【《装配式组合梁疲劳性能分析案例》6000字】

IV装配式组合梁疲劳性能分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u19932装配式组合梁疲劳性能分析案例 117391.1试验目的与意义 1300061.2加载方案 165911.2.1疲劳荷载幅值确定 1272601.2.2试验加载方法 3215471.2.3测点布置与测试内容 4324151.3疲劳加载试验结果与分析 559351.3.1疲劳破环现象及特征 5231421.3.2疲劳加载试验结果 8试验目的与意义试验进行4片试验梁的疲劳试验，疲劳加载次数分别为100万次、150万次、200万次和250万次，并在一定疲劳次数后暂停疲劳荷载，进行逐级静力加载，测试组合梁应变以及变形等指标，疲劳试验完全结束后再对这4片试验梁进行静力破坏试验，测定疲劳后各项性能指标的变化。最终确定试验梁疲劳破坏特征，研究试验梁抗弯承载力、结合面的滑移量、掀起、跨中截面应变等力学特性随疲劳荷载加载次数变化的规律。加载方案疲劳荷载幅值确定（1）由钢梁下缘应力细节推算疲劳幅值在公路桥梁中，组合梁受力大多数情况下处于线弹性阶段，可以近似假定钢梁与混凝土板完全结合，无相对滑移。因而，在竖向荷载作用下，钢梁与混凝土板的应力可在经过截面换算后，按材料力学基本公式计算确定，再将应力与荷载进行变化，即可得到疲劳细节类别与疲劳幅值的关系公式：——钢梁疲劳应力细节（MPa），对应于2.0×106次常幅疲劳循环的疲劳应力强度；根据JTGD64-2015取125MPa；——组合梁计算跨径，取2m；——换算截面惯性矩，取28×10-6m4；——钢梁下缘点到换算截面中性轴的距离，取0.121m；——由钢梁下缘应力推算的疲劳幅值。疲劳幅值为试验梁的疲劳荷载上限为，试验梁的疲劳荷载下限为。故由钢梁下缘应力细节推算疲劳幅值时，取Pmax=130kN，Pmin=58kN，=72kN。（2）由螺栓疲劳应力细节推算疲劳幅值循环荷载作用下组合梁交界面处单位长度剪力流可按下式计算：——组合梁跨中竖向荷载；I0——组合梁换算截面惯性矩。则单个螺栓的疲劳强度：，——螺栓疲劳应力细节（MPa），根据JTGD64-2015取90MPa；——螺栓纵向布置间距，取0.14m；S0——混凝土板对组合梁截面中心轴的面积矩，取ni——螺栓纵向布置列数，取2；——由螺栓疲劳应力细节推算的疲劳幅值。螺栓的疲劳强度为；疲劳幅值为试验梁的疲劳荷载上限为，试验梁的疲劳荷载下限为。故由螺栓疲劳应力细节推算疲劳幅值时，取Pmax=130kN，Pmin=30kN，=100kN。综上所述，由钢梁下缘应力细节与螺栓疲劳应力细节而推算的疲劳幅值如表4-1所示：表4-1疲劳幅值取值60%Pu和35%Pu（kN）钢梁下缘细节（kN）螺栓疲劳细节（kN）Pmax157130130Pmin7672100815830试验加载方法疲劳试验的基本布置方式和静载试验相同，疲劳加载程序如图4-1所示。图4-1疲劳试验加载程序在疲劳试验开始之前，先进行预静载试验。试验梁的荷载上限Pmax与荷载下限Pmin取前部分计算中所得数值，将估计荷载上限的10%~15%作为预加荷载，观察所布置的仪表是否正常工作，然后卸载至零。之后进行静载试验。按照荷载上限Pmax的20%为一级进行荷载分级加载，加载时分为5级，直至加到最大荷载，在经过荷载下限Pmin时增加一级；卸载时也分为5级卸载到零，经过荷载下限时增加一级。然后进行疲劳试验。根据试验要求在加载0万、1万、5万、10万、25万、50万、75万、100万、125万、150万、175万、200万次、210万次、225万次、240万次、250万次时分别采集数据，根据试验时的具体情况，略微调整、增加数据采集次数。疲劳过程中，若发生疲劳破坏，记录疲劳破坏的荷载循环次数、疲劳破坏特征。最后对疲劳加载后的试验梁进行静力加载破坏，加载过程见3.2.2静力试验加载过程，通过疲劳后的静力破坏，获取试验梁剩余承载力、残余挠度等重要力学性能。测点布置与测试内容疲劳试验主要测试内容包括承载力、跨中挠度、界面滑移量、跨中截面应变。测试仪器采用PWS-250结构疲劳试验系统，见图4-2。其他测试仪器及其测试布置方法见3.2.3章节。图4-2PWS-250结构疲劳试验系统跨中挠度测点布置如图4-3：图4-3疲劳试验跨中挠度测点布置图滑移量测点布置如图4-4：图4-4疲劳试验滑移量测点布置图掀起测点布置如图4-5：图4-5疲劳试验掀起测点布置图应变测点布置如图4-6：图4-6疲劳试验应变测点布置图疲劳加载试验结果与分析疲劳破环现象及特征对四根试验梁进行一定次数的疲劳加载后，再对其分别进行静力加载直至破坏，试验梁疲劳后静载破坏图如图4-7。试验梁的疲劳次数分别为：FSBT-1进行100万次加载，FSBT-2进行150万次加载，FSBT-3进行200万次加载，FSBT-4进行250万次加载。从图4-7组合梁疲劳后静载破坏图可以看出，随着疲劳次数的增加，组合梁静载破坏挠度变小，说明疲劳加载对组合梁延性有所影响，疲劳次数增加，组合梁延性降低。当试验梁刚开始进行预加载时，与静载试验相同，组合梁出现微小声音。当疲劳荷载刚开始时，作用1万次左右，混凝土板出现大量细小的竖向裂缝，这些裂缝有的沿混凝土截面贯穿，有的仅发生至混凝土截面中部，依据图4-7中混凝土板上标记的裂缝，绘制疲劳过程中混凝土板上产生的裂缝，得到图4-8。在疲劳次数继续增加后，这些裂缝没有继续发展，一直保持初始状态，直至疲劳加载次数达到预定值，而且这些细小竖向裂缝，大多集中组合梁跨中至1/4跨范围内，见图4-8。这些细小裂缝的产生原因，是新旧混凝土在反复荷载作用下应力不均导致的。由于预制混凝土板采用C50混凝土制作，而孔槽中现浇混凝土采用了C80水泥砂浆，两者强度、弹性模量等力学性能有所差异，在刚接受疲劳作用时，现浇混凝土与预制混凝土板所产生的应力应变并不相同，两者之间产生了新旧混凝土间的作用力，而预制混凝土板的强度又小于现浇混凝土，反映在混凝土板上导致产生一些微小裂缝，而这些裂缝的产生又会给予新旧混凝土间作用力一定的释放作用，且这些微小裂缝并不会影响组合梁的力学性能和正常使用，当由于新旧混凝土所产生的那部分力被裂缝释放完全后，组合梁又继续正常工作，所以当继续增加疲劳次数时，原位置没有再出现新的裂缝或旧裂缝继续发展。（a）SBT-1（b）FSBT-1（c）FSBT-2（d）FSBT-3（e）FSBT-4图4-7组合梁疲劳后静载破坏图图4-8混凝土板裂缝图在本次疲劳试验中，当组合梁疲劳次数达到250万次时，混凝土与钢梁界面没有发生明显相对位移，主要原因是连接件性能较好，螺栓在疲劳加载过程中损伤较小，组合梁整体性没有在疲劳加载作用下削弱。但在250万次的疲劳次数下，钢梁达到疲劳寿命而开裂，开裂位置是钢梁下翼缘板、钢梁腹板、加劲肋的三者交界处，这个位置是应力集中部位，最容易发生疲劳破坏，见图4-8。表4-2列出包含静载、疲劳试验在内的五根试验梁的参数、极限承载力及最终破坏模式。表4-2试验梁试验结果试验梁编号疲劳参数剩余承载力（kN）直接静力破坏完全疲劳破坏疲劳后静破坏Pmax(kN)Pmin(kN)加载次数（万次）SBT-1176混凝土压碎FSBT-110040100173混凝土压碎FSBT-210545150169混凝土压碎FSBT-310545200162混凝土压碎FSBT-410545250134钢梁断裂在本次疲劳试验中，对装配式钢-混凝土组合梁进行了最高250万次的疲劳试验，发生了完全疲劳破坏的现象，具体表现为跨中钢梁下翼缘板开裂。组合梁的剩余承载力受疲劳加载次数的影响，在完全疲劳破坏之前，加载次数越多，剩余承载力越小。装配式钢-混凝土组合梁疲劳荷载作用下的最终破坏模式与静力荷载破坏不完全相同，在疲劳次数较少时，同静载试验相同，在疲劳后静力作用下首先表现为钢梁屈服，最终破坏形式仍是以上部混凝土板被压碎而结束，当疲劳加载次数较多时，如FSBT-4的250万次加载次数，其在疲劳加载时，就已经产生了钢梁跨中下缘板开裂的现象，如图4-9，在疲劳后静力作用下，最终破坏形式为钢梁下缘板断裂、上部混凝土压碎的综合现象，如图4-10。图4-9钢梁开裂图图4-10钢梁断裂混凝土压碎图疲劳加载试验结果荷载-挠度曲线荷载-挠度曲线是反映装配式钢-混凝土组合梁整体工作性能的重要力学指标，它可以间接反映组合梁的刚度、延性、承载力等特征变化。图4-11是疲劳试验中不同加载次数的4根试验梁（FSBT-1、FSBT-2、FSBT-3、FSBT-4）及静力加载中的试验梁（SBT-1），FSBT-1、FSBT-2、FSBT-3、FSBT-4的加载次数分别为100万次、150万次、200万次、250万次。由图可知，疲劳加载次数的变化对试验梁荷载-挠度曲线变化有很大影响，随着疲劳加载次数增加，组合梁延性降低，极限挠度有所下降。100万次试验梁极限挠度为0万次试验梁的73%；150万次试验梁极限挠度为0万次试验梁的68%；200万次试验梁极限挠度为0万次试验梁的57%；250万次试验梁极限挠度为0万次试验梁的34%。其中FSBT-4极限挠度下降程度最大，是因为FSBT-4疲劳加载过程中发生了钢梁开裂现象，其疲劳后的极限承载力远达不到预期值，挠度大大降低。图4-11疲劳加载荷载-挠度曲线图从上图还可以看出，随着疲劳次数的增加，荷载-挠度曲线右移，说明经过疲劳作用，组合梁的残余挠度随着疲劳加载次数的增加而增加，为进一步说明残余挠度随着加载次数变化的规律，下面进行残余挠度的讨论。残余挠度在本次疲劳试验中，每经历一定次数的疲劳加载，进行一次停机静力加载测试，来记录试验梁在疲劳加载下各项性能指标的变化。其中残余挠度反映了试验梁的损伤发展情况，对预估试验梁疲劳破坏具有重要意义。图4-12给出了本次疲劳试验中，四根试验梁的残余挠度随着加载次数增加而变化情况。由图像可知，装配式钢-混凝土组合梁的残余挠度变化规律大致可以分为三个阶段：1）第一阶段，在疲劳加载初期，残余挠度迅速增加，在疲劳数万次时残余挠度已经达到6~8mm，这是由于在加载初期组合梁上部混凝土板与钢梁螺栓接触不够密实，同时在疲劳试验前期混凝土板存在弹性压缩，故此时残余挠度增加速度很快。2）第二阶段，在疲劳加载中期，残余挠度变化不明显，较为稳定，并且这一时期持续时间较长，加载次数已经接近150万次。3）第三阶段，在疲劳加载后期，加载次数到150万次，残余挠度增长率再次提高，最大残余挠度达到13mm。图4-12疲劳加载下跨中残余挠度增长曲线图荷载-滑移曲线装配式钢-混凝土组合梁的界面相对滑移量直接影响到上缘混凝土板与下缘钢梁能否很好地协同工作。是组合梁中十分重要的性能指标，下面图4-13给出了4根试验梁三个测点的荷载-滑移量曲线，（a）（b）（c）（d）分别为FSBT-1、FSBT-2、FSBT-3、FSBT-4的荷载-滑移量曲线图，其中测点布置见图4-3。由图4-9可以看出，经过疲劳加载后的荷载-滑移曲线与静力试验中的曲线规律基本相同，在荷载达到30kN左右开始发生滑移，三个测点的曲线首先都呈线性增长，在达到120kN左右屈服，滑移量迅速增加，在接近极限荷载时达到最大。4根试验梁的滑移量最大值都发生在测点3，最小值都发生在测点1，故与静力试验结论相同：在同一根试验梁达到极限荷载时，越靠近端点处，滑移量越大，越靠近跨中位置，滑移量越小。（a）FSBT-1（b）FSBT-2（c）FSBT-3（d）FSBT-4图4-13疲劳加载荷载-滑移量曲线图为方便观察沿梁长分布的测点滑移量数据，下面绘制疲劳加载过后，对四根试验梁进行静力破坏，在弹性阶段内，4根试验梁距跨中距离不同的三个测点的滑移—位置曲线图，如图4-14所示。不难发现在疲劳后静载弹性阶段，各根试验梁中，沿梁长分布的测点滑移量随荷载增加，其最大值始终在测点3，最小值始终在测点1。故得出结论，同一个试验梁在弹性阶段内某一荷载下，越靠近端点处，滑移量越大，越靠近跨中位置，滑移量越小。（a）FSBT-1（b）FSBT-2（c）FSBT-3（d）FSBT-4图4-14弹性阶段滑移量分布图为了方便对比试验梁，总结疲劳加载次数变化对荷载-滑移量的影响，对4根试验梁端点处滑移量进行对比，见图4-15。从图中FSBT-1、FSBT-2、FSBT-3曲线可以看出，疲劳次数对梁端滑移量有一定的影响，随着疲劳加载次数的增加，最终滑移量逐渐变小。在上一章已经介绍，直接静力加载下的端点处最大滑移量为2mm，故在100万次疲劳加载后，最大滑移量为静力加载下最大滑移量的75%；150万次疲劳加载后，最大滑移量为静力加载下最大滑移量的65%；200万次疲劳加载后，最大滑移量为静力加载下最大滑移量的60%；而250万次加载下，最大滑移量仅为静力加载下最大滑移量的35%。图4-15疲劳加载端点处荷载-滑移量曲线汇总图残余滑移为探究循环加载对残余滑移的影响，下面给出疲劳加载下梁端残余滑移量，见图4-16。由图可知，残余滑移可以分为三个阶段。1）第一阶段，在疲劳加载初期，次数仅有数万次时，残余滑移迅速增加，这一阶段组合梁各构件不够密实，变化较大。2）第二阶段，在经历一定次数反复荷载作用，组合梁各构件变得密实稳定后，残余滑移量趋于平稳浮动，这一阶段变化并不明显，各试验梁残余滑移量围绕各自数值上下浮动，且这一阶段持续时间很长。3）在第三阶段，疲劳次数达到一定次数，残余滑移量再次呈上升趋势，但增长率远达不到第一阶段的速度，呈平稳增长趋势，这一阶段时间并不久，试验梁即将达到疲劳寿命。图4-16疲劳加载下梁端残余滑移量图掀起效应对于装配式钢-混凝土组合梁，实际使用中不仅要求其钢-混凝土界面有良好的抗滑性能，还要求其有良好的抗拔性，进而保证组合梁具有良好的整体性，钢梁、混凝土可以协同工作。由试验得出不同加载次数下的试验梁梁端掀起值，见表4-3。可以看出，随着加载次数的增加，试验梁梁端掀起值逐渐增加，但其极限值仍然小于1mm，说明装配式钢-混凝土组合梁具有良好的整体性，即使在200万次疲劳加载下，其整体性仍然有很好的保障。表4-3不同疲劳次数下的试验梁掀起量加载次数（万次）FSBT-1（mm）FSBT-2（mm）FSBT-3（mm）FSBT-4（mm）00000250.100.060.040.07500.120.200.440.131000.210.210.670.511500.370.870.822000.910.882500.97荷载-应变对装配式钢-混凝土组合梁跨中截面进行应变测试，在组合梁跨中位置的混凝土板与钢梁腹板上各选取上、中、下三个测试点。在疲劳加载次数达到要求后，进行静力破坏，得到数据图4-17荷载-应变图，可以发现装配式组合梁整体性良好，荷载-应变曲线基本沿0点处Y轴对称，同时混凝土板与钢梁上、中、下的荷载-应变曲线走向基本相同，在荷载达到120kN以前，最大拉应变与最大压应变呈线性增加，之后屈服，应变迅速变大。（a）FSBT-1（b）FSBT-2（c）FSBT-3（d）FSBT-4图