型鋼混凝土梁疲勞性能與損傷機理及設(shè)計理論研究結(jié)題摘要

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、擴展規(guī)律與機制，疲勞裂紋擴展模型的數(shù)值計算方法；（3）SRC梁疲勞強度的計算理論與準(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展，之后受拉鋼筋疲勞斷裂，受壓混凝土壓酥剝落，至此SRC梁喪失承載力。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。 （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梁疲勞強度要高于含鋼率低的SRC梁，但在高配筋率情況下含鋼率對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SRC梁的疲勞壽命產(chǎn)生顯著影響。 （5）SRC梁的疲勞強度高于具有相同構(gòu)造細(xì)節(jié)的純鋼梁的疲勞強度。H型鋼受拉翼緣設(shè)置栓釘會降低SRC梁的疲勞強度，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梁疲勞強度。 （6）應(yīng)用Beach Marking檢測方法清晰地觀測到了H型鋼疲勞裂紋的形成與擴展路徑，并獲得了裂紋擴展速率與應(yīng)力強度因子幅?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)花費在小裂紋的擴展階段，當(dāng)裂紋深度達(dá)到H型鋼板厚的50%之時，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)用試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計回歸的S-N曲線來驗算SRC梁疲勞強度的理論和方法；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理及設(shè)計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、擴展規(guī)律與機制，疲勞裂紋擴展模型的數(shù)值化計算理論與方法；（3）SRC梁疲勞強度設(shè)計理論與準(zhǔn)則。本項目改變以往結(jié)構(gòu)疲勞完全依賴試驗、數(shù)理統(tǒng)計回歸的研究方法，遵循輔助適量試驗、強化分析預(yù)測的學(xué)術(shù)思想，特別強調(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理為研究對象，進(jìn)行了鋼管混凝土節(jié)點的疲勞性能、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理的研究。 研究結(jié)果表明，鋼管混凝土節(jié)點的熱點應(yīng)力一般出現(xiàn)在冠點處，鋼管混凝土節(jié)點的應(yīng)力集中系數(shù)約為2.34~5.2。與空鋼管節(jié)點相比，填充混凝土后，相貫節(jié)點的應(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)點的疲勞強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)點的疲勞強度得到提高，或者說，在相同的疲勞強度下，填充混凝土使得鋼管混凝土節(jié)點的疲勞壽命得到提高。 目前，我國的《鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64-2015）沒有關(guān)于鋼管混凝土節(jié)點疲勞細(xì)節(jié)的規(guī)定，《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計規(guī)范》（JTG-T D65-06-2015）也只給出了節(jié)點疲勞設(shè)計的容許應(yīng)力幅，本項目的研究成果是對兩本規(guī)范有益的補充，也將對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)橋梁的應(yīng)用起到一定的推動作用。 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理為研究對象，通過對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)律和失效機理，項目的研究可為鋼管混凝土桁梁疲勞設(shè)計理論的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。

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