邢　穎，徐　杰,2，韓慶華,2?，李自林，王一泓

(1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津　300072；2.天津大學(xué) 濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津　300072)

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部分剪力連接的橡膠集料混凝土鋼組合梁疲勞性能試驗(yàn)研究*

邢穎1，徐杰1,2，韓慶華1,2?，李自林1，王一泓1

(1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津300072；2.天津大學(xué) 濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072)

為研究橡膠集料混凝土-鋼組合梁的疲勞性能，對(duì)6個(gè)試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn).試驗(yàn)考慮了橡膠集料混凝土、剪力連接程度、栓釘直徑及截面尺寸對(duì)組合梁疲勞壽命、損傷累積及破壞模式的影響.試驗(yàn)測(cè)試并分析了組合梁在不同荷載循環(huán)次數(shù)下的混凝土應(yīng)變、殘余滑移、殘余撓度、滑移剛度及彎曲剛度.試驗(yàn)結(jié)果表明：部分剪力連接的組合梁在疲勞過(guò)程中不符合平截面假定；組合梁的疲勞破壞模式為剪跨區(qū)栓釘剪斷，破壞具有較大的延性；橡膠集料混凝土能有效減小裂縫寬度，明顯提高疲勞壽命，并增大殘余滑移，表現(xiàn)出更好的延性；增大剪力連接程度可提高組合梁的疲勞壽命，并降低剛度退化作用；較大的栓釘直徑使組合梁疲勞性能降低，并表現(xiàn)出較大的塑性.研究成果可為橡膠集料混凝土在組合梁中的應(yīng)用提供依據(jù).

橡膠集料混凝土；組合梁；疲勞性能；部分剪力連接；栓釘

可再生橡膠集料混凝土(RRFC)由普通混凝土加入經(jīng)過(guò)機(jī)械粉碎、碾磨并洗凈的廢舊輪胎橡膠顆粒所制成，是一種新型環(huán)保綠色材料.由于其具有較好的變形能力、抗裂性能及良好的疲勞性能，這種新材料已成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn).早在1999年就被用于亞利桑那大學(xué)的路面鋪裝，目前已得到更為廣泛的應(yīng)用[1-3].Hernandez針對(duì)不同橡膠摻量的混凝土進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，測(cè)試其靜力、動(dòng)力和疲勞性能，指出橡膠集料混凝土具有較好的能量耗散性能和抗疲勞性能[4].國(guó)內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了一些試驗(yàn)，如橡膠混凝土的三點(diǎn)彎拉疲勞性能，證明同等循環(huán)加載條件下，橡膠混凝土的疲勞壽命明顯高于普通素混凝土[5-6].

鋼與混凝土組合梁能充分利用不同材料的性能，目前已被廣泛應(yīng)用于高層建筑、多層工業(yè)廠房和橋梁，并帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益.鋼和混凝土之間的組合作用由剪力連接件實(shí)現(xiàn)，由于施工方便，焊在鋼梁翼緣上的栓釘成為最常用的剪力連接件.對(duì)于承受交通荷載的橋梁，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期處于循環(huán)荷載作用下，栓釘將直接承受疲勞荷載，其疲勞問(wèn)題日益突出.為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的靜力與疲勞試驗(yàn)，研究了組合梁的疲勞破壞形式，及栓釘直徑、疲勞荷載和混凝土強(qiáng)度等因素對(duì)疲勞性能的影響[7-10].

基于橡膠集料混凝土良好的材性，將其應(yīng)用于組合橋梁中，可有效提高行車舒適度，減少結(jié)構(gòu)開(kāi)裂，并可能改善組合橋梁的抗疲勞性能.此外，大直徑栓釘?shù)膽?yīng)用可以減小栓釘個(gè)數(shù)，降低焊接工作量，有效加快施工進(jìn)度，而橡膠集料混凝土的應(yīng)用也可能改善大直徑栓釘?shù)氖芰π阅?目前已對(duì)組合梁和橡膠集料混凝土性能展開(kāi)了大量研究，然而，尚缺乏對(duì)鋼與橡膠集料混凝土組合梁疲勞性能的系統(tǒng)研究.本文為研究橡膠集料混凝土-鋼組合梁抗疲勞性能，選取了混凝土種類、栓釘直徑、剪力連接程度、鋼梁尺寸4個(gè)影響因素，進(jìn)行6個(gè)組合梁疲勞試驗(yàn).研究了不同參數(shù)對(duì)組合梁疲勞壽命、抗裂性能、應(yīng)力分布、殘余變形及剛度退化的影響，并討論橡膠集料混凝土在組合橋梁中的適用性.

1　試驗(yàn)概況

1.1試件設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[11]研究了0%，5%，10%和15%四種不同橡膠摻量下，組合梁推出試件的受力性能，結(jié)果表明摻量為15%的混凝土強(qiáng)度有較大削弱，而摻量為5%的混凝土塑性性能提高不明顯.因此，本文在前期研究的基礎(chǔ)上，選擇橡膠摻量為10%的橡膠集料混凝土制作試件.在組合梁靜力試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)6個(gè)與靜力試驗(yàn)相同的組合梁試件，用于疲勞試驗(yàn)，編號(hào)為FBFT-1～FBFT-6.

鋼與混凝土組合梁是由H型鋼梁、加勁肋、焊釘、混凝土板和鋼筋組成的空間受力體系，難以按比例制作相應(yīng)的縮尺模型，特別是混凝土橋面板和鋼板的厚度，而足尺模型成本較高.為此，按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50017—2003)[12]制作組合梁的定型模型，模擬鋼與混凝土組合梁的受力情況，對(duì)其進(jìn)行研究.試件設(shè)計(jì)考慮試驗(yàn)條件的同時(shí)，保證所有試件的設(shè)計(jì)中性軸均位于鋼梁截面，避免混凝土板受拉.組合梁全長(zhǎng)4 000 mm，其中純彎段700 mm，剪跨段1 500 mm，加載點(diǎn)及支座截面設(shè)置加勁肋.所有試件的設(shè)計(jì)中性軸均位于鋼梁上翼緣.試件設(shè)計(jì)為2種截面尺寸，鋼梁分別使用HW250×250和HW350×350，其中2個(gè)試件的混凝土板采用普通混凝土澆筑，4個(gè)試件的混凝土板采用摻量為10%的橡膠集料混凝土澆筑.鋼梁上翼緣焊接單排栓釘，栓釘直徑分為16，19，22 mm.本文的組合梁為部分剪力連接，栓釘個(gè)數(shù)較少，且推出試驗(yàn)結(jié)果表明，栓釘數(shù)量相同的情況下，單排栓釘受力性能較好，因此均采用單排均勻布置[11,13].為研究部分剪力連接組合梁的疲勞性能，按規(guī)范設(shè)計(jì)0.5和0.68兩種不同剪力連接程度，公式如下[12].

(1)

Fc=nsVu=beffhcfc．

(2)

式中：r為剪力連接系數(shù)；n為實(shí)際栓釘個(gè)數(shù)；ns為完全剪力連接時(shí)的計(jì)算栓釘個(gè)數(shù)；Fc為混凝土板壓力；beff為混凝土板有效寬度；hc為混凝土板有效厚度；fc為混凝土抗壓強(qiáng)度；Vu為單個(gè)栓釘抗剪承載力，由靜力推出試驗(yàn)獲得[11].

組合梁試件的參數(shù)見(jiàn)表1，試件具體尺寸及構(gòu)造見(jiàn)圖1和圖2.

表1　組合梁疲勞試件參數(shù)

圖1　組合梁試件栓釘布置圖(單位：mm)Fig.1　Layout of studs in specimens(unit:mm)

圖2　組合梁試件剖面圖(單位：mm)Fig.2　Cross sectional of composite beam specimens(unit:mm)

按照GB/T 10432—2002,栓釘選用16 mm×90 mm，19 mm×110 mm，22×130 mm三種規(guī)格，長(zhǎng)度與直徑比值均大于4，細(xì)部尺寸見(jiàn)圖3.試件在鋼結(jié)構(gòu)加工廠制作并養(yǎng)護(hù)，模板及配筋見(jiàn)圖4.

1.2材料屬性

試件的混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30，通常情況下，以橡膠顆粒代替部分細(xì)骨料，但混凝土的強(qiáng)度和彈性模量都會(huì)有所下降[3].為排除試驗(yàn)中混凝土強(qiáng)度對(duì)組合梁抗疲勞性能的影響，經(jīng)多次試驗(yàn)后，改變粗骨料及水灰比，確定最合適的配比，使橡膠集料混凝土與普通混凝土的強(qiáng)度和彈性模量基本相同.在澆筑試件時(shí)，按規(guī)范制作2組150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，一組在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)，另一組在與試件組合梁相同的條件下養(yǎng)護(hù)，抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2.其中fcu,k為在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28 d的立方體抗壓強(qiáng)度，fcu,kt為在與試件相同的條件下養(yǎng)護(hù)，并于疲勞試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)測(cè)試的立方體抗壓強(qiáng)度，E為彈性模量.

圖3　栓釘尺寸構(gòu)造(單位：mm)Fig.3　Details of studs (unit: mm)

圖4　FBFT-4模板及配筋Fig.4　Formwork and bars of FBFT-4

表2　混凝土力學(xué)性能指標(biāo)

試件所用型鋼材料為Q235鋼，從鋼梁翼緣上切取標(biāo)準(zhǔn)板條進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，平均屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度分別為241 MPa和398 MPa.栓釘?shù)牟牧蠟镸15，其抗拉強(qiáng)度為365 MPa.鋼筋選用φ6的HRB335熱軋鋼筋，2種組合梁截面的縱向配筋率分別為0.87%和0.71%，經(jīng)測(cè)試的鋼筋屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度分別為348 MPa和455 MPa.

1.3試驗(yàn)裝置

疲勞試驗(yàn)采用1 000 kN電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)加載，作動(dòng)器在組合梁跨中施加等幅正弦脈沖疲勞荷載，加載頻率為1.3 Hz，荷載通過(guò)分配梁傳遞給2個(gè)加載點(diǎn)，加載點(diǎn)間距為700 mm.試件兩端簡(jiǎn)支，組合梁和分配梁的兩端支座下均放置厚度為40 mm的鋼板，以防止試件局部壓力過(guò)大，試驗(yàn)裝置如圖5所示.

圖5　疲勞試驗(yàn)加載裝置Fig.5　Setup of fatigue test

1.4測(cè)點(diǎn)布置及加載制度

疲勞試驗(yàn)中，采用精度為1/1 000 mm的位移計(jì)測(cè)量跨中撓度，同時(shí)測(cè)量支座端鋼梁與混凝土的相對(duì)滑移和掀起，以確定組合梁在疲勞荷載下的動(dòng)位移.采用混凝土應(yīng)變片測(cè)量跨中截面混凝土板的應(yīng)變，可判斷組合作用的程度及中性軸位置的變化.測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示，其中D1～D3為位移計(jì)，C1～C3為應(yīng)變片.

圖6　測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.6　Measuring point layout of specimens

在疲勞試驗(yàn)正式開(kāi)始前進(jìn)行1～2次靜力預(yù)加載，以消除松動(dòng)并確認(rèn)儀器工作正常.疲勞加載過(guò)程中，當(dāng)加載至0.03, 0.1, 0.5, 1, 3, 5, 10, 15, 20, 30, 40,…萬(wàn)次時(shí)，停止疲勞加載，進(jìn)行一次靜力加卸載循環(huán)，用于分析疲勞加載過(guò)程中的殘余應(yīng)變、殘余變形及剛度退化的規(guī)律，所加荷載為疲勞荷載上、下限的平均值.出現(xiàn)疲勞破壞的征兆時(shí)，適當(dāng)減小采集間隔.

2　試驗(yàn)結(jié)果

2.1疲勞壽命

對(duì)6個(gè)與疲勞試驗(yàn)相同的組合梁試件進(jìn)行靜力加載，測(cè)得其極限承載力，見(jiàn)表3.疲勞荷載的上、下限由極限承載力按比例計(jì)算得到.為保證疲勞試件不進(jìn)入彈塑性階段，疲勞荷載上限約為靜力極限承載力的50%；根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，取疲勞荷載下限約為靜力極限承載力的10%.根據(jù)靜力試驗(yàn)可知FBFT-1～FBFT-3及FBFT-4～FBFT-6分別具有基本相同的承載力，為方便疲勞加載，按平均承載力計(jì)算，對(duì)FBFT-1～FBFT-3及FBFT-4～FBFT-6分別施加相同的疲勞荷載，以比較不同參數(shù)對(duì)組合梁疲勞性能的影響.主要試驗(yàn)參數(shù)及疲勞加載次數(shù)見(jiàn)表3.由表3中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，使用橡膠集料混凝土的試件FBFT-2和FBFT-5分別比使用普通混凝土的FBFT-1和FBFT-4擁有較高的疲勞壽命，壽命分別增加50%和144%，表明橡膠顆粒具有較好的變形性能，可有效降低應(yīng)力集中作用，減緩組合梁的疲勞損傷發(fā)展.FBFT-2與FBFT-3相比，剪力連接程度增加36%后，疲勞壽命增加40%，這是因?yàn)榻M合梁的破壞標(biāo)志為剪跨區(qū)栓釘疲勞剪斷，因此在部分剪力連接的組合梁中，剪力連接程度對(duì)其疲勞性能有很大影響.對(duì)比FBFT-5與FBFT-6可知，剪力連接程度相同的情況下，疲勞壽命隨栓釘直徑的增加而降低，原因是直徑增大后栓釘個(gè)數(shù)相應(yīng)減少，易導(dǎo)致較大的應(yīng)力集中，加速疲勞損傷的發(fā)展.但是，F(xiàn)BFT-4與FBFT-6具有相近的疲勞壽命，證明橡膠集料混凝土良好的抗疲勞性能可彌補(bǔ)大直徑栓釘缺陷，進(jìn)而為更大直徑栓釘?shù)膽?yīng)用提供可能.

表3　疲勞試驗(yàn)主要參數(shù)及結(jié)果

2.2試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞模式

由于預(yù)加載時(shí)，鋼與混凝土間的自然黏結(jié)已經(jīng)失效，因此組合作用完全由栓釘提供.在疲勞加載初期，栓釘產(chǎn)生變形，支座處的鋼梁與混凝土板首先出現(xiàn)相對(duì)滑移.此后，栓釘變形增大，支座端的滑移有所增加，加載點(diǎn)下方的混凝土板出現(xiàn)細(xì)小裂縫.隨著疲勞加載次數(shù)增加，支座附近發(fā)出有規(guī)律的清脆響聲，混凝土板掀起明顯，可觀察到支座處的栓釘已被剪斷，剪跨區(qū)滑移由支座端向跨中發(fā)展，組合作用被削弱，加載點(diǎn)下方混凝土的裂縫貫穿板底.破壞時(shí)，混凝土裂縫寬度增大，滑移已由支座向跨中延伸至約1 200 mm處，掀起與滑移變形極大，可觀察到剪跨區(qū)栓釘全部剪斷，此時(shí)鋼梁沒(méi)有明顯變形，但由于組合作用完全喪失，因此判定組合梁疲勞破壞，如圖7所示.這也說(shuō)明，疲勞破壞時(shí)，組合梁退化為鋼梁，軋制鋼材疲勞性能較好，且可以承受疲勞上限，所以結(jié)構(gòu)具備較大的后續(xù)疲勞承載能力.因此，試驗(yàn)所測(cè)壽命僅為組合梁的疲勞壽命，而并非結(jié)構(gòu)的全壽命.

組合梁疲勞破壞模式與靜力破壞有很大差別.承受靜力荷載時(shí)，組合梁跨中有明顯撓曲變形，最終破壞形式為跨中鋼梁屈服，混凝土板壓碎，但栓釘基本沒(méi)有破壞，如圖8所示.承受疲勞荷載時(shí)，6個(gè)試件的破壞模式均為剪跨區(qū)栓釘全部剪斷，破壞時(shí)鋼梁沒(méi)有屈服，詳見(jiàn)圖9.

圖7　混凝土板掀起Fig.7　Uplifting of concrete slabs

試驗(yàn)中栓釘?shù)钠诩魯嗥茐哪Ｊ街饕袌D10中的3種：栓釘桿中下部剪切破壞(圖10(a))、栓釘根部釘桿剪切破壞(圖10(b))、栓釘焊縫撕裂破壞(圖10(c))[14].前兩種破壞模式為正常疲勞破壞，第三種破壞模式是由焊接缺陷導(dǎo)致的，對(duì)栓釘疲勞性能有很大削弱.試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)大部分栓釘發(fā)生第二種破壞，但仍有一定數(shù)量的栓釘發(fā)生第三種破壞.當(dāng)栓釘發(fā)生前兩種破壞時(shí)，釘桿均可產(chǎn)生圖11所示截面，從圖中可以看出，疲勞源位于栓釘表面，疲勞裂縫擴(kuò)展區(qū)內(nèi)有明顯的疲勞臺(tái)階，裂縫擴(kuò)展區(qū)與瞬斷區(qū)的面積比約為5∶1，表明栓釘有較好的塑性.

圖8　組合梁靜力破壞模式Fig.8　Static failure mode of composite beams

圖9　組合梁疲勞破壞模式Fig.9　Fatigue failure model of composite beams

圖10　栓釘疲勞破壞模式Fig.10　Fatigue failure mode of studs

圖11　栓釘疲勞破壞截面Fig.11　Section of the stud with fatigue failure

在疲勞過(guò)程中，由于端部栓釘逐步剪斷，剪跨區(qū)的混凝土板受力很小，趨于自由狀態(tài)，因此僅在純彎段的加載點(diǎn)附近受力較大并出現(xiàn)裂縫，裂縫分布如圖12所示.圖12(a)與(b)～(e)對(duì)比可知普通混凝土組合梁的主要裂縫僅有一條，裂縫寬度較大，損傷嚴(yán)重，而橡膠集料混凝土組合梁的裂縫相對(duì)細(xì)小，且分布均勻，沒(méi)有發(fā)生致命的集中破壞；由圖12(b)與(c)可以看出，當(dāng)所用栓釘和混凝土相同時(shí)，剪力連接程度小的組合梁裂縫數(shù)量較多；由圖12(d)與(e)比較可知，所用混凝土與剪力連接程度相同時(shí)，大直徑栓釘會(huì)導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂時(shí)間過(guò)早，但對(duì)裂縫的數(shù)量沒(méi)有明顯影響.

圖12　混凝土板裂縫Fig.12　Cracks of concrete slabs

3　試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1跨中截面混凝土應(yīng)變沿梁截面高度變化規(guī)律

大量已有靜力試驗(yàn)證明，組合梁在承受靜力荷載且處于正常工作狀態(tài)時(shí)，全截面均符合平截面假定，即混凝土板與鋼梁可以共同受力，所受應(yīng)力示意圖見(jiàn)圖13(a)；當(dāng)靜力構(gòu)件進(jìn)入塑性階段或剪力連接件變形過(guò)大時(shí)，組合梁不符合平截面假定，混凝土板與鋼梁不完全連接，并產(chǎn)生2個(gè)中性軸，受力狀態(tài)如圖13(b)所示；當(dāng)沒(méi)有剪力連接時(shí)，混凝土板與鋼梁完全獨(dú)立工作，如圖13(c)所示.

為研究疲勞荷載下組合梁受力性能，在試件跨中混凝土板側(cè)面粘貼應(yīng)變片.由試件尺寸計(jì)算可知疲勞試驗(yàn)所用組合梁屬于圖13(a)中所示第二種情況，相應(yīng)的靜力試驗(yàn)也可表明混凝土板在加載過(guò)程中全部受壓，即中性軸位于鋼梁截面內(nèi)，因此若疲勞試驗(yàn)測(cè)得混凝土板受拉應(yīng)力，則可判定組合梁處于不完全連接狀態(tài).

圖13　組合梁的剪力連接作用Fig.13　Shear connection of composite beams

圖14所示為不同荷載循環(huán)次數(shù)下，F(xiàn)BFT-1混凝土板的應(yīng)變?cè)诳缰薪孛嫜亟孛娓叨鹊淖兓?guī)律.

應(yīng)變 (a)0萬(wàn)次

應(yīng)變 (b)0.3萬(wàn)次

應(yīng)變 (c)2萬(wàn)次

應(yīng)變 (d)10萬(wàn)次圖14　不同荷載循環(huán)次數(shù)下 混凝土板的荷載-應(yīng)變曲線Fig.14　Load-strain curves of concrete slab with various loading cycles

從圖14中可以看出，應(yīng)變沿混凝土板截面高度的分布基本為直線，表明疲勞過(guò)程中，平截面假定在混凝土板內(nèi)可假設(shè)成立.數(shù)據(jù)顯示混凝土板在疲勞加載前全截面受壓，板與鋼梁可協(xié)同受力，但荷載循環(huán)僅0.3萬(wàn)次后，混凝土板底部出現(xiàn)拉應(yīng)力，說(shuō)明組合作用被削弱，板內(nèi)中性軸位置接近板底；疲勞加載2萬(wàn)次后，剪力連接鍵進(jìn)一步破壞，應(yīng)變片C2所測(cè)數(shù)據(jù)基本為零，分析可知板內(nèi)中性軸上移至C2處；試件發(fā)生疲勞破壞時(shí)的靜力加載數(shù)據(jù)顯示，中性軸繼續(xù)上移，位置靠近混凝土板的中心軸，表明剪力連接鍵已基本失效，試件受力模式接近圖13(c)所示疊合梁.

試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，其余試件中混凝土板應(yīng)變的變化規(guī)律基本與FBFT-1相同.綜上可知，部分剪力連接的組合梁在0萬(wàn)次靜力荷載下組合作用完好，受到疲勞荷載后，組合作用迅速退化，在全部疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，組合梁不符合平截面假定，處于不完全連接的狀態(tài).此外，0萬(wàn)次所測(cè)荷載-應(yīng)變曲線呈線性分布，試件可沿加載路徑卸載，表明試件在相應(yīng)荷載下處于彈性階段，但經(jīng)歷疲勞循環(huán)后，試件在相同荷載下出現(xiàn)明顯的彈塑性階段和“滯回現(xiàn)象”，且加載次數(shù)越大，試件的塑性特征越明顯.

圖15所示為混凝土板中性軸高度hn隨疲勞荷載循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，其中hn為中性軸位置與板底的間距，若混凝土板全截面受壓，則中性軸高度為負(fù).由于試件FBFT-3的應(yīng)變片在測(cè)量中損壞嚴(yán)重，采集數(shù)據(jù)變異較大，將其剔除.由圖14可以看出，試件FBFT-1～FBFT-2與FBFT-4～FBFT-6分別具有基本相同的曲線，表明若組合梁截面尺寸相同，則板內(nèi)中性軸發(fā)展規(guī)律基本相同，栓釘直徑、剪力連接程度和橡膠集料混凝土均未對(duì)其產(chǎn)生影響.

Ni/N圖15　板內(nèi)中性軸高度發(fā)展曲線Fig.15　Evolution of neutral axis of concrete slabs

3.2疲勞破壞標(biāo)準(zhǔn)

雖然疲勞破壞一般為脆性破壞，但是與其他結(jié)構(gòu)相比，混凝土組合梁疲勞破壞時(shí)有較大延性.這是因?yàn)榻M合梁中栓釘從支座端向跨中依次破壞，構(gòu)件中栓釘數(shù)量較多，且每個(gè)栓釘?shù)钠茐木杞?jīng)歷足夠的荷載循環(huán)次數(shù)，因此結(jié)構(gòu)可進(jìn)行多次應(yīng)力重分布.此外，型鋼鋼梁的抗疲勞性能較好，在剪跨區(qū)栓釘全部剪斷，混凝土板完全失效的情況下，只有鋼梁?jiǎn)为?dú)受力也能承受最大疲勞荷載.這也說(shuō)明，以結(jié)構(gòu)不能承受最大疲勞荷載來(lái)判定其最終破壞并不適用，試驗(yàn)中以剪跨段栓釘全部剪斷為標(biāo)準(zhǔn),認(rèn)定結(jié)構(gòu)破壞,但因該現(xiàn)象在實(shí)際結(jié)構(gòu)中不易觀察,故此判定方法缺乏廣泛適用性.

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，不同試件混凝土板的中性軸在疲勞過(guò)程中有相似的發(fā)展規(guī)律.由圖15可見(jiàn)，相同尺寸的組合梁試件在疲勞破壞前具有相近的中性軸高度.為方便比較不同尺寸的試件，定義中性軸高度系數(shù)ξ=hn/h，其中h為混凝土板高度.疲勞破壞時(shí)，F(xiàn)BFT-1～FBFT-2的平均中性軸高度系數(shù)為0.411，F(xiàn)BFT-4～FBFT-6的平均值為0.403.在5個(gè)試件疲勞破壞前，中性軸高度系數(shù)都發(fā)展至一個(gè)定值，因此可將其作為輔助判定構(gòu)件疲勞破壞的標(biāo)準(zhǔn).

3.3殘余變形

雖然試驗(yàn)進(jìn)行等幅疲勞加載，且疲勞上限小于比例極限荷載，即試件處于彈性階段，但由于疲勞損傷不斷累積，疲勞荷載同樣使組合梁產(chǎn)生不可恢復(fù)的殘余變形.在疲勞試驗(yàn)中，加載至一定次數(shù)后停機(jī)，對(duì)組合梁施加不破壞的靜力荷載，可得到不同加載次數(shù)下試件的滑移和撓度.

圖16所示為一個(gè)典型試件的荷載-滑移曲線.由圖可知，由于疲勞損傷，試件在卸載后有不可恢復(fù)的殘余變形.由于位移計(jì)在疲勞加載過(guò)程中受到擾動(dòng)，試件FBFT-3的測(cè)量結(jié)果誤差較大，將其剔除后，剩余5個(gè)試件的殘余滑移隨加載次數(shù)的發(fā)展曲線如圖17所示.為方便比較，以試件最終壽命為參考，對(duì)荷載作用次數(shù)進(jìn)行歸一化處理，其中Ni為加載過(guò)程中的荷載循環(huán)次數(shù)，N為破壞時(shí)荷載循環(huán)次數(shù).

滑移/mm圖16　組合梁荷載-滑移曲線Fig.16　Curves of load verses slip of composite beams

Ni/N (a)FBFT-1～FBFT-2

Ni/N (b)FBFT-4～FBFT-6圖17　組合梁殘余滑移發(fā)展曲線Fig.17　Evolution of residual slip of composite beams

由圖17可知，殘余滑移的發(fā)展過(guò)程明顯可分為3個(gè)階段：第Ⅰ階段為疲勞損傷萌生階段，殘余滑移在加載初期急劇增長(zhǎng)；第Ⅱ階段為疲勞損傷發(fā)展階段，試件進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，滑移增長(zhǎng)趨勢(shì)較慢；第Ⅲ階段為疲勞破壞階段，加載后期由于剩余的抗剪栓釘數(shù)量較少，且有效截面很小，殘余滑移迅速發(fā)展，出現(xiàn)突變，隨即發(fā)生疲勞破壞.第Ⅰ階段和第Ⅲ階段各占總壽命的約5%，第Ⅱ階段約占總壽命的90%.

試件的跨中撓度通過(guò)位移計(jì)定時(shí)采集，殘余撓度隨加載次數(shù)的變化曲線如圖18所示.

Ni/N圖18　組合梁殘余撓度發(fā)展曲線Fig.18　Evolution of residual deflection of composite beams

殘余撓度在試件開(kāi)始經(jīng)歷循環(huán)荷載后(約1萬(wàn)次內(nèi))迅速增加，后進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展階段，符合疲勞試驗(yàn)的一般規(guī)律.但與殘余滑移不同，組合梁的殘余撓度在試件疲勞破壞前沒(méi)有發(fā)生明顯增大，這是因?yàn)槠谄茐臅r(shí)栓釘剪斷，剪跨區(qū)混凝土板退出工作，但鋼梁和純彎段部分的混凝土板仍然可以繼續(xù)承受疲勞荷載，因此試件撓度在破壞時(shí)沒(méi)有突變.

圖17和圖18中數(shù)據(jù)顯示，F(xiàn)BFT-1和FBFT-2的殘余滑移和撓度均大于FBFT-4～FBFT-6.主要原因?yàn)殇摿航孛嫦鄬?duì)較小，導(dǎo)致組合梁中性軸位置上移較多，則栓釘更靠近中性軸，所受剪力相對(duì)較大，因此試件更容易產(chǎn)生變形.分別對(duì)比FBFT-1與FBFT-2，F(xiàn)BFT-4與FBFT-5，由于彈性混凝土有較好的變形能力，代替普通混凝土后，組合梁在第Ⅱ階段的殘余滑移分別增大約27%和56%，殘余撓度增加約45%和72%，體現(xiàn)出更好的延性.由FBFT-6與FBFT-5相比可知，抗剪連接程度相同的情況下，增大栓釘直徑后，F(xiàn)BFT-6第Ⅱ階段殘余滑移和殘余撓度均降低約64%，說(shuō)明大直徑栓釘可導(dǎo)致組合梁延性的降低.此外，F(xiàn)BFT-6比FBFT-4的殘余滑移和殘余撓度僅分別降低了25%和38%，表明彈性混凝土的使用可以在一定程度上彌補(bǔ)大直徑栓釘造成的脆性.

3.4剛度退化

組合梁試件在疲勞加載過(guò)程中，滑移剛度和彎曲剛度都會(huì)發(fā)生不同程度的退化.根據(jù)疲勞加載過(guò)程中停機(jī)測(cè)得的靜力數(shù)據(jù)，計(jì)算組合梁在不同荷載循環(huán)次數(shù)下的割線滑移剛度和彎曲剛度的退化程度，見(jiàn)表4.

表4　不同荷載循環(huán)次數(shù)下剛度的退化

組合梁在疲勞荷載下的彎曲剛度退化規(guī)律與滑移剛度相似，雖然各試件的壽命不同，但所有試件的滑移剛度退化均集中發(fā)生在2萬(wàn)次內(nèi).由于栓釘發(fā)生疲勞剪切破壞，而鋼梁并沒(méi)有明顯的彎曲破壞，因此滑移剛度的退化程度遠(yuǎn)大于彎曲剛度.荷載循環(huán)2萬(wàn)次后，彎曲剛度基本保持不變，退化十分緩慢，且破壞時(shí)剛度與2萬(wàn)次時(shí)剛度基本相同，疲勞破壞前沒(méi)有發(fā)生突變.

對(duì)于鋼梁截面不同的FBFT-1～FBFT-3和FBFT-4～FBFT-6，鋼梁截面較小的試件FBFT-1～FBFT-3具有明顯較小的初始滑移剛度和彎曲剛度.此外，鋼梁尺寸對(duì)剛度的退化幅度有一定影響.2萬(wàn)次時(shí)FBFT-1～FBFT-3的滑移剛度降低約87%，但FBFT-4～FBFT-6的剛度只降低約78%.這是因?yàn)殇摿撼叽绮煌?，栓釘所受剪力不?FBFT-1～FBFT-3的彎曲剛度降低約30%，而FBFT-4～FBFT-6的剛度降低約26%.彎曲剛度主要由鋼梁截面控制，在試驗(yàn)中，疲勞荷載對(duì)混凝土及栓釘?shù)膿p傷較大，對(duì)軋制鋼梁的影響較小，因而鋼梁截面相對(duì)較大的后3組試件能更好地抵抗損傷引起的彎曲剛度退化.

分別對(duì)比FBFT-1和FBFT-2，F(xiàn)BFT-4和FBFT-5可知，由于彈性混凝土的彈性模量降低，組合梁的初始滑移剛度和彎曲剛度降低15%～23%.彈性混凝土對(duì)組合梁滑移剛度的退化幅度基本沒(méi)有影響，但會(huì)導(dǎo)致彎曲剛度退化加劇.

對(duì)比FBFT-2和FBFT-3可知，增大組合梁的剪力連接程度可有效增大初始彎曲剛度，增幅分別約為14%和25%.同時(shí)由于栓釘抗剪能力增強(qiáng)，可以使滑移剛度和彎曲剛度的退化分別降低2%～7%.

FBFT-5和FBFT-6的試驗(yàn)結(jié)果表明，如果剪力連接程度相同，栓釘直徑對(duì)組合梁的滑移剛度退化程度基本沒(méi)有影響.但較大直徑的栓釘有利于提高組合梁的初始剛度，降低彎曲剛度的退化程度.

4　結(jié)　論

本文對(duì)6個(gè)橡膠集料混凝土與鋼組合梁試件開(kāi)展了疲勞試驗(yàn)研究.在此基礎(chǔ)上通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析得出如下結(jié)論：

1)組合梁的疲勞破壞模式為栓釘剪斷和混凝土開(kāi)裂，試件可進(jìn)行多次應(yīng)力重分布，其疲勞破壞有一定的延性，且破壞后仍有較高的承載力，疲勞破壞后強(qiáng)度儲(chǔ)備較大.

2)在疲勞過(guò)程中，部分剪力連接的組合梁不符合平截面假定，混凝土板與鋼梁不能共同受力，分別具有一個(gè)中性軸.板內(nèi)中性軸在疲勞作用下不斷上移，當(dāng)中性軸高度系數(shù)達(dá)到0.4時(shí)，試件發(fā)生疲勞破壞.

3)橡膠混凝土組合梁能有效推遲混凝土裂縫出現(xiàn)的時(shí)間，減小裂縫寬度，顯著提高組合梁抗疲勞性能；較大的剪力連接程度對(duì)靜力性能影響很小，卻可增加組合梁的抗疲勞能力，因此承受較大疲勞荷載的結(jié)構(gòu)宜采用剪力連接程度較高的組合梁；此外，較大的栓釘直徑會(huì)加劇應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致組合梁疲勞壽命降低，但該不利影響可被橡膠集料混凝土降低，從而促進(jìn)大直徑栓釘?shù)膽?yīng)用.

4)在疲勞試驗(yàn)初期，組合梁的殘余滑移和殘余撓度均有較大的發(fā)展，但在疲勞破壞前，殘余滑移迅速增大，殘余撓度沒(méi)有發(fā)生明顯變化，也說(shuō)明組合梁的疲勞破壞具有一定的延性.橡膠集料混凝土可增大試件在損傷發(fā)展階段的殘余滑移和撓度，表現(xiàn)出更好的塑性；相反，使用大直徑栓釘?shù)慕M合梁在損傷發(fā)展階段變形較小，延性略差.

5)滑移剛度和彎曲剛度在疲勞初期有較大退化，此后保持相對(duì)穩(wěn)定，破壞前沒(méi)有突然性的降低，說(shuō)明在疲勞荷載作用下，組合梁有較好的保持剛度的能力.試驗(yàn)表明，剪力連接程度越高，則彎曲剛度退化越慢；橡膠集料混凝土可使組合梁初始剛度降低，剛度退化略有增大，但由于其較好的抗疲勞性能，在剛度滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，仍可用于組合梁結(jié)構(gòu)來(lái)改善其抗疲勞性能.

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Experiment Study on the Fatigue Behavior of Partial Shear Connected Composite Beam with Crumb Rubber Concrete

XING Ying1, XU Jie1, 2, HAN Qing-hua1, 2?,LI Zi-lin1,WANG Yi-hong1

(1. School of Civil Engineering, Tianjin Univ, Tianjin300072, China;2. Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety of Ministry of Education,Tianjin Univ, Tianjin300072, China)

In order to study the fatigue behavior of the crumb rubber concrete and steel composite beam, six fatigue tests were conducted. This study focused on examining the influence of the rubber particles, shear connection degree, stud diameter and sectional dimension on the fatigue life, accumulated fatigue damage and failure mode. Concrete strain, residual slip, residual deflection and bending stiffness of the composite beams at different loading cycles were measured and analyzed. The test results showed that the plain section assumption cannot be applied to the partial connected composite beams under fatigue loading; the fatigue failure was governed by the shank failure of the studs showing good ductility in the shear span; crumb rubber concrete decreased the crack width and improved the fatigue life effectively; larger residual slip due to the rubber particles improved ductility; larger shear connection degree increased the fatigue life and reduced the shear stiffness degradation; and larger diameter of the studs decreased the fatigue life and ductility. It is shown that this study is helpful for the application of crumb rubber concrete into the composite beams.

crumb concrete; composite beams; fatigue behavior; partial shear connected; studs

1674-2974(2016)07-0032-11

2015-08-15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51408408), National Natural Science Foundation of China(51408408)；國(guó)家杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51525803)，National Science Fund for Distinguished Young Scholars(51525803)

邢穎(1988-)，女，山西太原人，天津大學(xué)博士研究生

?通訊聯(lián)系人，E-mail:qhhan@tju.edu.cn

TU398

A