Z2类疲劳细节钢-混凝土组合梁残余承载力试验研究

袁西贵

(成都职业技术学院 城建学院,四川 成都 610218)

0 引言

随着建筑行业中工厂化、工业化装配式技术的推广,叠合板组合梁受到了工程界的青睐,一方面是因其能充分利用钢材和混凝土两种材料的力学特性,且具有抗震性能好、刚度大、稳定性好、施工方便等优点,另一方面它同时具有装配式建筑的优势,比如现场湿作业少,对环境的影响小,施工速度快,造价低,将其用于桥梁结构中,还可不中断交通。在欧美地区和日本等国,因其技术较为成熟,组合梁得到了广泛应用[1-2]。在我国也备受工程界的关注,常用于人行天桥、码头面板、吊车梁等一些承受重复荷载作用的结构构件中[3-7]。但国内对于组合梁的疲劳性能研究尚不充分,针对组合梁的疲劳设计规范往往只能直接参照国外标准和规范编制,然而我国的钢材、施工技术、施工工艺及工法等系列规范又不同于国外,“拿来主义”势必会造成一定的设计与施工不一致,直接导致材料浪费及不安全隐患。

近年来,国内外对组合梁疲劳性能的研究不断增多,但多集中于有限元数值模拟以及组合梁的剪力连接件的疲劳性能试验研究[8-10],对叠合板组合梁的整梁疲劳试验的研究几乎是个空白。主要原因在于叠合板组合梁整梁试验中试件加工工序复杂,试验强度大、费用高、周期长,试验设备及试验过程极不稳定,试验结果离散性大。少有研究人员愿意付出较多精力对其进行试验研究。为进一步推广和应用这种半装配式组合梁,充分发挥它们在山区、丘陵以及大型运输和吊装设备不便到达的地区桥梁建设及西部大开发相关工程中的作用,迫切需要对钢-混凝土叠合板组合梁进行更加深入的试验研究与理论分析。按照钢结构设计标准(GB50017-2017)中有关纯钢梁的疲劳构造细节分类,本文对4根等幅疲劳试验后发生Z2类疲劳构造细节疲劳破坏的叠合板组合梁进行了残余静力承载力试验,以期深入研究叠合板组合梁的特征,全面掌握该类型构件的受力规律,科学合理地运用于设计与施工。

1 试件设计

1.1 材料性能

试验中包括3根完全剪力连接叠合板组合梁(FSCB-2-FSCB-4)及1根不完全剪力连接叠合板组合梁FSCB-5。为了试验对比分析,还设计了1根未经疲劳荷载的梁FSCB-0用于静力试验,及1根现浇板组合梁FSCB-1用于对比分析。所用栓钉型号为16Mn钢经冷拔、锻造而成的Φ16 mm×65 mm圆柱头栓钉,其极限抗拉强度取为fsu=450 MPa;钢筋采用HPB300;组合梁混凝土翼缘板材性试验结果见表1。

表1 混凝材性试验结果Tab.1 Test results of mechanical properties of concrete

钢梁为上下翼缘不对称的焊接Q235H型钢梁;根据国标GB/T 2975-2018相关规定,对钢梁进行了材性试验[11],其翼缘屈服强度、腹板屈服强度及极限强度分别为:ff=286 MPa,fw=350 MPa,fu=450 Mpa。

1.2 试验模型及组件设计

完全剪力连接叠合板组合梁(FSCB-0、FSCB-1-FSCB-4)试件及其栓钉布置如图1。每个剪弯区段栓钉数为21个。

图1 梁FSCB-0、FSCB-1-FSCB-4栓钉布置Fig.1 Arrangements of studs in FSCB-0、FSCB-1 to FSCB-4 beams

不完全剪力连接叠合板组合梁FSCB-5试件及其栓钉布置如图2。每个剪弯区段栓钉数为18个。

图2 梁FSCB-5栓钉布置图Fig.2 Arrangements of studs in FSCB-5 beam

所有叠合板组合梁中栓钉均沿钢梁上翼缘均匀对称单列布置。为防止组合梁发生掀起等次生破坏,纯弯区段也对称布置了4个栓钉。

叠合板组合梁试验模型构造、截面尺寸及配筋详见图3、图4。其中:现浇板厚45 mm,双向配筋均取Φ6@75,梁翼缘总宽900 mm;预制板和现浇板混凝土强度均取C40,预制板截面参数详见图5。预制板在钢梁上支承长为20 mm,板底留10 mm缝宽,槽口上部净宽50 mm;预制板端设“胡子筋”,板内设结合筋穿过交界面,结合筋构造详见图5(b)、(c)。

图3 组合梁试验模型构造示意图Fig.3 The schematic diagram of the test modelof the composite beam

图4 叠合板组合梁配筋详图Fig.4 Detailed drawing of reinforcement of the composite beam with laminated slabs

图5 预制板截面及配筋详图Fig.5 Detailed drawing of section and reinforcement of the prefabricated slabs

1.3 组合梁抗力计算钢板

弹性模量Es=2.06 GPa,钢板与混凝土弹性模量Ec之比αE见表2。组合梁等效弹性钢截面如图6所示,其中:b2=90.0 mm、b3=5.8 mm、b4=200.0 mm、h1=80.0 mm、h2=10.0 mm、h3=220.0 mm、h4=9.9 mm。组合梁b1计算结果见表2[12]。

表2 试验梁的混凝土翼板换算宽度b1取值Tab.2 The converted width of concrete flange slabs of test beams

图6 组合梁等效弹性钢截面Fig.6 Equivalent elastic steel section

基于平截面假定并按不考虑滑移效应和考虑滑移效应两种情况计算得到的组合梁抗力如表3所示。

表3 试验梁抗力计算结果Tab.3 Calculation results of resistance of test beams

2 试验装置和加载方案

采用跨中两点对称加载。试验加载方案见图7。

图7 组合梁加载方案Fig.7 The loading scheme of the composite beam

本次残余静力试验数据由计算机自动采集,数据采集设备包括:力传感器,大量程位移计(量程为200 mm,用于测量跨中位移);应变仪及数据采集设备和软件。

3 叠合板组合梁的试验分析

3.1 主要试验设计参数及疲劳寿命

主要试验设计参数及疲劳寿命见表4。

表4 主要试验设计参数及疲劳寿命Tab.4 Main design parameters and fatigue life

3.2 主要试验现象及原因分析

本次叠合板组合梁疲劳破坏发生后,随即对每一根试验梁进行了残余静力承载力试验。各组合梁在残余静力试验中表现出来的破坏特征与组合梁静力试验中表现出来的破坏特征极其类似。开始加载阶段,组合梁的跨中位移随荷载的增加线性增大,直至屈服荷载,在疲劳裂缝所在的截面高度处的钢梁首先屈服,随着荷载的进一步增加,钢梁截面相继屈服,组合梁的残余静力-位移曲线进入“爬坡”强化平台,疲劳裂缝开始缓慢发展,混凝土翼缘版中中性轴不断上移,混凝土翼缘板底面拉应力逐渐增加,压区应力也相应增大,最终混凝土逐渐压酥,组合梁表现出了很好的延性。但即使在经历了残余试验后,混凝土翼缘板底面仅在纯弯区段预制板交接面槽口处出现了裂缝(即跨中)。但缝宽仍不足0.4 mm,残余试验后混凝土板中裂缝如图8所示。

图8 组合梁FSCB-2静力破坏后混凝土板裂缝示意图Fig.8 Crack diagram of the composite beam FSCB-2 in static test after fatigue failure

从试验结果来看,组合梁开裂时间很晚,或者说组合梁对延缓混凝土开裂非常有利,单从叠合面拉裂的结果看,在一定程度上说明了混凝土叠合板受拉性能仍然弱于现浇混凝土板,但这种区别并不明显。组合梁在正常使用状态下几乎没有开裂的可能。这主要是因为正常使用状态下,组合梁承受的荷载较小,无论是钢梁底面的拉应力还是混凝土翼缘板上表面的压应力都较小,叠合板混凝土用于组合梁时,其弹性中和轴一般在混凝土翼缘板与钢梁交界面附近,混凝土板通常处于受压区,即使部分混凝土翼缘板处于受拉区,其拉应力也相当小,因而叠合面很难拉裂开来。

对比文献[7]中现浇板组合梁FSCB-1的疲劳试验,无论是从整个试验现象还是最终的试验结果来看,两者并没有明显差距。也就是说,翼缘板是否叠合板对组合梁疲劳性能影响不大。同时梁FSCB-1与梁FSCB-2的屈服荷载(无论是否考虑滑移)和极限荷载计算值非常接近(见表3),并且两者均一直承受着不变且相等的荷载幅作用,但后者一直保持了较大的荷载水平,其疲劳寿命和残余承载力试验结果并不低于前者(见表4)。可见,在相同的荷载幅值作用时,荷载水平的高低对组合梁的疲劳寿命几乎没有影响,疲劳寿命更多地受荷载幅值的影响。

3.3 残余承载力分析

组合梁FSCB-2、FSCB-3、FSCB-4、FSCB-5疲劳破坏后残余静力-跨中位移曲线分别如图9-图12所示。

图9 梁FSCB-2残余静力-跨中位移曲线Fig.9 Diagram of residual force and displacement in the middle of span of FSCB-2

图10 梁FSCB-3残余力-跨中位移曲线Fig.10 Diagram of residual force and displacement in the middle of span of FSCB-3

图11 梁FSCB-4残余力-跨中位移曲线Fig.11 Diagram of residual force and displacement in the middle of span of FSCB-4

图12 梁FSCB-5残余力-跨中位移曲线Fig.12 Diagram of residual force and displacement in the middle of span of FSCB-5

本次疲劳试验中出现了两种不同的疲劳破坏形态,其中组合梁FSCB-2、FSCB-3疲劳破坏首先发生在其钢梁受拉翼缘切割边,组合梁FSCB-4、FSCB-5疲劳破坏首先发生在其钢梁腹板和受拉翼缘焊接连接处热影响区。针对两种不同的疲劳破坏形态,它们在残余静力承载力试验中在延性以及残余承载力方面表现出了不相同的力学性质。

对于疲劳破坏首先发生在受拉翼缘切割边时的组合梁(组合梁FSCB-2、FSCB-3)的残余静力-跨中位移曲线与叠合板组合梁FSCB-0(见文献[7])在静力试验中得到的力-跨中位移曲线十分相似(主要差别在于屈服荷载略小,约低5%～12.5%)。在其达到极限承载力之前需要经历很长的时间,疲劳破坏发生后的组合梁表现出了良好的延性,承载力降低也更少,这主要因为这类疲劳破坏形态的发生对截面的削弱较小。对比组合梁FSCB-2、FSCB-3可见:梁FSCB-2疲劳寿命越长(357万次),钢梁受拉边最大疲劳应力幅越低,组合梁内部裂缝发展越充分,因而残余屈服荷载以及残余极限承载力越低,组合梁FSCB-3的残余静力承载力试验表明其残余屈服荷载以及残余极限承载力几乎没有任何影响。

对于疲劳破坏首先发生在组合梁腹板和受拉翼缘焊接连接处热影响区时(组合梁FSCB-4、FSCB-5),组合梁到达残余屈服荷载后不久随即到达其极限承载力,屈服荷载后曲线爬升较短,延性略差,后期承载力降低较快,主要原因在于这类疲劳破坏形态发生后组合梁的截面削弱较明显,疲劳破坏也更突然,相比之下脆性更明显。对比组合梁FSCB-4、FSCB-5可见:梁FSCB-5疲劳寿命越长(164万次),钢梁受拉边最大疲劳应力幅越低,组合梁内部裂缝发展越充分,因而残余屈服荷载以及残余极限承载力越低,组合梁FSCB-4的残余静力承载力试验表明其残余屈服荷载以及残余极限承载力降低较少。

3.4 数据分析

表5为发生Z2类疲劳破坏组合梁静力抗力计算值及残余静力承载力实测值汇总表。

表5 组合梁抗力计算值及残余静力承载力实测值汇总表Tab.5 Summary table of calculated values of resistance and measured value of residual bearing capacity of composite beams

可以看出,完全剪力连接程度叠合板组合梁FSCB-2、FSCB-3、FSCB-4的残余屈服荷载分别相当于承受反复荷载之前的组合梁静力屈服荷载计算值(不计滑移)的85%、95%、95%。不完全剪力连接程度叠合板组合梁FSCB-5的残余屈服承载力相当于承受反复荷载之前的组合梁静力极限承载力计算值的85%(这里偏安全地按照不计交界面相对滑移计算,下同)。

完全剪力连接程度叠合板组合梁FSCB-2、FSCB-3、FSCB-4的残余极限承载力分别相当于承受反复荷载之前的组合梁静力极限承载力计算值的86%、100%、82%。不完全剪力连接程度叠合板组合梁FSCB-5的残余极限承载力分别相当于承受反复荷载之前的组合梁静力极限承载力计算值的75%。

可见,疲劳破坏后,基于Z2类构造细节疲劳破坏的叠合板组合梁其残余静力屈服荷载及残余静力极限承载力仍然很高。主要是因为疲劳破坏发生后,钢梁截面的削弱不多。因此,组合梁的残余抗弯刚度以及截面抗弯模量变化不大,所以组合梁的残余静力极限承载力较高。

此外,FSCB-5的残余静力屈服荷载及残余静力极限承载力比值相对较低,主要是因为梁FSCB-5剪力连接程度较低,疲劳破坏发生后钢梁和混凝土翼缘板交界面存在着明显的相对滑移,残余静力屈服荷载及残余静力极限承载力较大,组合梁的组合作用减弱所致。

4 结论

基于Z2类构造细节疲劳破坏的叠合板组合梁静力屈服荷载及残余静力极限承载力主要取决于疲劳寿命及栓钉的界限剪力连接程度两大因素,基于统计学的精确的计算公式尚需进一步的整梁试验。

基于Z2类构造细节疲劳破坏的叠合板组合梁当其疲劳破坏发生时,在钢梁和混凝土翼缘板交界面不存在明显的相对滑移的情况下,其组合作用依然较强,残余静力屈服荷载及残余静力极限承载力依然很高,其值主要取决于组合梁疲劳寿命,组合梁的疲劳寿命越长,钢梁的应力幅值越小,疲劳破坏前,组合梁内部裂缝开展越充分,残余的静力屈服荷载及残余静力极限承载力降低越多。

基于Z2类构造细节疲劳破坏的叠合板组合梁当其疲劳破坏发生时,在钢梁和混凝土翼缘板交界面存在明显的相对滑移的情况下,组合梁的组合作用将随剪力连接程度的减少而降低,残余静力屈服荷载及残余静力极限承载力都将有较为明显的降低,但依然保持了较高水平(75%)。其取决于组合梁疲劳寿命及剪力连接程度的影响。剪力连接程度越低,残余的静力屈服荷载及残余静力极限承载力降低越多。

基于Z2类构造细节疲劳破坏的叠合板组合梁的试验结果基本不受混凝土翼缘板是否叠合板或现浇板的影响。组合梁仍具有很高的残余静力承载力和很好的延性。实际工程中的组合梁若发生这种破坏形态,单从承载力方面看只需对其进行一些简单的加固即可继续投入使用。但此时组合梁的残余变形往往较大。如需继续使用,尚需在加固前对组合梁进行相应起拱。