Z2类疲劳破坏叠合板组合梁疲劳性能试验研究_袁西贵.pdf

Industrial Construction Vol.53,No.4,2023工业建筑2023 年第 53 卷第 4 期115 Z2 类疲劳破坏叠合板组合梁疲劳性能试验研究 袁西贵1张凯2(1.成都职业技术学院城建学院,成都610218;2.四川职业技术学院建筑工程学院,四川遂宁629000)摘要:为推广装配式建造技术及钢-混凝土组合梁在桥梁结构和吊车梁中的应用,有必要对各类构造细节的组合梁疲劳寿命进行试验研究,本论文通过对 6 根组合梁(其中 5 根叠合板组合梁,1 根现浇板组合梁)施加等幅疲劳荷载,并采用双对数函数对其中 5 根发生 Z2 类构造细节疲劳破坏组合梁试验数据进行线性拟合,得到了基于 Z2 类构造细节组合梁疲劳破坏时的 S-N 曲线。试验结果与欧洲钢结构协会(ECCS)的规定十分接近,与 GB 500172003钢结构设计规范符合得很好,但与现行 GB 500172017钢结构设计标准有一定偏差,主要是因为新旧标准对构造细节分类有所不同。采用新标准结果偏于不安全,现阶段在整梁试验数据有限的情况下进行组合梁的设计时,建议按照 GB 500172003 中的相关规定进行复核。关键词:构造细节;叠合板组合梁;应力幅;疲劳寿命 DOI:10.13204/j.gyjzG22012509Experimental Research on Fatigue Life of Composite Beams withLaminated Slabs and Z2 Fatigue DetailsYUAN Xigui1ZHANG Kai2(1.School of Urban Construction of Chengdu Polytechnic,Chengdu 610218,China;2.Construction EngineeringSchool of Sichuan Vocational and Technical College,Suining 629000,China)Abstract:In order to popularize the prefabrication construction technology and the application of steel-concrete composite beams in bridge structures and crane beams,it is necessary to carry out experimental research on fatigue life of composite beams with various structural details.6 composite beams(including 5 composite beams with laminated slabs and 1 composite beam with cast-in-place slabs)were subjected to constant amplitude fatigue load.The double logarithm function was used to linearly fit the test data of 5 composite beams with Z2 structural details,and the S-N curve was obtained.The test results were very close to the provisions of European Convention for Constructional Steelwork(ECCS)and in good agreement with Code for Design of Steel Structures(GB 500172003),but there was a certain deviation from GB 500172017,mainly because their classifications of structural details were different.The adoption to GB 500172017 were unsafe.At this stage,it was recommended to review the design of composite beams in accordance with the relevant provisions of GB 500172003.Keywords:structural details;composite beam with laminated slabs;stress amplitude;fatigue life四川 省 教 育 厅 2017 年 度 科 研 计 划 自 然 科 学 类 重 点 项 目(17ZA0140);装配式建造技术科研创新团队(22KYTD02);校级科研项目(成职院2022-124 号:22CZYG019)。第一作者:袁西贵,男,1971 年出生,高级工程师,副教授。通信作者:张凯,男,1968 年出生,工程硕士,54547242 。收稿日期:2022-01-25 1概述近年来,由于工厂化装配式技术的推广,叠合板组合梁因能充分利用钢材和混凝土的受力特性,具有延性好、刚度大、施工方便等优点,在世界各地得到了广泛应用1-2。在我国也备受工程界青睐,常用于桥梁工程、吊车梁等一些承受重复荷载作用的结构构件中3-4。近些年,国内外对组合梁疲劳性能的研究主要限于有限元数值模拟,缺乏足够试验验证。已有试验研究多集中于剪力连接件5-10,其试验结果不能完全代替整梁的疲劳性能。少有的整梁疲劳性能试验都局限于现浇板组合梁。对叠合板组合梁整梁疲劳性能研究几乎空缺。主要因试件加工工序复杂,试验强度大、费用高、周期长,试验设备及过程往往极不稳定,成果离散性大。少有科研院校和机构对其进行试验研究。目前叠合板组合梁整梁疲劳设计只能借用现浇板组合梁疲劳试验成果。为进一步推广和应用这种半装配式组合梁,充分发挥它们在山区、丘陵以及大型运输和吊装设备不便116 工业建筑2023 年第 53 卷第 4 期到达的地区桥梁建设及西部大开发相关工程中的作用,迫切需要对其进行深入的试验研究与理论分析。通过对 6 根组合梁(其中 5 根叠合板组合梁)施加等幅疲劳荷载,并采用双对数函数对其中 5 根发生Z2 类构造细节疲劳破坏组合梁的试验数据进行线性拟合,得到基于 Z2 类疲劳破坏的组合梁的 S-N曲线。2试件设计2.1材料性能组合梁混凝土材性试验结果见表 1;钢梁材质为 Q235B,按文献8中规定进行材性试验,其翼缘屈服强度 ff、腹板屈服强度 fw及极限强度 fu分别为286,350,450 MPa5;组合梁栓钉均为 16Mn 钢经冷拔、锻造而成的 1665 圆柱头栓钉,其极限抗拉强度 fsu为 450 MPa;钢筋采用 HPB300。表 1混凝材性试验结果Table 1Test results on the mechanicalproperties of concreteMPa梁编号预制层立方试块现浇层立方试块fcufcEcfcufcEcFSCB-147.538.032 030FSCB-255.544.433 47149.139.332 300FSCB-354.743.833 34947.137.631 950FSCB-451.741.432 84750.140.132 580FSCB-546.537.231 85153.742.933 1602.2组件设计 组合梁中钢梁采用翼缘不对称的焊接 H 形钢梁,其实测尺寸为:上翼缘 90 mm10 mm,下翼缘200 mm9.9 mm,腹板 5.8 mm200 mm。叠合板组合梁截面及其配筋见图 1。其中:预制板及现浇板厚度分别为 35,45 mm,梁翼缘总宽 900 mm,预制板截面参数见图 2。预制板在钢梁上支承长为 20 mm,板底留缝宽 10 mm,槽口上部净宽 50 mm;预制板内结合筋穿过交界面,其构造如图 2b、2c 所示。图 1叠合板组合梁 FSCB-6 配筋详图mmFig.1Reinforcement of composite beam with laminated slabs2.3组合梁模型设计试件采用跨度为 4 500 mm 的简支梁。图 3 所示为组合梁栓钉布置示意。栓钉均沿钢梁上翼缘对称单列布置,完全剪力连接程度组合梁 FSCB-1 图 2预制板截面及配筋详图mmFig.2Details of section and reinforcement of the precast slabFSCB-4 每个剪弯区段内布置 21 个栓钉,不完全剪力连接叠合板组合梁 FSCB-5 每个剪弯区段内布置18 个栓钉。为防止组合梁发生掀起等次生破坏,各梁纯弯区段均布置了 4 个栓钉。图 3组合梁栓钉布置示意mmFig.3The schematic diagram of arrangements of studs in test beams钢板弹性模量 Es=2.06105 MPa,钢板与混凝土弹性模量之比 E,见表 2。不计混凝土徐变,组合梁混凝土翼板等效钢截面宽度 b1取值见表 2。表 2试验梁的混凝土翼板换算宽度 b1取值Table 2Converted widths of concrete flange slabs梁编号fc/MPa Eb1/mmFSCB-138.0306.424 9140.08FSCB-240.3146.320 9142.38FSCB-338.8646.389 2140.86FSCB-439.1226.372 7141.23FSCB-541.7746.259 3143.79基于平截面假定并按不考虑和考虑滑移效应两种情况计算得到的组合梁抗力如表 3 所示。表 3组合梁抗力计算汇总Table 3Summary table for calculation ofresistance of composite beamskN m板号屈服弯矩 My不计滑移考虑滑移极限弯矩 MuFSCB-1193.71184.373265.98FSCB-2193.92184.57267.31FSCB-3193.78184.44266.48FSCB-4193.92184.57267.32FSCB-5194.04183.54261.693试验装置和加载方案采用跨中两点对称加载。试验加载方案见图4。组合梁疲劳试验加载装置如图 5 所示。本次疲Z2 类疲劳破坏叠合板组合梁疲劳性能试验研究 袁西贵,等117 劳试验采用固定最小、最大应力水平的等幅正弦波加载,加载频率为 4 Hz。图 4组合梁加载方案mmFig.4The loading scheme of the composite beam图 5试验加载装置示意Fig.5Schematic diagrams of test loading device试验分三步进行。首先以荷载下限预加载再卸载至零;然后做静力加载和静力卸载试验,每级均采集数据,试验数据由计算机自动采集;最后做疲劳试验。加载方式如图 6 所示。图 6疲劳加载程序Fig.6Fatigue loading procedure(FLOP)数据采集设备包括:力和位移传感器(界面滑移、跨中位移);应变仪及数据采集设备和软件。图 7 给出了试验梁的测点及仪表布置。图中Ci 及 Si 分别表示在翼缘板及钢梁上电阻应变片(i表示离组合梁底面距离),Di 为动态位移传感器,分别用于量测翼缘板与钢梁间相对滑移以及跨中位移。量测设备通道共 16 个分别用于:测力系统及跨中大量程位移计(200 mm);跨中截面混凝土翼缘板上 5 个电阻应变片;跨中截面钢梁的翼缘下缘及腹板处 4 个电阻应变片;5 个混凝土与钢梁交界面相对滑移测点。图 7测点布置m