型鋼混凝土梁疲勞性能與損傷機(jī)理及設(shè)計(jì)理論研究

本課題的主要研究內(nèi)容和關(guān)鍵科學(xué)問題是：（1）H型鋼-鋼筋混凝(SRC)梁循環(huán)受彎過程的疲勞性能與機(jī)理，SRC梁中H型鋼、鋼筋、混凝土、栓釘剪力件等各組件的相互聯(lián)系，與型鋼梁、鋼筋混凝土梁等其它梁疲勞性能上的異同性；（2）SRC梁各組件的疲勞裂紋形成、擴(kuò)展規(guī)律與機(jī)制，疲勞裂紋擴(kuò)展模型的數(shù)值計(jì)算方法；（3）SRC梁疲勞強(qiáng)度的計(jì)算理論與準(zhǔn)則，SRC梁疲勞受損后的修復(fù)、碳纖維加固方法和性能。 研究工作得到如下結(jié)論： （1）在循環(huán)荷載作用下，發(fā)生疲勞破壞之前SRC梁各組件能很好地共同工作，撓度能滿足使用要求，混凝土裂紋寬度都在0.2mm以內(nèi)。 （2）SRC梁疲勞破壞過程是：H型鋼在受拉下翼緣首先出現(xiàn)裂紋，然后裂紋沿翼緣寬度和腹板高度擴(kuò)展，之后受拉鋼筋疲勞斷裂，受壓混凝土壓酥剝落，至此SRC梁?jiǎn)适С休d力。SRC梁疲勞破壞過程具有H型鋼梁與鋼筋混凝土梁兩者疲勞破壞合成的特點(diǎn)。 （3）H型鋼受拉翼緣出現(xiàn)疲勞裂紋的位置有3種情況，按照疲勞強(qiáng)度從低到高的順序是：（a）裂紋出現(xiàn)在栓釘?shù)暮钢?，（b）出現(xiàn)在翼緣與腹板的角焊縫的趾部，（c）出現(xiàn)在鋼材加工缺陷處。H型鋼受拉翼緣斷裂是SRC梁疲勞破壞的標(biāo)志。 （4）在低配筋率情況下含鋼率高的SRC梁疲勞強(qiáng)度要高于含鋼率低的SRC梁，但在高配筋率情況下含鋼率對(duì)疲勞性能的影響效應(yīng)不顯著。在低含鋼率情況下高配筋率的SRC梁疲勞強(qiáng)度略微高于低配筋率的SRC梁，但在高含鋼率的情況下配筋率沒對(duì)SRC梁的疲勞壽命產(chǎn)生顯著影響。 （5）SRC梁的疲勞強(qiáng)度高于具有相同構(gòu)造細(xì)節(jié)的純鋼梁的疲勞強(qiáng)度。H型鋼受拉翼緣設(shè)置栓釘會(huì)降低SRC梁的疲勞強(qiáng)度，應(yīng)避免。采用K型熔透焊接或者軋制的H型鋼，有助于提高SRC梁疲勞強(qiáng)度。 （6）應(yīng)用Beach Marking檢測(cè)方法清晰地觀測(cè)到了H型鋼疲勞裂紋的形成與擴(kuò)展路徑，并獲得了裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅?K的關(guān)系式。 （7）建立了基于斷裂力學(xué)原理的SRC梁疲勞壽命有限元數(shù)值模型，分析表明疲勞壽命大多數(shù)花費(fèi)在小裂紋的擴(kuò)展階段，當(dāng)裂紋深度達(dá)到H型鋼板厚的50%之時(shí)，已消耗了總疲勞壽命的90%，受拉鋼筋在H鋼梁受拉翼緣裂紋貫穿板厚前已疲勞斷裂，這些特性與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。 （8）提出了按照SRC梁內(nèi)H型鋼受拉翼緣應(yīng)力幅值、應(yīng)用試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)回歸的S-N曲線來驗(yàn)算SRC梁疲勞強(qiáng)度的理論和方法；提出了疲勞損傷后的SRC梁修復(fù)及碳纖維加固方法。 2100433B

研究型鋼混凝土（SRC）梁高周疲勞性能與損傷機(jī)理及設(shè)計(jì)理論既是這種新型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)更廣闊應(yīng)用場(chǎng)合和條件下的耐久性需要，也是結(jié)構(gòu)工程學(xué)科基礎(chǔ)理論發(fā)展的要求。研究內(nèi)容和關(guān)鍵的科學(xué)問題是：（1）SRC梁高周疲勞全過程的性能與機(jī)理，SRC梁中型鋼、鋼筋、混凝土、栓釘剪力件等各組成部分的相互聯(lián)系與效應(yīng)，與型鋼梁、鋼筋混凝土梁等其它梁疲勞性能上的異、同性；（2）SRC梁各組成部分的疲勞裂紋形成、擴(kuò)展規(guī)律與機(jī)制，疲勞裂紋擴(kuò)展模型的數(shù)值化計(jì)算理論與方法；（3）SRC梁疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論與準(zhǔn)則。本項(xiàng)目改變以往結(jié)構(gòu)疲勞完全依賴試驗(yàn)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)回歸的研究方法，遵循輔助適量試驗(yàn)、強(qiáng)化分析預(yù)測(cè)的學(xué)術(shù)思想，特別強(qiáng)調(diào)應(yīng)用斷裂力學(xué)原理與數(shù)值模型的分析方法去揭示SRC梁疲勞性能的機(jī)理和參數(shù)效應(yīng)，獲得循環(huán)應(yīng)力、疲勞裂紋尺度、壽命三者之間的內(nèi)在關(guān)系，發(fā)展鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)疲勞學(xué)科的理論分析水平。

項(xiàng)目以疲勞作用下鋼管混凝土桁梁的疲勞性能和損傷失效機(jī)理為研究對(duì)象，進(jìn)行了鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的疲勞性能、鋼管混凝土桁梁的疲勞性能以及鋼管混凝土桁梁的疲勞損傷失效機(jī)理的研究。 研究結(jié)果表明，鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力一般出現(xiàn)在冠點(diǎn)處，鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)約為2.34~5.2。與空鋼管節(jié)點(diǎn)相比，填充混凝土后，相貫節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中程度得到緩解，應(yīng)力集中程度的緩解使得鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度或疲勞壽命得到提高。在相同的疲勞壽命下，填充混凝土使得鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度得到提高，或者說，在相同的疲勞強(qiáng)度下，填充混凝土使得鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命得到提高。 目前，我國的《鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64-2015）沒有關(guān)于鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)疲勞細(xì)節(jié)的規(guī)定，《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG-T D65-06-2015）也只給出了節(jié)點(diǎn)疲勞設(shè)計(jì)的容許應(yīng)力幅，本項(xiàng)目的研究成果是對(duì)兩本規(guī)范有益的補(bǔ)充，也將對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)橋梁的應(yīng)用起到一定的推動(dòng)作用。 2100433B

鋼管混凝土桁梁具有優(yōu)越的力學(xué)性能和施工上的方便，在橋梁工程中具有廣闊的應(yīng)用前景，但目前這種結(jié)構(gòu)在疲勞方面的研究還比較少，現(xiàn)有的研究多集中在節(jié)點(diǎn)的疲勞性能方面，缺少整體疲勞性能的研究；疲勞荷載作用下鋼管混凝土桁梁的局部和整體結(jié)構(gòu)損傷失效模式和疲勞損傷累積發(fā)展規(guī)律方面的研究還有待于展開。.本項(xiàng)目以疲勞作用下鋼管混凝土桁梁的疲勞性能和損傷失效機(jī)理為研究對(duì)象，通過對(duì)鋼管混凝土桁架組合梁的疲勞損傷失效和力學(xué)模型研究、結(jié)構(gòu)整體的數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究，分析疲勞作用下的鋼管混凝土桁梁的疲勞性能、探討局部失效和整體失效之間的關(guān)系，建立鋼管混凝土桁梁的失效模式和損傷分析模型，探索鋼管混凝土桁梁的疲勞損傷力學(xué)特性，損傷演變規(guī)律和失效機(jī)理，項(xiàng)目的研究可為鋼管混凝土桁梁疲勞設(shè)計(jì)理論的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。

目前，高強(qiáng)度鋼材越來越多地運(yùn)用在鋼管結(jié)構(gòu)中，而管節(jié)點(diǎn)作為鋼管結(jié)構(gòu)的重要傳力部位，其受力性能備受關(guān)注。由于高強(qiáng)鋼強(qiáng)度高，化學(xué)成分與普通強(qiáng)度鋼材差別較大，使得高強(qiáng)鋼管節(jié)點(diǎn)的受力性能成為亟待研究的問題，尤其是高強(qiáng)鋼管節(jié)點(diǎn)疲勞性能的研究，成果非常匱乏，是一個(gè)比較新的領(lǐng)域。本項(xiàng)目采用Q460C高強(qiáng)鋼，以T型管節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，主要研究了高強(qiáng)鋼管節(jié)點(diǎn)的疲勞性能以及基于連續(xù)損傷力學(xué)理論的管節(jié)點(diǎn)疲勞累積損傷過程的有限元分析方法。主要內(nèi)容為通過對(duì)T型管節(jié)點(diǎn)的疲勞性能進(jìn)行試驗(yàn)研究與理論分析，明確其疲勞破壞機(jī)理，了解其疲勞裂紋發(fā)展特征。并基于損傷力學(xué)理論和鋼材疲勞損傷試驗(yàn)，建立了符合管節(jié)點(diǎn)疲勞損傷過程的損傷演化模型。在此基礎(chǔ)上，對(duì)有限元軟件ABAQUS進(jìn)行了二次開發(fā)，完成了損傷力學(xué)-有限元方法對(duì)高強(qiáng)鋼管節(jié)點(diǎn)疲勞累積損傷過程的全耦合模擬分析，為探索高強(qiáng)鋼管節(jié)點(diǎn)的疲勞設(shè)計(jì)方法提供了試驗(yàn)儲(chǔ)備和分析手段。通過試驗(yàn)研究和分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著主管厚度的增加，應(yīng)力幅較小時(shí)試驗(yàn)疲勞壽命與規(guī)范計(jì)算壽命差異變得顯著，并依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果初步提出了適用于6mm到10mm壁厚的Q460C高強(qiáng)鋼T型管節(jié)點(diǎn)的疲勞設(shè)計(jì)S-N曲線。 2100433B