型钢混凝土梁疲劳性能与损伤机理及设计理论研究

本课题的主要研究内容和关键科学问题是：（1）H型钢-钢筋混凝(SRC)梁循环受弯过程的疲劳性能与机理，SRC梁中H型钢、钢筋、混凝土、栓钉剪力件等各组件的相互联系，与型钢梁、钢筋混凝土梁等其它梁疲劳性能上的异同性；（2）SRC梁各组件的疲劳裂纹形成、扩展规律与机制，疲劳裂纹扩展模型的数值计算方法；（3）SRC梁疲劳强度的计算理论与准则，SRC梁疲劳受损后的修复、碳纤维加固方法和性能。 研究工作得到如下结论： （1）在循环荷载作用下，发生疲劳破坏之前SRC梁各组件能很好地共同工作，挠度能满足使用要求，混凝土裂纹宽度都在0.2mm以内。 （2）SRC梁疲劳破坏过程是：H型钢在受拉下翼缘首先出现裂纹，然后裂纹沿翼缘宽度和腹板高度扩展，之后受拉钢筋疲劳断裂，受压混凝土压酥剥落，至此SRC梁丧失承载力。SRC梁疲劳破坏过程具有H型钢梁与钢筋混凝土梁两者疲劳破坏合成的特点。 （3）H型钢受拉翼缘出现疲劳裂纹的位置有3种情况，按照疲劳强度从低到高的顺序是：（a）裂纹出现在栓钉的焊趾，（b）出现在翼缘与腹板的角焊缝的趾部，（c）出现在钢材加工缺陷处。H型钢受拉翼缘断裂是SRC梁疲劳破坏的标志。 （4）在低配筋率情况下含钢率高的SRC梁疲劳强度要高于含钢率低的SRC梁，但在高配筋率情况下含钢率对疲劳性能的影响效应不显著。在低含钢率情况下高配筋率的SRC梁疲劳强度略微高于低配筋率的SRC梁，但在高含钢率的情况下配筋率没对SRC梁的疲劳寿命产生显著影响。 （5）SRC梁的疲劳强度高于具有相同构造细节的纯钢梁的疲劳强度。H型钢受拉翼缘设置栓钉会降低SRC梁的疲劳强度，应避免。采用K型熔透焊接或者轧制的H型钢，有助于提高SRC梁疲劳强度。 （6）应用Beach Marking检测方法清晰地观测到了H型钢疲劳裂纹的形成与扩展路径，并获得了裂纹扩展速率与应力强度因子幅∆K的关系式。 （7）建立了基于断裂力学原理的SRC梁疲劳寿命有限元数值模型，分析表明疲劳寿命大多数花费在小裂纹的扩展阶段，当裂纹深度达到H型钢板厚的50%之时，已消耗了总疲劳寿命的90%，受拉钢筋在H钢梁受拉翼缘裂纹贯穿板厚前已疲劳断裂，这些特性与试验结果基本吻合。 （8）提出了按照SRC梁内H型钢受拉翼缘应力幅值、应用试验数据统计回归的S-N曲线来验算SRC梁疲劳强度的理论和方法；提出了疲劳损伤后的SRC梁修复及碳纤维加固方法。 2100433B

研究型钢混凝土（SRC）梁高周疲劳性能与损伤机理及设计理论既是这种新型钢-混凝土组合结构更广阔应用场合和条件下的耐久性需要，也是结构工程学科基础理论发展的要求。研究内容和关键的科学问题是：（1）SRC梁高周疲劳全过程的性能与机理，SRC梁中型钢、钢筋、混凝土、栓钉剪力件等各组成部分的相互联系与效应，与型钢梁、钢筋混凝土梁等其它梁疲劳性能上的异、同性；（2）SRC梁各组成部分的疲劳裂纹形成、扩展规律与机制，疲劳裂纹扩展模型的数值化计算理论与方法；（3）SRC梁疲劳强度设计理论与准则。本项目改变以往结构疲劳完全依赖试验、数理统计回归的研究方法，遵循辅助适量试验、强化分析预测的学术思想，特别强调应用断裂力学原理与数值模型的分析方法去揭示SRC梁疲劳性能的机理和参数效应，获得循环应力、疲劳裂纹尺度、寿命三者之间的内在关系，发展钢－混凝土组合结构疲劳学科的理论分析水平。

项目以疲劳作用下钢管混凝土桁梁的疲劳性能和损伤失效机理为研究对象，进行了钢管混凝土节点的疲劳性能、钢管混凝土桁梁的疲劳性能以及钢管混凝土桁梁的疲劳损伤失效机理的研究。 研究结果表明，钢管混凝土节点的热点应力一般出现在冠点处，钢管混凝土节点的应力集中系数约为2.34~5.2。与空钢管节点相比，填充混凝土后，相贯节点的应力集中程度得到缓解，应力集中程度的缓解使得钢管混凝土节点的疲劳强度或疲劳寿命得到提高。在相同的疲劳寿命下，填充混凝土使得钢管混凝土节点的疲劳强度得到提高，或者说，在相同的疲劳强度下，填充混凝土使得钢管混凝土节点的疲劳寿命得到提高。 目前，我国的《钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）没有关于钢管混凝土节点疲劳细节的规定，《公路钢管混凝土拱桥设计规范》（JTG-T D65-06-2015）也只给出了节点疲劳设计的容许应力幅，本项目的研究成果是对两本规范有益的补充，也将对钢管混凝土结构桥梁的应用起到一定的推动作用。 2100433B

钢管混凝土桁梁具有优越的力学性能和施工上的方便，在桥梁工程中具有广阔的应用前景，但目前这种结构在疲劳方面的研究还比较少，现有的研究多集中在节点的疲劳性能方面，缺少整体疲劳性能的研究；疲劳荷载作用下钢管混凝土桁梁的局部和整体结构损伤失效模式和疲劳损伤累积发展规律方面的研究还有待于展开。.本项目以疲劳作用下钢管混凝土桁梁的疲劳性能和损伤失效机理为研究对象，通过对钢管混凝土桁架组合梁的疲劳损伤失效和力学模型研究、结构整体的数值模拟与试验研究，分析疲劳作用下的钢管混凝土桁梁的疲劳性能、探讨局部失效和整体失效之间的关系，建立钢管混凝土桁梁的失效模式和损伤分析模型，探索钢管混凝土桁梁的疲劳损伤力学特性，损伤演变规律和失效机理，项目的研究可为钢管混凝土桁梁疲劳设计理论的发展提供理论基础。

目前，高强度钢材越来越多地运用在钢管结构中，而管节点作为钢管结构的重要传力部位，其受力性能备受关注。由于高强钢强度高，化学成分与普通强度钢材差别较大，使得高强钢管节点的受力性能成为亟待研究的问题，尤其是高强钢管节点疲劳性能的研究，成果非常匮乏，是一个比较新的领域。本项目采用Q460C高强钢，以T型管节点为研究对象，主要研究了高强钢管节点的疲劳性能以及基于连续损伤力学理论的管节点疲劳累积损伤过程的有限元分析方法。主要内容为通过对T型管节点的疲劳性能进行试验研究与理论分析，明确其疲劳破坏机理，了解其疲劳裂纹发展特征。并基于损伤力学理论和钢材疲劳损伤试验，建立了符合管节点疲劳损伤过程的损伤演化模型。在此基础上，对有限元软件ABAQUS进行了二次开发，完成了损伤力学-有限元方法对高强钢管节点疲劳累积损伤过程的全耦合模拟分析，为探索高强钢管节点的疲劳设计方法提供了试验储备和分析手段。通过试验研究和分析对比发现，随着主管厚度的增加，应力幅较小时试验疲劳寿命与规范计算寿命差异变得显著，并依据试验结果初步提出了适用于6mm到10mm壁厚的Q460C高强钢T型管节点的疲劳设计S-N曲线。 2100433B