疲勞荷載下型鋼混凝土梁剪切破壞機制與設計理論研究結題摘要

目前已建和在建的高鐵車站推廣應用了型鋼混凝土（SRC）梁。隨著重載鐵路的興起，SRC組合結構也已成為橋梁結構的合理選擇，但這種組合結構在反復荷載作用下的疲勞性能缺乏研究和設計規(guī)范的指導。本項目在前期SRC梁受彎作用的正截面疲勞破壞模式的研究基礎上，進一步研究SRC梁受剪作用突出的疲勞性能，最終建立SRC梁的疲勞設計方法。 主要研究內容有：（1）小剪跨比的荷載作用下SRC梁的疲勞試驗，研究外部混凝土、內部H形鋼、鋼筋等各組件的受力性能、疲勞破壞模式、裂紋形成與擴展過程及其監(jiān)測技術、剛度和混凝土開裂寬度變化等特性；（2）應用斷裂力學、損傷力學理論、有限元技術，研究SRC梁疲勞破壞過程的數值分析方法，分析各組件的內在聯系、參數影響效應和疲勞破壞機制；（3）SRC梁疲勞設計方法、基本準則和建議。 重要研究結果與關鍵數據主要有：（1）進行了29根工程尺度的實腹式SRC梁疲勞破壞試驗，重要參數有：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%，混凝土標號 C40、C50和C60。發(fā)現僅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SRC疲勞破壞的標志。表明無論受彎還是彎剪，SRC梁正截面疲勞破壞占主導模式。（2）分別進行了5根單獨的焊接H形鋼梁和15根單獨鋼筋的疲勞破壞試驗，作為SRC梁內部H形鋼和鋼筋疲勞破壞模式和機理的對比。應用Beach marking技術來跟蹤留取H形鋼截面上的疲勞裂紋起源位置與擴展路徑，建立了裂紋擴展速率模型。（3）建立了基于焊接H形鋼的斷裂力學模型、鋼筋和混凝土的損傷力學模型的有限元數值方法，模擬了試驗的SRC梁各組件的疲勞過程和壽命，并分析了各參數對SRC梁疲勞壽命的影響規(guī)律和機制。在相同的應力幅條件下，SRC梁內部的H形鋼比單獨的H形鋼具有更高的疲勞強度，這源于前者疲勞裂紋擴展時有混凝土的約束作用和鋼筋的受力分擔。（4）正截面受彎破壞是SRC梁疲勞性能的關鍵問題，集成了本項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數據，提出了涵蓋各組件疲勞強度驗算在內的SRC梁的疲勞設計方法和建議。 2100433B

本項目研究型鋼混凝土（SRC）梁斜截面抗剪疲勞性能，促進這種新型組合結構在工程上的耐久性應用。主要研究內容涉及：（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、分配和剪切粘結性能，斜截面剪切疲勞破壞模式，裂紋形成與擴展形態(tài)及其監(jiān)測技術，疲勞強度、剛度和混凝土開裂寬度變化等特性；（2）基于損傷力學、斷裂力學原理的SRC梁斜截面剪切疲勞損傷、裂紋擴展和壽命模擬的分析模型及其有限元數值計算方法，SRC梁斜截面剪切疲勞破壞機制，各組件之間的內在聯系，影響SRC梁剪切疲勞的關鍵參數；（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度的實用設計理論及構造要求。本項目重要的學術創(chuàng)新思想是改變以往結構疲勞研究主要依賴試驗、數理統(tǒng)計回歸的方法，在適量試驗基礎上著重發(fā)展結構疲勞數值分析與仿真方法，提升復雜結構疲勞問題的理論與數值分析水平。

任何材料都會發(fā)生疲勞破壞，因此在設計零部件及工程結構等時必須考慮到材料遭受疲勞破壞的時限，以免造成不必要的財產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，屬于反復荷載作用下的脆性破壞。

在荷載反復作用下，結構構件母材和連接缺陷處或應力集中部位形成微細的疲勞裂紋，并逐漸擴展以至最后斷裂的現象。它是一個累積損傷過程。結構細部構造、連接型式、應力循環(huán)次數、最大應力值和應力變化幅度(應力幅)是影響結構疲勞破壞的主要因素。疲勞破壞往往發(fā)生在名義應力小于材料抗拉強度甚至屈服點的情況。根據應力循環(huán)次數的范圍，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方面的特點:

疲勞破壞擾動應力作用

擾動應力是指隨著時間發(fā)生變化的應力，也稱為擾動載荷，載荷可以是力、應變、位移等等。

疲勞載荷的分類如圖1所示。一個載荷譜在一個確定的時間間隔內呈現規(guī)律性的、相等幅頻的重復稱為周期，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節(jié)，尤其是應力應變集中處，盡力減小應力集中的發(fā)生，對提高零部件工作質量，延長構件壽命具有積極意義。

疲勞破壞一個發(fā)展過程

疲勞破壞是一個發(fā)展的過程。單就零部件疲勞破壞形式之一的斷裂來講，由疲勞裂紋產生到疲勞裂紋擴展，直至最后發(fā)生斷裂，這是一個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歷的時間，或者說載荷循環(huán)次數。

疲勞破壞疲勞

材料在循環(huán)應力和應變作用下，在一處或幾處逐漸產生局部永久性累積損傷，經一定循環(huán)次數產生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程。根據循環(huán)荷載的幅值和頻率，疲勞可以分為等幅疲勞、變幅疲勞和隨機疲勞;根據材料破壞前所經歷的循環(huán)次數(即壽命)以及疲勞荷載的應力水平，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

疲勞破壞時所經歷的應力、應變循環(huán)次數。

疲勞破壞疲勞極限

指定基數下的中值疲勞強度，對當循環(huán)基數為其他值時，稱為該循環(huán)基數下的條件疲勞極限，有時簡稱為該循環(huán)基數下的疲勞強度。

疲勞破壞疲勞累積損傷

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

疲勞破壞疲勞破壞準則

疲勞破壞時應力空間或應變空間破壞包絡面的數學表達式?？晒┕こ讨衅谟嬎惴治鰰r使用，但它不解決對疲勞破壞的物理和力學機理的認識。