钢-混凝土组合结构发展趋势探析
The Development Trend of the Steel-concrete Composite Structure
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钢-混凝土组合梁疲劳性能分析
（武汉理工大学土木工程与建筑学院）
摘要：钢－混凝土组合结构在国内外工程中应用越来越广泛，在钢-混凝土组合梁桥的长期使用中，结构在车辆等反复荷载作用下的疲劳问题日益突显，因此合理地进行组合梁的疲劳设计，以保证桥梁结构不发生破坏显得尤为重要。钢－混凝土组合结构的受力特点决定剪力连接件的疲劳问题是决定组合结构疲劳寿命的最主要因素。本文从这方面简单介绍了一下，组合结构的疲劳问题研究现状和疲劳寿命的评估理论及计算方法。
关键词：钢-混凝土组合结构；疲劳；剪力连接件
Analysis on Fatigue Properties in the Steel-concrete Composite Structure
(The School of Civil Engineering and Architecture of Wuhan University of Technology)
Abstract : The steel-concrete composite structure is more and more widely used at home and abroad. In the long term use of steel-concrete composite structure, the fatigue problem under cyclic loading is becoming obviously. So it is particularly important to determine the fatigue design of composite beams reasonably to guarantee the bridge structure to be safe. The mechanical characteristics of the concrete structure determine the shear connectors is the most important factor in determining fatigue life of composite structures. In this paper, a brief introduction about this aspect, research theory and calculation methods to assess the status of fatigue and fatigue life of composite structures.
Key words: Steel-Concrete Composite Structure; fatigue; shear connectors
1. 前言
钢-混凝土组合结构桥梁是目前桥梁工程的一个重要分支，无论是解决城市交通发展的各种中小跨径桥梁，还是跨越宽广海峡的大跨径桥梁，都可以看到组合结构桥梁的身影。由于组合结构能够充分发挥不同材料的各自优点，组合结构技术成为了当前桥梁新型体系的重要发展方向之一。钢—混凝土组合结构将钢和混凝土两种不同性质材料合理组合，能够充分发挥两种材料的优势，协同工作。多年来，组合结构[1]的研究与应用得到迅速发展，已成为一种公认的新的结构体系。并且被广泛的应用在高层超高层建筑、重工业建筑、桥梁结构、大跨度和高耸结构中，从而与传统的四大结构(钢结构、木结构、砌体结构和钢筋混凝土结构) 并列，扩展成为第五大结构。具有承载能力高、延性好、抗震性能优良等特性的钢—混凝土组合结构在地震区的高层建筑中也得到了广泛应用[2]。
组合结构在反复交变荷载作用下，先在其缺陷处生成一些极小的裂痕，此后这种微观裂痕逐渐发展成宏观裂纹，试件截面削弱，而在裂纹根部出现应力集中现象，使材料处于三向拉伸应力状态，塑性变形受到，当反复荷载达到一定的循环次数时，材料终于破坏，并表现为突然的脆性断裂，即发生疲劳破坏。由于运营车辆总重加大（特别是超载），交通量增加，以及桥梁设计寿命的增加，都增大了桥梁疲劳破坏的概率，桥梁结构的疲劳问题正变的日趋严重。
组合梁的疲劳问题在组合梁应用的初期并没有引起足够的重视，在设计中往往只考虑静力计算而忽略了疲劳荷载的影响。一方面是由于采用的设计值偏于安全，另一方面是由于组合梁尚处于疲劳加载的初期阶段，远未达到疲劳寿命，因此疲劳荷载对结构造成的影响不是很明显。但是随着组合梁应用的不断发展，疲劳问题日益突出，对其的研究也越来越完善。
2. 钢—混凝土组合梁的特点
钢—混凝土组合梁是将钢筋混凝土板放置于钢梁的上部，通过剪切连接件连接，使混凝土板作为梁的翼缘与钢梁组合在一起，整体共同工作而形成的组合梁。组合梁比非组合梁的强度、刚度都有明显提高，使得同等条件下组合梁截面大小及高度比非组合梁小，可以有效降低结构高度这将增加净空，降低工程造价，提高了工程的经济效益，在大跨度的桥梁结构中应用具有较大优势。
图2 钢-混凝土组合梁
钢与混凝土组合梁首先从截面组成上充分发挥了混凝土与型钢材料各自的特点，除此以外，与普通钢筋混凝土梁相比，具有以下优点：
(1)将钢筋混凝土板与钢梁组合成整体，使钢筋混凝土板成为组合梁的一部分(翼缘)，因此按非组合梁考虑，承载能力显著提高；(2)钢筋混凝土板组合成为全梁的一部分，因此在同样大小钢梁的情况下，组合梁比非组合梁竖向刚度明显提高；(3)混凝土处于受压区(正弯矩区段)，钢梁主要处于受拉区，两种不同材料都能充分发挥各自的长处，受力合理，节约材料；(4)由于处于受压区的钢筋混凝土板刚度较大，对避免钢梁的整体与局部失稳有明显的作用；(5)组合梁可大量节约钢材以致降低工程造价。
组合梁中，剪力连接件（剪力钉）的作用是保证混凝土桥面板和钢主梁共同工作，因此它承受着巨大的纵向剪力作用，是组合梁抗疲劳的重要因素，组合梁的疲劳问题和梁内剪力钉的疲劳问题始终是分不开的，故在研究组合梁桥疲劳性能时，率先研究剪力钉的疲劳性能。
3.组合结构疲劳问题研究现状
随着组合结构的不断发展和广泛应用，其疲劳问题的日益显现，今年来国内外学者对组合结构的研究也越来越多。组合结构连接件的疲劳问题是决定组合结构疲劳寿命的最主要因素，关于梁内栓钉的疲劳问题，日本、欧洲的许多国家作了大量的试验研究，其主要试验方法是推出试验，通过对试验数据统计分析得出了很多疲劳一寿命曲线。1998年，英国威尔士大学的T.M.Toberts和O.Dogan对箱形钢梁内包混凝土组合梁进行了试验研究[3]，试验结果表明，评估组合梁内栓钉的疲劳寿命时，欧洲规范3偏于保守，同时梁内的栓钉疲劳性能要好于同样条件下推出试件内栓钉的疲劳性能。2005年，韩国的产业科学研究院对钢-混凝土组合梁桥中所用大型剪力连接件的静力性能和疲劳性能进行大量的试验研究，通过对试验数据的总结分析，修正现有规范的不足，优化组合梁的设计。2007年，德国的Gerhard Hanswille[4]等人通过对71组推出试验数据的分析得出：影响组合梁疲劳寿命的各种因素，并总结出在大应力幅循环作用下，组合梁疲劳破坏的机理和疲劳寿命的预测的方法。2009年，比利时的K.Liu等通过建立组合梁中剪力连接件的疲劳生命周期模型对其疲劳性能进行参数化分析，最后通过编写程序来为组合梁的疲劳设计提供参考依据。
我国近几年有一些学者对组合结构的疲劳问题作了一些研究如连接件的推出试验，也得出了一些疲劳应力一寿命曲线。2008年，中南大学的罗应章和余志武通过对不同栓钉构造的4个推出试件进行了不同荷载幅的疲劳试验，试验结果表明：栓钉和钢筋焊接的试件其疲劳寿命要长，且其抗滑移性能要好；荷载幅越大其疲劳寿命越短，滑移量也越大。2009年，清华大学的王宇航和聂建国[5]，根据断裂力学的基本原理，采用合理的假设，推导出了组合梁栓钉的疲劳寿命计算公式。分析结果表明：与国内外大量试验数据的对比结果表明该文的计算方法计算结果准确，离散性小，初始缺陷和应力幅对栓钉的疲劳寿命影响最大，应力上限对栓钉疲劳寿命的影响较小。建议在实际工程中栓钉的应力幅控制在极限抗剪强度的20%以下，应力上限控制在极限抗剪强度的70%以下。2009年，中南大学的侯文琦和叶梅新通过21个钢-混凝土组合结构的疲劳试验[6]，经回归分析，提出了C50混凝土中φ22栓钉的疲劳寿命计算公式，研究了各种因素对栓钉疲劳寿命的影响。并结合青藏铁路钢-混凝土组合桥的设计，提出了低温（-50C）下钢-混凝土组合结构试验方法，通过低温下钢-混凝土组合结构疲劳试验、极限承载力试验和昼夜升温、降温循环试验，提出了青藏铁路钢一混凝土组合桥栓钉疲劳承载力取值、极限承载力取值和钢与混凝土温差取值。
综上所述，目前确定结构疲劳寿命的方法主要有两种：试验法和有限元分析法。而对组合梁疲劳性能的研究主要是用试验法。它直接通过与实际情况相同或相似的试验来获取所需要的疲劳数据。这种方法虽然可靠，但是在结构太复杂、太昂贵，以及在实际情况的类别（如几何形式、结构尺度、加载方式、环境条件等）数量太庞大的情况下，无论从人力、物力，还是从工作周期上来说，都是大不可行的。另外，由于工程结构、外载荷和服役环境的差异性，使得试验结果也不具有通用性。
4. 组合结构疲劳寿命评估方法
目前对组合梁桥进行疲劳性能研究主要有三种理论方法:其一是传统的应力一寿命评估方法，也是当今各国进行桥梁性能研究和疲劳设计的主要方法，它的基本理论是应力一寿命曲线(曲线)和线性累积损伤理论(Miner准则)，也被称之为名义应力法；第二种方法是局部应力应变法，它是第一种方法的延续，主要依靠结构材料的循环应力一应变曲线、迟滞回线及材料的记忆特性，通常也被相对应的称为应变一寿命评估方法；第三种方法则是随着断裂力学的发展而不断完善的基于线弹性断裂力学(LEFM)的分析方法，它为前两种方法提供了良好的补充。
4.1传统的应力一寿命疲劳评估方法
传统的应力一寿命评估方法，也被称之为名义应力法，是当今各国进行桥梁疲劳性能研究和疲劳设计的主要方法，它的的核心内容是结构材料应力一寿命曲线(S-N曲线)的获取、结构危险部位名义荷载谱的确定和运用疲劳损伤累积理论将外荷载作用下产生的变幅应力幅转化为常幅应力幅。传统应力一寿命评估方法的基本计算步骤如图4.1所示:
图4.1 传统的应力一寿命评估方法评估的步骤[7]
4.2局部应力应变法
局部应力应变法是传统的应力一寿命评估方法的延续，其主要区别在于将结构危险部位的名义应力谱转换为局部应力一应变谱，然后根据结构材料的应变一寿命曲线来评估结构的疲劳寿命，故也被称为应变一寿命评估方法。其评估结构疲劳寿命的基本步骤如下图4.2所示。
图4.2 局部应力一应变评估方法的步骤[8]
4.3基于断裂力学理论的分析方法
基于断裂力学理论的分析方法为基于S-N曲线的传统疲劳评估分析方法提供了有力的理论依据和补充，对于宏观断裂力学而言，它主要分为线弹性断裂力学(LEFM)与弹塑性断裂力学(EPFM)两大类。由于桥梁的疲劳破坏大都是由局部疲劳裂纹扩展所导致的，而疲劳裂纹长度远远超过裂纹尖端塑性区尺寸，其裂纹在包围裂纹尖端的弹性区内扩展，因此使用线弹性断裂理论就可以取得较好的效果，故目前常用的疲劳评估方法是基于线弹性断裂力学(LEFM)的分析方法。
4.4小结
对于传统S-N曲线法，其运用起来比较方便简单，但是当构造细节无法在规范中找到相应分类时，需要进行该特殊构造细节的疲劳试验以获得设计或评估参数，且其结果不够精确。名义应力法适用于承受高周循环的结构而局部应力应变法则适用于承受低周循环的结构；名义应力法依赖于疲劳试验而局部应力应变法主要是通过弹塑性有限元方法；桥梁在一般的行车条件下，都处于低周循环的情况下，所以应用名义应力法较合适。对于断裂力学法，其能较精确的预估裂缝的应力状态和扩展规律，获取更为准确的疲劳寿命，但是其计算所需的参数较难获取，且具有较大的不确定性。
5.组合梁剪力钉疲劳性能研究
钢-混组合梁桥的疲劳一般包含三大方面：钢主梁的疲劳、混凝土桥面板的疲劳和抗剪连接件的疲劳，其中抗剪连接件的疲劳是钢-混组合梁桥区别于其他桥梁所特有的疲劳问题，且根据当前有关钢-混组合梁结构疲劳性能的研究可知，对于组合结构而言，疲劳破坏大都是由剪力连接件来控制。组合结构连接件的疲劳问题是决定组合结构疲劳寿命的最主要因素。钢一混凝土组合结构中，剪力钉作为一种柔性连接件，通过其根部的弯曲、拉伸和剪切变形来抵抗与钢梁与混凝土板连接处的剪力，故而其要满足剪力、拉力、疲劳强度等三种功能要求。而在桥梁工程中，由于结构受到反复荷载的长期作用，因此剪力钉的疲劳性能尤为重要。
5.1组合梁剪力钉性能试验方法
对于剪力钉而言，其主要有两种破坏形式，剪力钉拉剪破坏和剪力连接件附近的混凝土破坏。这与混凝土的强度等级、弹性模量以及栓钉的尺寸、强度有关。另外，剪力钉的布置形式、构造对其性能也有很大影响。
梁式试验是考察剪力钉实际受力性能最直接可靠的方法，梁式试验通过对简支组合梁施加两点对称荷载，使剪跨段的钢梁与混凝土翼板间的接触面上纵向受剪，这种试验方式可以反映剪跨区连接件的实际受力状态，但试验过程比较复杂，成本较高，不宜大量采用。
而推出试验是目前研究栓钉抗剪连接件性能最常用的方法[9]。推出试验在一定程度上可以模拟组合梁在正弯矩作用下栓钉的实际受力状态，并且已有大量试验表明，推出试验得到的连接件性能要低于梁式试验得到的结果，故将推出试验结果用于组合梁设计中将是偏于安全的。目前，各规范也均以推出试验的结果作为评定抗剪连接件各项性能的依据。
5.2组合梁剪力钉疲劳寿命计算方法
目前关于组合梁剪力钉疲劳计算方法，主要有两大类方法：
（1）剪力钉应力幅—疲劳寿命方法，即传统的S—N曲线方法
（2）计算疲劳极限承载力方法
英国规范 BS5400：
式中， Pr —单个栓钉的剪力幅（MPa）
u —单个栓钉的名义静力极限抗剪承载力（MPa）
该规范中的栓钉疲劳寿命公式主要是基于一批直径为19mm的圆柱头栓钉的疲劳试验结果。
AASHTO 《美国公路和桥梁设计规范》：
单钉疲劳抗剪承载力公式：
Zr— 单钉能够承受的最大剪力幅 （N）
英国BS5400和AASHTO美国《公路和桥梁设计规范》都是采用的第二种方法，即计算疲劳极限承载力方法，不同的是，欧洲规范4未考虑低应力幅对剪力钉疲劳寿命的影响，故最为保守。
表5.1 已有剪力钉连接件疲劳寿命计算公式[10]
目前大部分栓钉疲劳寿命曲线是基于金属材料疲劳的S-N曲线，采用欧洲规范模式，根据试验数据进行回归分析得到；该公式适合于承受高周疲劳荷载作用的栓钉连接件的疲劳寿命计算，而对于承受低周疲劳荷载作用的栓钉，其疲劳寿命还可能受栓钉静力极限承载力、应力幅值上限等因素的影响，此方法还需修正。
5．结语和展望
通过对国内外已有文献的阅读和分析对比发现，关于钢-混凝土组合结构疲劳性能的研究主要是基于试验的结果；在剪力钉疲劳寿命计算方面，主要是采用欧洲规范模式进而通过试验数据进行拟合，关于疲劳劳寿命计算相关的理论分析较少，若要更好地发挥其在工程结构中的优势，还需要加大对组合结构研究的投入，随着研究的不断深入，施工工艺的不断提高，钢-混凝土组合结构理论研究和实际应用将会迎来一个崭新的时代。
近年来，钢-混凝土组合结构特别是组合桥梁以其良好的受力性能和施工性能，广泛应用于各类建筑结构中，具有广阔的发展前景。国内关于钢-混凝土组合结构疲劳性能的研究近年来也越来越多，但依旧不成体系，尚没有建立较完整的设计条文，因此仍需要进行较为系统的试验研究，并进行总结归纳，建立相关的组合结构设计规范。
参考文献
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[4] Gerhard Hanswille ,Markus Porsch,Cenk Ustundag. Resistance of headed studs subjected to fatigue loading PartⅡ Analytical study [J]. Journal of Constructional Steel Research,2007,63（4）:485-493.
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[6] 侯文琦.铁路钢-混凝土组合桥及剪力连接件的研究[D].长沙：中南大学，2009
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[10] 陈雷雷，王景全. 钢-混凝土组合梁栓钉连接件疲劳性能研究[J]. 建筑结构，2014（44）：693-695.下载本文
