疲劳荷载下型钢混凝土梁剪切破坏机制与设计理论研究

目前已建和在建的高铁车站推广应用了型钢混凝土（SRC）梁。随着重载铁路的兴起，SRC组合结构也已成为桥梁结构的合理选择，但这种组合结构在反复荷载作用下的疲劳性能缺乏研究和设计规范的指导。本项目在前期SRC梁受弯作用的正截面疲劳破坏模式的研究基础上，进一步研究SRC梁受剪作用突出的疲劳性能，最终建立SRC梁的疲劳设计方法。 主要研究内容有：（1）小剪跨比的荷载作用下SRC梁的疲劳试验，研究外部混凝土、内部H形钢、钢筋等各组件的受力性能、疲劳破坏模式、裂纹形成与扩展过程及其监测技术、刚度和混凝土开裂宽度变化等特性；（2）应用断裂力学、损伤力学理论、有限元技术，研究SRC梁疲劳破坏过程的数值分析方法，分析各组件的内在联系、参数影响效应和疲劳破坏机制；（3）SRC梁疲劳设计方法、基本准则和建议。 重要研究结果与关键数据主要有：（1）进行了29根工程尺度的实腹式SRC梁疲劳破坏试验，重要参数有：小剪跨1.8、1.5、1.1、1.0，焊接H形钢（Q345B）含钢率5.01%、5.54%、6.40%和7.49%，纵筋配筋率0.38%和0.42%，混凝土标号 C40、C50和C60。发现仅1根SRC梁发生了受剪或弯剪区的斜截面疲劳破坏模式，其余28根SRC梁都发生了受弯区的正截面疲劳破坏模式，并且H形钢受拉翼缘的断裂是整个SRC疲劳破坏的标志。表明无论受弯还是弯剪，SRC梁正截面疲劳破坏占主导模式。（2）分别进行了5根单独的焊接H形钢梁和15根单独钢筋的疲劳破坏试验，作为SRC梁内部H形钢和钢筋疲劳破坏模式和机理的对比。应用Beach marking技术来跟踪留取H形钢截面上的疲劳裂纹起源位置与扩展路径，建立了裂纹扩展速率模型。（3）建立了基于焊接H形钢的断裂力学模型、钢筋和混凝土的损伤力学模型的有限元数值方法，模拟了试验的SRC梁各组件的疲劳过程和寿命，并分析了各参数对SRC梁疲劳寿命的影响规律和机制。在相同的应力幅条件下，SRC梁内部的H形钢比单独的H形钢具有更高的疲劳强度，这源于前者疲劳裂纹扩展时有混凝土的约束作用和钢筋的受力分担。（4）正截面受弯破坏是SRC梁疲劳性能的关键问题，集成了本项目和前期所有剪跨比（1.8、1.5、1.1、1.0和2.6）的SRC梁正截面疲劳破坏试验数据，提出了涵盖各组件疲劳强度验算在内的SRC梁的疲劳设计方法和建议。 2100433B

本项目研究型钢混凝土（SRC）梁斜截面抗剪疲劳性能，促进这种新型组合结构在工程上的耐久性应用。主要研究内容涉及：（1）在高周疲劳荷载作用下SRC梁各组件（混凝土、钢筋、H型钢、栓钉剪力件）的剪力传递、分配和剪切粘结性能，斜截面剪切疲劳破坏模式，裂纹形成与扩展形态及其监测技术，疲劳强度、刚度和混凝土开裂宽度变化等特性；（2）基于损伤力学、断裂力学原理的SRC梁斜截面剪切疲劳损伤、裂纹扩展和寿命模拟的分析模型及其有限元数值计算方法，SRC梁斜截面剪切疲劳破坏机制，各组件之间的内在联系，影响SRC梁剪切疲劳的关键参数；（3）SRC梁斜截面剪切疲劳破坏的极限状态，混凝土裂缝宽度控制及和疲劳强度的实用设计理论及构造要求。本项目重要的学术创新思想是改变以往结构疲劳研究主要依赖试验、数理统计回归的方法，在适量试验基础上着重发展结构疲劳数值分析与仿真方法，提升复杂结构疲劳问题的理论与数值分析水平。

任何材料都会发生疲劳破坏，因此在设计零部件及工程结构等时必须考虑到材料遭受疲劳破坏的时限，以免造成不必要的财产损失和人身伤亡事故。

对于钢材，在疲劳破坏之前并没有明显的变形，是一种突然发生的断裂，断口平直，属于反复荷载作用下的脆性破坏。

在荷载反复作用下，结构构件母材和连接缺陷处或应力集中部位形成微细的疲劳裂纹，并逐渐扩展以至最后断裂的现象。它是一个累积损伤过程。结构细部构造、连接型式、应力循环次数、最大应力值和应力变化幅度(应力幅)是影响结构疲劳破坏的主要因素。疲劳破坏往往发生在名义应力小于材料抗拉强度甚至屈服点的情况。根据应力循环次数的范围，疲劳破坏分成低周疲劳和高周疲劳二大类。

由疲劳的概念可知，疲劳破坏具有下列几个方面的特点:

疲劳破坏扰动应力作用

扰动应力是指随着时间发生变化的应力，也称为扰动载荷，载荷可以是力、应变、位移等等。

疲劳载荷的分类如图1所示。一个载荷谱在一个确定的时间间隔内呈现规律性的、相等幅频的重复称为周期，此类具有周期性交变特征的载荷称作循环载荷。

疲劳破坏明显的局部性

疲劳破坏往往产生于局部，局部性是疲劳失效的重要特征。因此，注意研究零部件的细节，尤其是应力应变集中处，尽力减小应力集中的发生，对提高零部件工作质量，延长构件寿命具有积极意义。

疲劳破坏一个发展过程

疲劳破坏是一个发展的过程。单就零部件疲劳破坏形式之一的断裂来讲，由疲劳裂纹产生到疲劳裂纹扩展，直至最后发生断裂，这是一个疲劳损伤逐步累积的过程。由此可引出疲劳寿命的概念，疲劳寿命指的是疲累损伤累积过程中零部件所经历的时间，或者说载荷循环次数。

疲劳破坏疲劳

材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。根据循环荷载的幅值和频率，疲劳可以分为等幅疲劳、变幅疲劳和随机疲劳;根据材料破坏前所经历的循环次数(即寿命)以及疲劳荷载的应力水平，疲劳又可以分为高周疲劳、低周疲劳和亚临界疲劳。

疲劳破坏疲劳寿命

疲劳破坏时所经历的应力、应变循环次数。

疲劳破坏疲劳极限

指定基数下的中值疲劳强度，对当循环基数为其他值时，称为该循环基数下的条件疲劳极限，有时简称为该循环基数下的疲劳强度。

疲劳破坏疲劳累积损伤

谱荷载下疲劳损伤的积累。线性损伤时常用循环比的和表示，即D= ΣCi，其中Ci为第i级应力水平下的循环比。

疲劳破坏疲劳破坏准则

疲劳破坏时应力空间或应变空间破坏包络面的数学表达式。可供工程中疲劳计算分析时使用，但它不解决对疲劳破坏的物理和力学机理的认识。