a d V S s t r a i n o f b o t t o m p l a t e a t mi ds p a n 图 1 3 梁破 坏的整体示意图 F i g 1 3 S c h e mi c d i a g r a m o f b e a m a t f a i l u r e 2 2 疲 劳试 验结 果分 析 本次疲劳试 验的试验结果如 图 1 4图 2 3所 示 。 F S C B一1和 F S C B一 2梁 的疲劳荷载的上限值 第 5期 刘小洁， 等： 钢 一 混凝土组合箱梁的抗弯疲劳性能试验研究 1 1 2 7 为 2 5 0 k N， 下限值为 1 0 0 k N。梁的破坏过程如下 ： F S C B一1 梁在 5 3万次时梁段出现可观察到的 混凝土板和钢梁之间 的相对滑移 ， 但不是很 明显 ； 1 1 2万次时 ， 梁的铰支端滑移裂缝向跨中延伸了 2 0 e m左右 ； 2 0 3万次时 ， 梁 的铰支端滑移裂缝 向跨 中 延伸 了 7 0 c m左右 ， 该部分 自然黏结破坏 ， 铰支端 的裂缝可以用 肉眼观察 到。1 9 8万次时 ， 在混凝土 板三分点位置的下方发现了 3条微小 的裂缝 ， 裂缝 只在一个加载点下方出现 ， 从跨 中至另一端无裂缝 出现 ； 2 2 8万次时， 混凝土板底 面的微小裂缝 向上 发展至板侧面 中部偏 下 ， 裂缝 数量几乎保持不变 。 2 5 1 万次时， 铰支端混凝土板与钢梁之 间发出低沉 的碰撞声 ， 仔细听还能辨别 出伴 随的微弱摩擦声。 因此可 以断定铰支端 出现滑移裂缝 的部位栓钉基 本上都被剪断 ， 从而造成该处混凝土板与栓钉无法 同时变形 ， 从而引起碰撞。此时混凝土板与钢梁之 间的错动十分明显。 F S C B一2梁从加载开始直到 1 0 0万次时， 钢梁 和混凝土板上各测点应变 、 跨 中位移幅值等都很稳 定 ， 没有观察到什 么明显异常 ， 既观察不到可见裂 缝 ， 也没有观察到钢梁和混凝土板交界面上有明显 滑移 ， 混凝土受压 区无压酥现象 ， 更无纵 向劈裂发 生。1 2 3万次时听到组合箱梁发出轻微噼啪声 ， 仔 细观察并没有 明显可见 的滑移产生。加 载到 2 0 9 万次时 ， 梁基本正常 ， 但是在梁端能看到微小的相 对滑移 ， 但不是很 明显 。加 载到 2 5 3万次时 ， 在加 载点下方的混凝土板底发现 2条微裂缝 ， 裂缝只在 一 个加载点下方 出现， 从跨 中至另一端无 裂缝 出 现 ； 加载到 2 8 8万次时 ， 混凝 土板底面的微小裂缝 向上发展至板侧面中部偏下 ， 裂缝数量几乎保持不 变。加载到 3 0 5万次后 ， 荷载上 限从 2 5 0 k N下降 为 2 3 9 k N， 荷载下限保持正常。和 F S C B一1梁相 比， 由于抗剪连接度加大 ， 疲劳寿命增大。 从图 1 4一图 1 7可以看出 ： 荷载 一应变循环 曲 线的发展趋势是逐渐 向右的， 即在 同样大小荷载幅 的作用下 ， 随着加 载次数 的增加 ， 混凝土板和钢梁 截面应变逐渐变大 。一方 面是 因为在荷载反复作 用下截面疲劳残余应变逐渐变大 ， 增大了截面总应 变 ； 另一方面是 因为截面刚度逐渐降低 ， 从而导致 截面应变增加 。 从全截面应变分布 图 l 8图 2 1可以看 出： 截 面应变随着荷载的增加而增加 ， 截面应变沿梁 的高 度近似成线性分布， 由于滑移效应 的存在 ， 组合箱 梁交界面位置出现突变 ， 平截面假定不再适用。但 是钢梁和混凝土的应变为斜率相同的线性变化 ； 随 着疲劳加载次数的增加 ， 有些截面应变沿高度分布 的线性不是很好 ， 但基本还是呈 线性变化的 ； 随着 疲劳加载次数的增加 ， 钢梁与混凝板交界面的应变 差值变大。 从荷载 一挠度 曲线 图 2 2图 2 3可以看出 ： 荷 载 一挠度 曲线基本保持为直线 ， 开始加载时曲线斜 率最大 ， 随着加载次数的增加 ， 曲线斜率逐渐减小 ， 表明组合箱梁刚度在疲劳加载过程中是逐渐下降 的。和 F S C B一1梁相 比， F S C B一2梁加大了抗剪 连接度 ， 从而使组合梁截面刚度逐渐下降的的程度 降低 。 应变 la 8 图 1 4 F S C B一1钢梁正下方截面应变 Fi g1 4 Cr o s s s e c t i o n a l s t r a i n o f s t e e l a t l o we r pa r t o f be a m FS CB一1 一 5 00 0 0 次 图 1 5 F S C Bl混凝 土翼缘板 正上 方压应 变 Fi g1 5 Co mpr e s s i v e s t r a i n o f c o n c r e t e fla n g e a t u p pe r p a rt o f be a m FS CB一1 1 l 2 8 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 1 5年 1 0月 茧 应变 la 图 1 6 F S C B2钢梁正下方截面应 变 F i g 1 6 Cr o s s -s e c t i o n a l s t r a i n o f s t e e l a t l o we r p a r t of be am FS CB一2 蚕 应 变 a s 图 1 7 F S C B一 2混凝土翼缘板正上 方压应 变 Fi g 1 7 C o mp r e s s i v e s t r a i n o f c o n c r e t e fl a n g e a t u p p e r p a r t o f b e a m F SCB 一2 3 5 0 = ( I f) ：2 0 0 1 5 0 柱 囊10 0 5 0 0 -6 O O 4 - 2 0 0 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 13 0 0 应变，“ 图 1 8 梁 F S C B一1 0万次截 面应 变沿高度 分布曲线 Fi g 1 8 C r o s s s e c t i o n a l s t r a i n d i s t r i b u t i o n o v e r s e c t i o n al d e p t h f o r b e a m F S C B 一1 a t 0 t i me s of l o a d i n g 3 5 o = j ( 】 o l ) 2( 】 0 o 3 0 ( 啦变 la 8 图 1 9梁 F S C B一1 2 0 0万次力截 面应变曲线 F i g 1 9 C r o s s s e c t i o n a l s t r a i n d i s t rib u t i o n o v e r s e c t i o n al d e p t h f o r b e a m F S C B 一 1 a t 2 mi l l i o n t i me s o f l o a di n g 3 5 0 3 ( ) ( 1 -6 0 0 - 4 0 0 - 2 0 0 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 应变， u 8 图 2 0梁 F S C B一 2 0万次力截面应变曲线 Fi g 2 0 C r o s s s e c t i o n a l s t r a i n d i s t r i b u t i o n o v e r s e c t i o n a l d e p t h for b e a m F S CB 一2 at 0 t i me s o f l o a d i n g ) 姗 ) 2 5 0 2 () 0 l 5 o 1 o ( ) 5 0 O 一 1 0 ( 1 o O l( )( 】 0 2( 】 0 0 3( X ) o 应变 p 8 图 2 1 梁 F S C B一2 3 0 0万 次力截 面应 变曲线 F i g 21 C r o s ss e c t i o n a l s t r a i n d i s t ri b u t i o n o v e r s e c t i o n a l d e p t h for b e a m F S C B 一2 a t 2 mi l l i o n t i me s of l o a d i ng 啪 0 、 惶瘟镬 勋 如 如 O 2 2 1 越耀瞎辐 g ， 赵恒琏疆 第 5期 刘小洁， 等 ： 钢 一混凝土组合箱梁的抗弯疲劳性能试验研究 1 1 2 9 Z Z 挠度 ram 图 2 2梁 F S C B一1荷载 一位移 曲线 Fi g 2 2 L o a dd i s p l a c e me n t c u r v e o f b e a m F S C B 一1 挠度 ra m 图 2 3梁 F S C B一 2荷载 一 位 移曲线 Fi g 2 3 L o a dd i s p l a c e me n t c u r v e o f b e a m F S C B 一2 3 结论 1 ) 重复荷载作用下 ， 随着重复次数的增加 ， 钢 梁与混凝土翼缘板之 间的相对滑移增加。由于滑 移效应的存在 ， 平截 面假定不再适用 ， 但是钢梁和 混凝土的应变为斜率相 同的线性变化 ； 随着疲劳加 载次数的增加 ， 钢梁与混凝土板交界面的应变差值 变大 ， 组合箱梁中混凝土板和钢梁的截面应变 、 疲 劳残余应变以及挠度增大 。 2 ) 在疲劳破坏发生之前 ， 组合箱梁的刚度随加 载次数的增加虽有下降， 但仍保持线弹性状态， 表明 组合箱梁具有 良好的抗疲劳性能； 且抗剪连接度越 大 ， 组合箱梁 的抗疲劳性能越好。在保证施工焊接 质量的前提下可以采用部分剪力连接的组合箱梁。 参考文献 ： 1 聂建国， 余志武 钢一混凝土组合梁在我国的研究及应 用 J 土木工程学报， 1 9 9 9 ， 3 2 ( 2 ) ： 3 8 NI E J i a n g u o YU Z h i w u R e s e a r c h a n d p r a c t i c e o f c o mp o s i t e s t e e lc o n c r e t e b e a ms i n Ch i n a J J o u r n a l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， 1 9 9 9 ， 3 2 ( 2 ) ： 3 8 2 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， 2 0 1 2 ， 2 9 ( 6 ) ： 1 1 0 NI E J i a n g u o ， WANG Yu h a n g R e s e a r c h s t a t u s o n f a t i g u e b e h a v i o r 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 ms J E n g i n e e r i n g Me c h a n i c s ， 2 0 1 2 ， 2 9 ( 6 ) ： 1 1 0 3 杨涛 钢 一混凝土组合梁疲劳性能研究进展 J 河北 工程大学学报( 自然科学版) ， 2 0 1 0 ， 2 7 ( 1 ) ： 1 62 O YANG Ta o Ad v a nc e s i n f a t i g u e p e r f o r ma n c e o f s t e e lc o n c r e t e c o m p o s i t e b e a m s J J o u rna l o f H e b e i E n g i n e e ri n g U n i v e r s i t y( N a t u r al S c i e n c e E d i t i o n ) ， 2 0 1 0 ， 2 7 ( 1 ) ： 1 6 2 0 4 李建军， 聂建国 钢 一混凝土组合梁的疲劳问题 J 工业建筑， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 3 ) ： 5 76 0 L I J i a n j u n ， N I E J i a n guo F a t i g u e o f s t e e l c o n c r e t e e o m p o s i t e b e a ms J I n d u s t ri al C o n s t r u c t i o n ， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 3 ) ： 5 7 6 0 5 T h e v e n d r a n V， S h a n mu g a m N E E x p e r i m e n t al s t u d y o n 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 ms c u r v e d i n p l a n J E n g i n e e ri n g S t r u c t u r e s ， 2 0 0 0， 2 2 ( 8 ) ： 8 7 7 8 8 9 6 莫时旭 钢箱一混凝土组合梁结构行为试验研究与分 析 D 成都 ： 西南交通大学， 2 0 0 6 MO S h i x u Re s e r c h o f s t ruc t u r a l b e h a v i o r o n c o n c r e t e fi l l e d s t e l l b o x c o mp o s i t e b e a m D C h e n g d u ： S o u t h w e a s t J i a o t o n g Un i v e r s i t y ， 2 0 0 6 7 D al l A s t a A， Z o n a A N o nl i n e a r a n a l y s i s o f c o m p o s i t e b e a m s b y a d i s p l a c e m e n t a p p r o a c h J C o m p u t e r s a n d S t ruc t u r e s ， 2 0 0 2 ， 8 0 ( 2 7 3 O ) ： 2 2 1 7 2 2 2 8 8 史路军 简支钢 一 混凝土组合梁的疲劳试验研究 D 南昌： 华东交通大学， 2 0 0 9 S H I L u j u n E x p e ri m e n t a l s t u d y o n t h e f a t i gue p r o p e r t i e s o f t h e g e n e r all y s i mp l y s u pp o r t e d s t e e l c o nc r e t e c o mp o s i t e b e a m s D N a n c h a n g ： E a s t C h i n a J i a o t o n g U n i v e r s i t y， 2 0 09 9 杨勇， 周现伟， 薛建阳， 等 带钢板 一混凝土组合桥面板 的组合梁疲劳性能试验研究 J 土木工程学报， 2 0 1 2 ， 4 5 ( 6 ) ： 1 2 31 3 1 YANG Yo n g ，Z HOU Xi a n we i ，XUE J i a n y a n g，e t a 1 Ex p e r i me n t a l s t u d y o n f a t i gu e b e h a v i o r o f c o mp o s i t e g i r d e r s w i t h s t e e l p l a t ec o n c e r t e c o mp o s i t e b ri d g e d e c k s J J o u rna l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， 2 0 1 2 ， 4 5 ( 6 ) ： 1 2 31 3 1 1 0 王硕， 张钰 部分剪力连接组合梁疲劳性能的实验研究 J 郑州大学学报( 工学版) ， 2 0 0 4 ， 2 5 ( 2 ) ： 4 8 5 3 W ANG S h u o， Z HANG Yu F a t i gu e r e s e a r c h o f c o mp o s i t e b e a ms w i t h p a r t i a l s h e a r c o n n e c t o r s J 1 J o u rnal o f Z h e n g z h o u U n i v e r s i t y ( E n g i n e e ri n g S c i e n c e ) ， 2 0 0 4 ， 2 5 ( 2 ) ： 4 8 5 3 ( 编辑阳丽霞)