疲勞荷載下型鋼混凝土梁剪切破壞機(jī)制與設(shè)計(jì)理論研究

目前已建和在建的高鐵車站推廣應(yīng)用了型鋼混凝土（SRC）梁。隨著重載鐵路的興起，SRC組合結(jié)構(gòu)也已成為橋梁結(jié)構(gòu)的合理選擇，但這種組合結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下的疲勞性能缺乏研究和設(shè)計(jì)規(guī)范的指導(dǎo)。本項(xiàng)目在前期SRC梁受彎作用的正截面疲勞破壞模式的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究SRC梁受剪作用突出的疲勞性能，最終建立SRC梁的疲勞設(shè)計(jì)方法。 主要研究內(nèi)容有：（1）小剪跨比的荷載作用下SRC梁的疲勞試驗(yàn)，研究外部混凝土、內(nèi)部H形鋼、鋼筋等各組件的受力性能、疲勞破壞模式、裂紋形成與擴(kuò)展過程及其監(jiān)測技術(shù)、剛度和混凝土開裂寬度變化等特性；（2）應(yīng)用斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)理論、有限元技術(shù)，研究SRC梁疲勞破壞過程的數(shù)值分析方法，分析各組件的內(nèi)在聯(lián)系、參數(shù)影響效應(yīng)和疲勞破壞機(jī)制；（3）SRC梁疲勞設(shè)計(jì)方法、基本準(zhǔn)則和建議。 重要研究結(jié)果與關(guān)鍵數(shù)據(jù)主要有：（1）進(jìn)行了29根工程尺度的實(shí)腹式SRC梁疲勞破壞試驗(yàn)，重要參數(shù)有：小剪跨1.8、1.5、1.1、1.0，焊接H形鋼（Q345B）含鋼率5.01%、5.54%、6.40%和7.49%，縱筋配筋率0.38%和0.42%，混凝土標(biāo)號 C40、C50和C60。發(fā)現(xiàn)僅1根SRC梁發(fā)生了受剪或彎剪區(qū)的斜截面疲勞破壞模式，其余28根SRC梁都發(fā)生了受彎區(qū)的正截面疲勞破壞模式，并且H形鋼受拉翼緣的斷裂是整個(gè)SRC疲勞破壞的標(biāo)志。表明無論受彎還是彎剪，SRC梁正截面疲勞破壞占主導(dǎo)模式。（2）分別進(jìn)行了5根單獨(dú)的焊接H形鋼梁和15根單獨(dú)鋼筋的疲勞破壞試驗(yàn)，作為SRC梁內(nèi)部H形鋼和鋼筋疲勞破壞模式和機(jī)理的對比。應(yīng)用Beach marking技術(shù)來跟蹤留取H形鋼截面上的疲勞裂紋起源位置與擴(kuò)展路徑，建立了裂紋擴(kuò)展速率模型。（3）建立了基于焊接H形鋼的斷裂力學(xué)模型、鋼筋和混凝土的損傷力學(xué)模型的有限元數(shù)值方法，模擬了試驗(yàn)的SRC梁各組件的疲勞過程和壽命，并分析了各參數(shù)對SRC梁疲勞壽命的影響規(guī)律和機(jī)制。在相同的應(yīng)力幅條件下，SRC梁內(nèi)部的H形鋼比單獨(dú)的H形鋼具有更高的疲勞強(qiáng)度，這源于前者疲勞裂紋擴(kuò)展時(shí)有混凝土的約束作用和鋼筋的受力分擔(dān)。（4）正截面受彎破壞是SRC梁疲勞性能的關(guān)鍵問題，集成了本項(xiàng)目和前期所有剪跨比（1.8、1.5、1.1、1.0和2.6）的SRC梁正截面疲勞破壞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了涵蓋各組件疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算在內(nèi)的SRC梁的疲勞設(shè)計(jì)方法和建議。 2100433B

本項(xiàng)目研究型鋼混凝土（SRC）梁斜截面抗剪疲勞性能，促進(jìn)這種新型組合結(jié)構(gòu)在工程上的耐久性應(yīng)用。主要研究內(nèi)容涉及：（1）在高周疲勞荷載作用下SRC梁各組件（混凝土、鋼筋、H型鋼、栓釘剪力件）的剪力傳遞、分配和剪切粘結(jié)性能，斜截面剪切疲勞破壞模式，裂紋形成與擴(kuò)展形態(tài)及其監(jiān)測技術(shù)，疲勞強(qiáng)度、剛度和混凝土開裂寬度變化等特性；（2）基于損傷力學(xué)、斷裂力學(xué)原理的SRC梁斜截面剪切疲勞損傷、裂紋擴(kuò)展和壽命模擬的分析模型及其有限元數(shù)值計(jì)算方法，SRC梁斜截面剪切疲勞破壞機(jī)制，各組件之間的內(nèi)在聯(lián)系，影響SRC梁剪切疲勞的關(guān)鍵參數(shù)；（3）SRC梁斜截面剪切疲勞破壞的極限狀態(tài)，混凝土裂縫寬度控制及和疲勞強(qiáng)度的實(shí)用設(shè)計(jì)理論及構(gòu)造要求。本項(xiàng)目重要的學(xué)術(shù)創(chuàng)新思想是改變以往結(jié)構(gòu)疲勞研究主要依賴試驗(yàn)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)回歸的方法，在適量試驗(yàn)基礎(chǔ)上著重發(fā)展結(jié)構(gòu)疲勞數(shù)值分析與仿真方法，提升復(fù)雜結(jié)構(gòu)疲勞問題的理論與數(shù)值分析水平。

任何材料都會發(fā)生疲勞破壞，因此在設(shè)計(jì)零部件及工程結(jié)構(gòu)等時(shí)必須考慮到材料遭受疲勞破壞的時(shí)限，以免造成不必要的財(cái)產(chǎn)損失和人身傷亡事故。

對于鋼材，在疲勞破壞之前并沒有明顯的變形，是一種突然發(fā)生的斷裂，斷口平直，屬于反復(fù)荷載作用下的脆性破壞。

在荷載反復(fù)作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件母材和連接缺陷處或應(yīng)力集中部位形成微細(xì)的疲勞裂紋，并逐漸擴(kuò)展以至最后斷裂的現(xiàn)象。它是一個(gè)累積損傷過程。結(jié)構(gòu)細(xì)部構(gòu)造、連接型式、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)、最大應(yīng)力值和應(yīng)力變化幅度(應(yīng)力幅)是影響結(jié)構(gòu)疲勞破壞的主要因素。疲勞破壞往往發(fā)生在名義應(yīng)力小于材料抗拉強(qiáng)度甚至屈服點(diǎn)的情況。根據(jù)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的范圍，疲勞破壞分成低周疲勞和高周疲勞二大類。

由疲勞的概念可知，疲勞破壞具有下列幾個(gè)方面的特點(diǎn):

疲勞破壞擾動(dòng)應(yīng)力作用

擾動(dòng)應(yīng)力是指隨著時(shí)間發(fā)生變化的應(yīng)力，也稱為擾動(dòng)載荷，載荷可以是力、應(yīng)變、位移等等。

疲勞載荷的分類如圖1所示。一個(gè)載荷譜在一個(gè)確定的時(shí)間間隔內(nèi)呈現(xiàn)規(guī)律性的、相等幅頻的重復(fù)稱為周期，此類具有周期性交變特征的載荷稱作循環(huán)載荷。

疲勞破壞明顯的局部性

疲勞破壞往往產(chǎn)生于局部，局部性是疲勞失效的重要特征。因此，注意研究零部件的細(xì)節(jié)，尤其是應(yīng)力應(yīng)變集中處，盡力減小應(yīng)力集中的發(fā)生，對提高零部件工作質(zhì)量，延長構(gòu)件壽命具有積極意義。

疲勞破壞一個(gè)發(fā)展過程

疲勞破壞是一個(gè)發(fā)展的過程。單就零部件疲勞破壞形式之一的斷裂來講，由疲勞裂紋產(chǎn)生到疲勞裂紋擴(kuò)展，直至最后發(fā)生斷裂，這是一個(gè)疲勞損傷逐步累積的過程。由此可引出疲勞壽命的概念，疲勞壽命指的是疲累損傷累積過程中零部件所經(jīng)歷的時(shí)間，或者說載荷循環(huán)次數(shù)。

疲勞破壞疲勞

材料在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變作用下，在一處或幾處逐漸產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程。根據(jù)循環(huán)荷載的幅值和頻率，疲勞可以分為等幅疲勞、變幅疲勞和隨機(jī)疲勞;根據(jù)材料破壞前所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)(即壽命)以及疲勞荷載的應(yīng)力水平，疲勞又可以分為高周疲勞、低周疲勞和亞臨界疲勞。

疲勞破壞疲勞壽命

疲勞破壞時(shí)所經(jīng)歷的應(yīng)力、應(yīng)變循環(huán)次數(shù)。

疲勞破壞疲勞極限

指定基數(shù)下的中值疲勞強(qiáng)度，對當(dāng)循環(huán)基數(shù)為其他值時(shí)，稱為該循環(huán)基數(shù)下的條件疲勞極限，有時(shí)簡稱為該循環(huán)基數(shù)下的疲勞強(qiáng)度。

疲勞破壞疲勞累積損傷

譜荷載下疲勞損傷的積累。線性損傷時(shí)常用循環(huán)比的和表示，即D= ΣCi，其中Ci為第i級應(yīng)力水平下的循環(huán)比。

疲勞破壞疲勞破壞準(zhǔn)則

疲勞破壞時(shí)應(yīng)力空間或應(yīng)變空間破壞包絡(luò)面的數(shù)學(xué)表達(dá)式。可供工程中疲勞計(jì)算分析時(shí)使用，但它不解決對疲勞破壞的物理和力學(xué)機(jī)理的認(rèn)識。