轨道专用连续刚构桥钢-混结合段疲劳性能_龚顺燧.pdf

第 卷第期 年月中 国 科 技 论 文 轨道专用连续刚构桥钢混结合段疲劳性能龚顺燧，廖晶，马虎，邹杨，谢开兵，（重庆交通大学土木工程学院，重庆 ；山区桥梁及隧道工程国家重点实验室（重庆交通大学），重庆 ；贵州中交德余高速公路有限公司，贵州铜仁 ；重庆市轨道交通（集团）有限公司，重庆 ）摘要：为了验证特大跨轨道连续刚构桥钢混结合段的疲劳性能，根据应力等效原则设计了结合段局部缩尺模型，开展了疲劳验证和疲劳破坏试验，测试了疲劳荷载加载过程中结合段关键构件的应力变化情况和钢混界面的滑移变化情况。结果表明：在 万次疲劳验证加载过程中，结合段应力水平较低，各测点应力变化不大，界面相对滑移很小，钢结构无表观裂纹，具有良好的抗疲劳性能；在 万次疲劳破坏加载过程中，各测点应力均略微增大，相对滑移量也有所增大，但钢结构仍无表观裂纹，结构具有足够的疲劳安全储备。关键词：钢混结合段；疲劳模型试验；疲劳性能；安全储备中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；（），；，；（），）：，：；收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）第一作者：龚顺燧（），男，硕士研究生，主要研究方向为钢混组合结构通信作者：邹杨，副教授，主要研究方向为钢混组合结构，钢混结合段是混合梁桥的关键构造之一，其主要作用是连接钢梁和混凝土梁，使得两者间的内力及变形能得到平顺传递。钢混结合段主要由钢梁、混凝土梁、承压板、剪力连接件及预应力钢筋组成，结构复杂，是混合结构桥梁的核心节点。众多学者对钢混结合段的静力性能和承载力做了大量研究。肖林等完成了缩尺比为的桥塔钢混结合段模型试验，采用非线性有限元模型分析了结合段的受力性能与传力机理。施洲等以安九铁路鳊鱼洲长江大桥为背景，对钢混结合段的受力特点、变形特性及钢混结合段长度对其受力性能的影响规律进行了研究。姚亚东等设计制作了相似比为的全截面缩尺模型，并进行了有限元分析和试验研究，考察了各个工况下钢混结合段正应力分布情况及承载能力。陈君等建立了钢混组合的混合连续梁精细化有限元模型，分析了钢混结合段在各种荷载工况下的局部应力分布规律以及荷载在结合段内的传递路径。唐细彪等制作了的缩尺模型，并进行了钢混结合段模型试验研究，结果表明：在 和（为承载能力极限状态最大弯矩荷载组合）作用下，钢混结合段应力传递匀顺且具有良好的工作性能。关于结合段疲劳性能的研究却相对较少。周阳等设计制作了结合段局部足尺模型，进行了疲劳验证加载和疲劳破坏加载，结果表明：万次疲劳验证试验过程中和 万次疲劳破坏试验后，结构中 国 科 技 论 文第 卷具有良好的疲劳性能以及一定的疲劳安全储备。肖林等设计了空间刚架结构钢混结合段 的大比例试验模型，测试了疲劳加载过程中钢混结合段结构主要构件以及焊缝、剪力键的应力和变形情况。相对于公路桥梁，轨道专用桥活载占比更大，钢混结合段在巨大的列车荷载往复作用下，各构件均存在一定的疲劳损伤风险，因此对轨道专用桥钢混结合段疲劳性能进行研究十分必要。本文以嘉华轨道专用桥为背景，设计疲劳试验方案，开展疲劳模型试验，通过考察结合段关键测点的应力变化规律和钢混界面的相对滑移对钢混结合段的疲劳性能进行研究。工程概况嘉华 轨道专 用桥 主桥 为 连续 刚 构 桥，全长 为 。主梁分别由预应力混凝土箱梁和钢箱梁组成，主跨 、跨中 采用钢箱梁，其余均采用预应力混凝土结构。钢梁与混凝土梁通过钢混结合段相连，钢混结合段长度为，钢梁过渡段长度为。该桥结合段采用无格室后承压板式构造，主要由钢梁、混凝土梁、剪力连接件、穿孔钢筋、预应力筋等构成，如图所示。图钢混结合段构造 钢混结合段疲劳试验方案设计 试验模型设计嘉华轨道专用桥钢混结合段构造尺寸较大，结合段内部内力巨大（弯矩达 ，施加预应力后混凝土梁段轴力达 ），很难进行全截面足尺模型试验，并且钢混结合段各钢格室具有相对独立的设计，参考文献，的试验方案，可以选取局部某个或者某些格室进行试验研究。考虑试验室设备及场地限制，基于应力等效原则，选取具有代表性的单个箱室进行缩尺模型疲劳试验。为了选出受力更为不利的箱室作为疲劳试验模型，需要对顶部箱室和底部箱室受力情况进行对比。采用通用有限元程序 建立钢混结合段整体模型，考虑结构与荷载的对称性，选取对称结构进行建模分析。图钢混结合段有限元模型 有限元模型如图所示。混凝土采用 单元模拟，钢结构采用 单元模拟，由于不考虑局部受力，故两者之间采用“”进行约束，将钢结构嵌入混凝土。为方便加载和更准确地模拟边界条件，混凝土端和钢结构端均耦合至各自的形心点（和），混凝土端耦合点个方向上的位移和转角全部约束，并约束钢结构端耦合点方向上的转角。由于有限元模型是对称结构，故约束对称面方向上的位移以及、方向上的转角。荷载施加在钢结构端耦合点上。结合段整体模型受力主要由轴力和弯矩控制，对恒载工况进行加载，计算出的顶底板箱室应力幅见表。可以看出，钢混结合段结合面在箱梁顶部的应力幅较底部大，即箱梁顶部箱室的疲劳受力更为不利。故选取顶部箱室具有代表性的单个箱室进行缩尺模型疲劳试验。表结合面顶底板箱室在活载最不利工况下的应力幅值 箱室位置活载最大工况活载最小工况应力幅 顶板 底板 注：为结合面钢梁部分的应力；为结合面混凝土梁部分的应力。从结合段整体模型顶部选取单个箱室作为试验模型进行疲劳试验。试验模型如图所示，其构造细节如图所示。结合段整体模型受到轴力和弯矩作用，轴力产生的效应是使全截面产生拉应力或者压应力，而弯矩产生的效应是在截面中性轴上下产生方向相反的应力。试验模型位于结合段顶部，轴力和弯矩的效应在该位置可以等效为个作用在试验模型两端的轴向力，尽量使加载过程中试验模型各个部位的应力在该轴向力作用下与结合段整体模型中相应部位的应力一致。第期龚顺燧，等：轨道专用连续刚构桥钢混结合段疲劳性能图试验模型 试验模型的材料与原桥相同。其中混凝土型号为 ，钢 梁 采 用 级 钢 材，钢 筋 型 号为 。疲劳试验荷载根据嘉华轨道专用桥每日交通量，可以确定设计寿命期内的运营车次。按桥梁运营 年，计算得设计寿命期内的疲劳次数为 次。疲劳试验荷载的计算：先通过空间有限元分析得到钢混结合面的弯矩影响线，列车完全过桥次，可以得到弯矩历程曲线，然后通过雨流计数法 得出不同水平内力幅的弯矩频谱值。图试验模型构造细节 依 据 线 性 疲 劳 累 积 损 伤 理论 ，将由内力频谱值得出的变幅内力幅（）转化为某一荷载作用次数下对应的常幅荷载（一般为作用 万次下的疲劳荷载幅）：（）。（）式中：为等效常内力幅；为各个水平的内力幅；为不同幅值对应的循环次数；为等效疲劳次数，本文取值为 万；为曲线（应力循环次数曲线）的斜率，万次疲劳寿命所对应的。在得到 万次疲劳加载下的等效荷载幅后，根据应力等效原则，计算出试验模型钢结构端的荷载幅为 ，将此荷载幅在恒载工况上进行叠加，得出最终疲劳荷载的上限值为 ，下限值为 。万次加载结束之后，若结构仍未发生疲劳破坏，则继续追加 万次 倍荷载幅和 万次 倍荷载幅的疲劳破坏加载，以考察结合段的疲劳安全储备，荷载区间分别为 和 。测点布置试验模型应变测点主要布置在易疲劳破坏部位、应力集中部位及应力水平较高部位等，截面顶板和底板沿横向分别均匀布置个测点，腹板沿竖向均匀布置个测点，开孔钢板分别在边缘和两孔之间布置测点，每个开孔钢板布置层，如图所示。滑移测点则是在结合段顶部界面处和底部界面处纵向均匀布置个，顶部和底部均布置一侧。图开孔钢板预埋应变测点 加载方式试验首先按照标准疲劳荷载幅进行 万次疲劳验证试验，在疲劳次数为万、万、万、万、万、万、万次时分别停机次进行静力加载并采集数据；然后分别进行 万次 倍和 万次 倍荷载幅的疲劳破坏试验，均为每 万次采集次数据。疲劳荷载由 作动器提供，在试件钢结构端焊接块厚钢板作为承压垫块，以防止端部局部承压，并将其顶住反力墙，作动器对试件混凝土端进行加载，而作动器另一端产生的反力则由提前预制好的反力梁来抵消，反力梁与作动器、作动器与试件之间均通过设计好的工装进行连接，反力梁通过锚杆和螺帽锚固在地板锚孔位置，试验模型加载如图所示。中 国 科 技 论 文第 卷图钢混结合段试验模型加载示意图 为了防止试件在加载过程中发生弯曲变形，用锚杆和矩管约束试件的竖向位移，具体布置方式如图所示。同时将侧向限位板通过螺杆固定在矩管上，以防止试件横向变形，试件与矩管的接触面打磨光滑，保证试件自由变形。试验模型加载照片如图所示。试验结果与分析 应力试验试验模型中的 钢混结合段（图）是整个构件最重要的部分，该处钢结构、混凝土结构和开孔钢板上关键测点的应力循环次数曲线如图所图试验模型横截面示意图 图试验模型加载照片 图关键测点的应力循环次数曲线 示。其中，为钢箱梁顶板测点，为钢箱梁底板测点，为混凝土结构测点，为开孔钢板第层测点。由图可见：验证试验阶段（万次）疲劳加载过程中，每次静力加载测得的应力均在一定值附近波动，基本保持不变，说明结合段在桥梁运营过程中具有足够的抗疲劳破坏性能；在 万次疲劳加载之后，混凝土腹板的应力水平仍基本稳定，但钢箱梁顶底板和开孔钢板的多个测点应力水平均呈增大趋势，这是由于在疲劳荷载作用下，结合段部位的钢结构和混凝土结构发生部分界面分离，从而导致钢结构和开孔钢板的受力均增大，界面粘结主要靠种不同材料的化学、物理咬合作用承受剪力，在垂直于剪力方向的分离力作用下，粘结极易失效，这是结合段极易发生疲劳破坏之处；在 万次疲劳加载之后，除了钢箱梁顶底板和开孔钢板的应力略微增大外，结构整体的应力水平仍然相对较低，在疲劳加载过程中，结构表面均未出现疲劳裂纹，说明结合第期龚顺燧，等：轨道专用连续刚构桥钢混结合段疲劳性能段具有良好的疲劳安全储备。增大荷载幅后各测点的应力增长倍数见表。可以看出，除个别测点外，增大荷载幅后的应力值均有所增大，但相比 倍荷载幅作用，倍荷载幅作用下的应力增长幅度较小，即疲劳荷载作用后结构的力学性能衰减较小。表增大荷载幅后各测点应力增长倍数 构件测点不同加载次数下的应力增长倍数 万次 万次 万次 万次 万次 钢顶板 钢底板 混凝土 开孔钢板 剪力连接件是实现钢混结合段中各种内力传递的主要构件，也是结合段结构安全性能的主要保证构件，是整个结合段最容易发生疲劳破坏的构件，故进一步考察开孔钢板的疲劳性能。开孔钢板测点应力荷载曲线如图 所示，可以看出：在 万次、万次和 万次疲劳加载后，开孔钢板各测点应力随荷载的增大基本呈线性增长，且各级荷载作用下，应力均在一定值附近波动，说明试件处于弹性工作阶段，未进入塑性受力阶段，在疲劳荷载作用下，结合段剪力连接件良好的抗疲劳性能得到了充分的体现。图 开孔钢板测点应力荷载曲线 滑移试验结合段钢混界面的滑移变化规律如图 所示。可以看出：相较疲劳加载前，各测点滑移量均增大一定数值，说明疲劳加载对钢与混凝土之间的协同受力有一定影响，且随着加载次数的增多和荷载幅的增大，对界面粘结造成的影响也在变大。但是试验模型的最大相对滑移量仅为 ，较小的相对滑移量表明钢与混凝土之间的协同受力良好，承压板、界面粘结力及摩擦力作用明显。相对滑移量沿纵向呈递减分布，这一变化规律与开孔钢板应力沿纵向的变化规律相同。结论对嘉华轨道专用桥主梁钢混结合段进行了局部模型疲劳试验，得出以下结论：）在 万次验证试验后，各个测点的应力均在一定值附近波动，基本保持不变，说明疲劳荷载作用后结构的力学性能基本无变化，结构基本无疲劳损伤，该结合段设计安全并具有良好的抗疲劳性能。）经过 倍荷载幅和 倍荷载幅的 万次疲劳加载后，混凝土腹板的应力水平仍基本稳定，但钢箱梁顶底板和开孔钢板的多个测点的应力水平呈中 国 科 技 论 文第 卷图 界面滑移变化规律 增大趋势，这是由于在疲劳荷载作用下，结合段部位的钢结构和混凝土结构发生分离，导致钢结构和开孔钢板的受力增大。但相比 倍荷载幅，倍荷载幅作用下的应力增长幅度较小，说明疲劳荷载作用后结构的力学性能衰减较小。由钢混凝土结合段试验模型在疲劳加载工况中表现出的受力情况来看，疲劳荷载对于结合段静力性能并未产生明显的损伤累积效应，嘉华轨道专用