劉殿忠 陳泳先

（吉林建筑大學(xué)， 吉林 長(zhǎng)春 132000）

0 引言

鋼-混凝土組合梁的初期模型并無(wú)抗剪連接件進(jìn)行連接的外包混凝土工字梁，國(guó)內(nèi)對(duì)于組合梁的試驗(yàn)科研開(kāi)始于70 年代末期，近幾十年來(lái)，鋼-混凝土組合梁發(fā)展迅速并普遍應(yīng)用于重工業(yè)廠房、新型住宅等范圍。鋼梁與混凝土板之間相互作用通過(guò)剪力鏈接件形成組合梁，鋼梁的形式主要分為工字鋼、槽鋼和箱型鋼梁，混凝土板采用的工藝可以是預(yù)制工藝或者現(xiàn)澆工藝。鋼-混凝土組合梁的特點(diǎn)是，鋼梁位于下部受剪力與拉力，混凝土板位于上部受壓力，混凝土板避免了鋼梁受壓的側(cè)向位移，防止失穩(wěn)。相比與鋼筋混凝土梁，組合梁結(jié)構(gòu)樓蓋的高度減小,自身重量減小，從而減小地震帶來(lái)的副作用，有效增加使用空間，縮短施工周期。鋼梁為了保持整體的穩(wěn)定性和加強(qiáng)構(gòu)件之間的連接性，需要增加形式復(fù)雜多樣的構(gòu)件，因而構(gòu)造上比組合梁結(jié)構(gòu)更為嚴(yán)格也更為復(fù)雜，相比較來(lái)說(shuō)，組合梁構(gòu)造簡(jiǎn)單，造價(jià)也更為低廉，在降低了結(jié)構(gòu)高度的同時(shí)還增大了剛度，在一定程度上減少用鋼量，極大提高了結(jié)構(gòu)的、防火性、耐腐蝕性。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)對(duì)鋼-混凝土組合梁的科研方向著重于靜力方向，對(duì)疲勞性能的研究還不夠，仍需完善相關(guān)規(guī)范中關(guān)于疲勞性能的規(guī)章制度。

1 鋼-混凝土組合梁的研究

1.1 對(duì)于普通鋼-混凝土組合梁的疲勞性能研究

鋼-混凝土組合梁的疲勞性能是指在低于靜載強(qiáng)度下，受到交變載荷作用，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷變化，同時(shí)材料也發(fā)生性能優(yōu)劣變化直至失效。除材料特性、混凝土配合比、時(shí)間可以影響組合梁的疲勞性能外，更重要因素的是組合梁結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)、荷載循環(huán)特性以及荷載頻率。程玉琨[1]從鋼-混凝土組合連續(xù)梁橋的負(fù)彎矩區(qū)考慮，進(jìn)行抗疲勞性能研究，建立了倒U 形框架有限元模型，分析比較了組合梁側(cè)向扭轉(zhuǎn)屈曲的彈性臨界彎矩Mcr,得出鋼梁的高度越低,臨界彎矩越大,組合梁越容易發(fā)生疲勞破壞,建議通過(guò)增加鋼梁的高度來(lái)增強(qiáng)組合梁的疲勞性能。

以簡(jiǎn)支鋼-混凝土疊合板的組合梁為例，進(jìn)行疲勞破壞形態(tài)分析，組合梁的破壞形態(tài)分為三種，組合梁的彎曲破壞是首先中間鋼梁受疲勞荷載產(chǎn)生屈服，然后混凝土翼板破壞，剪跨段出現(xiàn)豎向裂縫，當(dāng)荷載達(dá)到45%的極限荷載時(shí)，鋼梁與混凝土翼板產(chǎn)生小幅度的滑移，直到荷載達(dá)到80%的極限荷載時(shí)，混凝土翼板在跨中的橫向線中有明顯的裂縫。組合梁的彎剪破壞是當(dāng)荷載達(dá)到75%的極限荷載時(shí)，混凝土側(cè)面產(chǎn)生開(kāi)裂從底部擴(kuò)展到上部，隨著荷載的加大，縱向剪切裂縫向支座進(jìn)行擴(kuò)展，但對(duì)組合梁承載力沒(méi)有明顯影響。組合梁的縱向剪切破壞是當(dāng)荷載達(dá)到90%的極限荷載時(shí),縱向剪切裂縫已經(jīng)穿透剪跨區(qū)域,對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度產(chǎn)生影響。曹團(tuán)結(jié)[2]對(duì)ECC 組合梁與普通鋼筋混凝土組合梁進(jìn)行疲勞荷載作用下塑形損傷的對(duì)比,得出了荷載作用次數(shù)為100 時(shí),普通鋼筋混凝土組合梁沒(méi)有疲勞損傷,當(dāng)荷載作用次數(shù)為1000、5000 次時(shí)，普通鋼筋混凝土組合梁的最大損傷均發(fā)生在純彎段的受拉區(qū)域。運(yùn)用相似方法，張大付[3]使用MATLAB 數(shù)值分析軟件，繪制了混凝土強(qiáng)度與疲勞累積損傷的函數(shù)圖，得出疲勞累積損傷減弱是由于混凝土強(qiáng)度等級(jí)的增加。同時(shí)建立組合箱梁模型，分析鋼箱梁高度、混凝土翼板厚度等要素，得出了組合箱梁的疲勞性能主要受混凝土梁翼板厚度和翼板跨度因素影響，改變混凝土的強(qiáng)度等級(jí)和鋼箱梁的高度意義不大，所以建議在工程應(yīng)用上，主要考慮提高混凝土梁翼板的厚度從而增強(qiáng)組合箱梁的疲勞性能。

1.2 對(duì)于預(yù)應(yīng)力鋼-混凝土組合梁的疲勞性能研究

在鋼構(gòu)件上施加中心壓力或者偏心壓力，作用是預(yù)先反向變形來(lái)抵抗正向變形趨勢(shì)，由于預(yù)應(yīng)力的施加，組合梁在受到外荷載作用時(shí)，應(yīng)力被界定在一定的區(qū)域內(nèi)，預(yù)應(yīng)力的施加增大了材料的彈性范圍，增強(qiáng)組合梁的疲勞性能，充分地發(fā)揮高強(qiáng)材料特性?；趶椝苄杂邢拮冃卫碚摚谥芗t[4]對(duì)組合梁的討論顯示，預(yù)應(yīng)力能夠減少由工作荷載引起的拉應(yīng)力，同時(shí)還能最大程度削弱應(yīng)力幅, 從而避免構(gòu)件開(kāi)裂，延長(zhǎng)組合梁的使用時(shí)間。在連續(xù)組合梁中,因?yàn)榛炷霖?fù)彎矩區(qū)的約束，采用預(yù)應(yīng)力可以解決構(gòu)件橫向開(kāi)裂的問(wèn)題，增強(qiáng)負(fù)彎矩區(qū)混凝土的受力性能。同時(shí)，宗周紅[5]還采用兩點(diǎn)集中加載的方式對(duì)組合梁進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出，預(yù)應(yīng)力的施加能夠改變疲勞階段單一的拉應(yīng)力循環(huán)，使鋼梁更好的受力，同時(shí)使截面內(nèi)力由混凝土板向鋼梁的重分布，讓組合梁整體剛度顯著提升，疲勞強(qiáng)度增大。

1.3 對(duì)于鋼-混凝土組合梁栓釘連接件的疲勞性能研究

抗剪連接件是影響組合梁疲勞性能的重要原因，在普遍狀況下，組合梁發(fā)生疲勞失效是由剪力連接件的剪切疲勞失效引起的。依據(jù)變形能力大小抗剪連接件分為剛性和柔性，柔性連接件的優(yōu)勢(shì)在于其抗剪承載力不會(huì)因?yàn)槌霈F(xiàn)滑移現(xiàn)象而減小。栓釘連接件作為柔性連接件中的一種，相比于槽鋼和彎起鋼筋在承擔(dān)同樣剪力時(shí)的用鋼量最小，同時(shí)易于工業(yè)化、產(chǎn)品化，受力性能好，對(duì)混凝土板中鋼筋布置的影響較小。

余浩瀚[6]通過(guò)ABAQUS 有限元分析軟件,建立了十組模型研究栓釘?shù)目辜舫休d力影響因素，分析得出混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)栓釘抗剪承載力雖有加強(qiáng)但效果并不顯著，通過(guò)補(bǔ)充栓釘?shù)膫€(gè)數(shù)也不能顯著的提高栓釘?shù)目辜舫休d力，在實(shí)際工程應(yīng)用中，主要要通過(guò)增加栓釘?shù)闹睆胶颓?qiáng)度從而加強(qiáng)承載力。林廣泰[7]分別對(duì)現(xiàn)澆工藝與預(yù)制工藝的兩種鋼-混凝土組合梁,進(jìn)行單調(diào)靜力加載試驗(yàn)及等幅疲勞加載試驗(yàn)，通過(guò)繪制栓釘滑移距離與加載次數(shù)的函數(shù)圖像，分析了栓釘疲勞性能的三個(gè)階段，第一階段為前5 萬(wàn)次疲勞荷載循環(huán)，在第一階段栓釘?shù)幕凭嚯x增加緩慢，第二階段為5 萬(wàn)次到20 萬(wàn)次的疲勞荷載循環(huán)，在第二階段栓釘?shù)幕凭嚯x成線性快速增加，第三階段為20 萬(wàn)次到50 萬(wàn)次的疲勞荷載循環(huán)，在第三階段，栓釘?shù)目辜粜阅苡捎谄诜e累已經(jīng)發(fā)生了明顯的退化，從而造成組合梁整體剛度降低。最終結(jié)果顯示，預(yù)制工藝與現(xiàn)澆工藝組合梁中抗剪栓釘連接件的剛度都根據(jù)疲勞荷載循環(huán)頻率的提高而減小，但現(xiàn)澆工藝的鋼-混凝土組合梁的栓釘剛度下降比較慢，疲勞壽命長(zhǎng)。

2 對(duì)于鋼-混凝土組合梁疲勞性能研究的總結(jié)與展望

國(guó)內(nèi)外對(duì)組合梁的研究正在持續(xù)進(jìn)行，但對(duì)于疲勞性能的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，雖然目前很多工程中的組合梁沒(méi)有出現(xiàn)疲勞破壞，但是組合梁的疲勞性問(wèn)題會(huì)隨著時(shí)間的演化逐漸顯現(xiàn)，隨著科研技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新，對(duì)于組合梁要進(jìn)行各種環(huán)境、不同破壞因素的疲勞分析。