钢—砼组合结构PBL剪力连接件疲劳裂纹扩展与损伤演化

王慧

【摘要】PBL剪力鍵在钢-砼组合桥梁使用过程中，在车辆等冲击力作用下会产生不同程度的疲劳裂纹，PBL剪力连接件的累积损伤指标D增加速度先慢后快，在使用寿命后期，PBL剪力连接件残余变形增加迅速，该阶段贯通钢筋的裂纹产生并扩展，导致剪力连接件整体损伤破坏。

【关键词】钢-砼组合梁；PBL剪力连接件；疲劳裂纹与损伤

1前言

组合梁是在钢梁和钢筋砼梁的基础上发展起来的一种新型结构形式，它结合梁不同位置受力特点设置不同材料，可最大限度地发挥出钢与混凝土两种材料各自的有利性能和弥补不足，具有承载力高、刚度大、抗震性能和动力性能好、构件截面尺寸小、施工快速方便等优点。同钢筋砼结构相比，可以减轻自重，减小地震作用，减小构件截面尺寸，增加有效使用空间，降低基础造价，节省支模工序和模板，缩短工周期，增加构件和结构的延性等。同钢结构相比，可以减小用钢量，增加稳定性和整体性，增强结构抗火性和耐久性等。不但满足了结构的功能要求，而且还有较好的经济效益。PBL剪力连接件是把混凝土板和钢梁连接为一整体且保证组合梁协同工作的关键部件，与传统的栓钉剪力连接件相比，PBL剪力连接件具有抗剪刚度大、承载力高和延性好的优点。本文结合某实际钢-砼组合桥梁的剪力连接件，参考大量有关PBL剪力连接件疲劳研究的结论进行综合分析其疲劳裂纹扩展和损伤是如何演化的。

2疲劳裂纹扩展理论

疲劳破坏就是材料或沟在交变应力或应变作用下，在某点或某些点产生永久性损伤，经一定循环次数后产生裂纹，并使裂纹扩展至完全断裂或突然发生完全断裂的过程。构件因发生疲劳破坏二丧失正常工作性能的现象称为疲劳失效。试件抵抗疲劳失效的能力称为材料疲劳强度；构件抵抗疲劳失效的能力称为结构疲劳强度。疲劳寿命，即材料或构件疲劳失效所经受的规定应力或应变的循环次数。

疲劳破坏过程大致可分为四个时期：疲劳裂纹成核期、微观裂纹增长期、宏观裂纹扩展期以及瞬时断裂（失效扩展）期。工程实践应用中，常把这四个时期综合为两个阶段，也就是疲劳裂纹形成阶段和疲劳裂纹扩展阶段。影响疲劳裂纹扩展的因素很多，包括裂纹几何形态、初始裂纹尺寸、材料特性、裂纹扩展规律、扩展方向、构件的几何尺寸和载荷历程等。

疲劳累积损伤理论是疲劳分析的主要原理之一，也是估算变应力幅值下安全疲劳寿命的关键理论。损伤的直接理解就是，在疲劳荷载下材料的改变（包括疲劳裂纹大小的变化、循环应变硬化和残余应力的变化）或材料的损坏程度。讲一步说就是材料在循环荷载下，微观裂纹不断扩展和深化，从而使试件或构件的有效工作面不断减少的程度。

3疲劳裂纹影响因素及损伤演化

首先对PBL剪力连接件进行200万次循环加载，疲劳上限为受剪承载力的38%，试件表面未见损伤，对试件进行静载破坏试验，进入承载力极限状态后，与钢板平行的两侧竖向开裂，裂缝贯通试件底部混凝土。钢板孔洞内的混凝土被压碎，在孔洞位置处的贯通钢筋出现弯曲，但钢筋表面未见裂纹。试件为钢板开孔区域贯通钢筋压弯的延性破坏。通过以上分析可以发现，试件的疲劳损伤由PBL孔洞中的混凝土榫损伤和贯通钢筋损伤两部分组成。在疲劳荷载作用下，混凝土榫处于较为复杂的压剪应力状态，内部裂纹损伤达到一定程度后发展缓慢，试验过程中没有发现明显的疲劳破坏。

在张行教授及其博士生赵军编著的有关构件疲劳损伤寿命预测的损伤力学计算方法的专著中，提出了构件在线弹性以及弹塑性条件下疲劳损伤寿命预测的三种方法：利用守恒积分的封闭解法，利用虚功原理与余虚功原理的附加应变法，利用虚功原理的附加位移法：对于构件疲劳全寿命预测，采用了损伤力学-有限元-附加力学，以损伤划分步长，取得了与实验值颇为一致的预测结果。

4结论

1）若疲劳荷载幅值上限超过其受剪承载力50%时，PBL剪力连接件发生疲劳损伤破坏，破坏模式表现为贯通钢筋应力受拉侧出现裂纹并逐渐扩展至整个截面，孔中部分混凝土压碎，在一定加卸载循环后试件无法继续承受剪力而失效。

2）在疲劳加载过程中，PBL剪力连接件的累积损伤指标D增加速度先慢后快，各次荷载-滑移曲线的间距呈现先稀疏、后密集、再稀疏的发展特征。在疲劳加载后期，试件残余变形增加迅速，该阶段贯通钢筋的裂缝产生并扩展，导致试件整体损伤破坏。

3）PBL剪力连接件的残余变形与其损伤变量具有相关性，试件的平均残余变形随疲劳荷载循环次数单调递增，其变化规律符合二次抛物线形式。

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