超载对钢-混凝土组合梁桥疲劳力学性能影响分析_郭至博.pdf
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1、第4 0卷第1期河 北 工 业 科 技V o l.4 0,N o.12 0 2 3年1月H e b e i J o u r n a l o f I n d u s t r i a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g yJ a n.2 0 2 3 文章编号:1 0 0 8-1 5 3 4(2 0 2 3)0 1-0 0 0 1-0 9超载对钢-混凝土组合梁桥疲劳力学性能影响分析郭至博1,孟令佩1,卜建清2,张吉仁3,荀敬川4(1.石家庄铁道大学土木工程学院,河北石家庄 0 5 0 0 4 3;2.石家庄铁道大学交通运输学院,河北石家庄 0 5 0 0
2、4 3;3.风工程与桥梁工程湖南省重点实验室,湖南长沙 4 1 0 0 8 2;4.中建路桥集团有限公司,河北石家庄 0 5 0 0 0 1)摘 要:为了进一步揭示车辆超载对组合结构桥梁疲劳力学性能的影响规律,并减小车辆超载对桥梁疲劳刚度和剩余承载力等性能所产生的不利影响,对现有钢-混凝土组合梁疲劳刚度的理论计算方法加以改进。基于疲劳荷载计算模型量化分析超载车辆的荷载放大效应,并以某实桥为例分析了不同超载程度下该桥疲劳刚度、抗剪连接度与剩余承载力的退化规律。结果表明:随着超载程度的增加,组合梁桥疲劳刚度与剩余承载力的退化速率和退化量均有增大趋势,最大退化量分别为4 2%和3 2%,呈现出明显的
3、非线性;抗剪连接度下降,但均保持在完全抗剪连接范围内。所得出的超载对疲劳刚度与剩余承载力的影响规律可为进一步完善钢-混凝土组合梁桥的疲劳损伤理论提供借鉴。关键词:桥涵工程;钢-混凝土组合梁;疲劳刚度;剩余承载力;车辆超载中图分类号:U 4 4 1.4;TU 3 9 8 文献标识码:A D O I:1 0.7 5 3 5/h b g y k j.2 0 2 3 y x 0 1 0 0 1收稿日期:2 0 2 2-0 7-1 6;修回日期:2 0 2 2-1 2-3 0;责任编辑:王海云基金项目:国家重点研发计划项目(2 0 2 1 Y F B 2 6 0 0 6 0 0,2 0 2 1 Y F
4、B 2 6 0 0 6 0 5);河北省重点研发计划项目(1 9 2 7 5 4 0 5 D)第一作者简介:郭至博(1 9 9 9),男,河北石家庄人,硕士研究生,主要从事组合结构桥梁性能演化与状态评估方面的研究。通信作者:卜建清教授。E-m a i l:b u j q 2 0 0 41 6 3.c o m郭至博,孟令佩,卜建清,等.超载对钢-混凝土组合梁桥疲劳力学性能影响分析J.河北工业科技,2 0 2 3,4 0(1):1-9.GUO Z h i b o,ME N G L i n g p e i,B U J i a n q i n g,e t a l.I n f l u e n c e o
5、 f o v e r l o a d o n f a t i g u e m e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e o f s t e e l-c o n c r e t e c o m p o s i t e g i r d e r b r i d g e sJ.H e b e i J o u r n a l o f I n d u s t r i a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,2 0 2 3,4 0(1):1-9.I n f l u e n c e o f o v e r l o a d o
6、 n f a t i g u e m e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e o f s t e e l-c o n c r e t e c o m p o s i t e g i r d e r b r i d g e s GUO Z h i b o1,ME NG L i n g p e i1,B U J i a n q i n g2,Z HANG J i r e n3,XUN J i n g c h u a n4(1.S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g,S h i j i a z h u a
7、 n g T i e d a o U n i v e r s i t y,S h i j i a z h u a n g,H e b e i 0 5 0 0 4 3,C h i n a;2.S c h o o l o f T r a f f i c a n d T r a n s p o r t a t i o n,S h i j i a z h u a n g T i e d a o U n i v e r s i t y,S h i j i a z h u a n g,H e b e i 0 5 0 0 4 3,C h i n a;3.K e y L a b o r a t o r y o
8、 f W i n d a n d B r i d g e E n g i n e e r i n g o f H u n a n P r o v i n c e,C h a n g s h a,H u n a n 4 1 0 0 8 2,C h i n a;4.C S C E C R o a d a n d B r i d g e G r o u p C o m p a n y L i m i t e d,S h i j i a z h u a n g,H e b e i 0 5 0 0 0 1,C h i n a)A b s t r a c t:I n o r d e r t o f u r
9、 t h e r r e v e a l t h e i n f l u e n c e o f v e h i c l e o v e r l o a d i n g o n t h e f a t i g u e m e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e o f c o m p o s i t e s t r u c t u r e b r i d g e s,a n d r e d u c e t h e a d v e r s e e f f e c t s o f v e h i c l e o v e r l o a d i n g o n
10、 t h e f a t i g u e s t i f f n e s s a n d r e s i d u a l b e a r i n g c a p a c i t y o f b r i d g e s,t h e e x i s t i n g t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n m e t h o d s o f f a t i g u e s t i f f n e s s o f s t e e l-c o n c r e t e c o m p o s i t e b e a m s w e r e i m p r o
11、 v e d.T h e l o a d a m p l i f i c a t i o n e f f e c t o f o v e r l o a d e d v e h i c l e s w a s q u a n t i t a t i v e l y a n a l y z e d b a s e d o n t h e f a t i g u e l o a d c a l c u l a t i o n m o d e l,a n d a r e a l b r i d g e w a s t a k e n a s a n e x a m p l e t o a n a l
12、 y z e t h e d e g r a d a t i o n l a w o f f a t i g u e s t i f f n e s s,s h e a r c o n n e c t i v i t y a n d r e s i d u a l b e a r i n g 河 北 工 业 科 技第4 0卷c a p a c i t y o f t h e b r i d g e u n d e r d i f f e r e n t o v e r l o a d l e v e l s.T h e r e s u l t s s h o w t h a t w i t h
13、 t h e i n c r e a s e o f o v e r l o a d,t h e d e g r a d a t i o n r a t e a n d a m o u n t o f f a t i g u e s t i f f n e s s a n d r e s i d u a l b e a r i n g c a p a c i t y o f c o m p o s i t e g i r d e r b r i d g e i n c r e a s e,a n d t h e m a x i m u m d e g r a d a t i o n a m o
14、 u n t i s 4 2%a n d 3 2%r e s p e c t i v e l y,s h o w i n g o b v i o u s n o n l i n e a r i t y;T h e s h e a r c o n n e c t i v i t y d e c r e a s e,b u t r e m a i n w i t h i n t h e r a n g e o f f u l l s h e a r c o n n e c t i v i t y.T h e i n f l u e n c e o f o v e r l o a d o n f a
15、 t i g u e s t i f f n e s s a n d r e s i d u a l b e a r i n g c a p a c i t y c a n p r o v i d e r e f e r e n c e f o r f u r t h e r i m p r o v i n g t h e f a t i g u e d a m a g e t h e o r y o f s t e e l-c o n c r e t e c o m p o s i t e g i r d e r b r i d g e s.K e y w o r d s:b r i d g
16、 e e n g i n e e r i n g;s t e e l-c o n c r e t e c o m p o s i t e b e a m;f a t i g u e s t i f f n e s s;r e s i d u a l b e a r i n g c a p a c i t y;v e h i c l e o v e r l o a d 钢-混凝土组合梁桥是通过剪力连接件将混凝土与钢梁连接而成的组合结构1。大量的工程实践表明,钢-混凝土组合梁桥有质量轻、强度高、施工迅速快捷、经济效益好、造型美观等优点,正逐步成为常规跨径桥梁建设中极富竞争力的桥型2-5。但在荷载的
17、反复作用,尤其是超载车辆的作用,会加剧结构的疲劳破坏,对桥梁结构的疲劳刚度和剩余承载力等力学性能造成显著影响6-8。针对钢-混凝土组合梁刚度计算,王景全等9采用有效刚度法对组合梁挠度计算的组合系数进行了推导,将考虑不同抗剪连接度的组合梁挠度计算统一起来,算例计算结果与试验结果吻合良好。聂建国等1 0提出了跨中残余挠度的计算公式,并通过试验验证了该方法的有效性。现有规范采用折减刚度法对组合梁静载挠度进行计算,其中刚度折减系数的计算尚缺乏完整的理论依据,在实际应用中存在一定的局限性1 1,尤其当钢-混凝土组合梁抗剪连接度较大或承受荷载较大时,该方法的误差较为明显。围绕 钢-混 凝 土 组 合 梁
18、承 载 力 计 算 方 法,汪炳1 2基于混凝土板、钢梁及栓钉的剩余强度和剩余刚度模型,提出了不同抗剪连接度下栓钉式与P B L式组合梁剩余承载力的计算方法。项贻强等1 3将栓钉初始缺陷考虑在内,提出了改进的栓钉式钢-混凝土组合梁剩余承载力计算方法。综上可见,目前钢-混凝土组合梁疲劳变形计算方法仍存在一定缺陷,且超载对钢-混凝土组合梁桥力学性能的影响鲜有研究。车辆超载问题的存在会加速钢-混凝土组合梁桥的力学性能退化。本文引进新的理论计算方法用于钢-混凝土组合梁疲劳刚度计算,通过疲劳荷载计算模型量化分析超载车辆的荷载放大效应,并以某简支钢-混凝土组合梁桥为例,分析不同超载程度下该桥疲劳刚度、抗剪
19、连接度与剩余承载力的退化规律。1 钢-混凝土组合梁疲劳刚度的计算在疲劳荷载作用下,组合梁刚度不断退化,加载n次后组合梁疲劳刚度定义式如式(1)所示。Bn=ML2fn,fn=fe+fr ,(1)式中:为挠度计算系数,主要由支撑形式、荷载形式决定;M为最大弯矩;fn为疲劳荷载作用n次时组合梁挠度,主要由静载挠度fe与残余挠度fr组成;L为梁长。1.1 钢-混凝土组合梁静载挠度的计算已有研究表明,若在设计中按照静力方法计算钢-混凝土组合梁疲劳刚度,得到组合梁的变形值小于实际值,使得设计偏于不安全1 3。本文通过引入文献1 4 中提出的改进折减刚度法对组合梁静载挠度fe进行计算,该方法将有效刚度作为考
20、虑滑移效应的折减刚度,且在刚度折减系数的计算中引入计算长度因子,如式(2)式(5)所示:fe=P L34 8B,B=EsI01+,(2)=11+(/)2(L)2|,=d2s cA0 0I0 0,(3)=nsk A1 1EsI0 0p,A0 0=AcAsnEAs+Ac,(4)A1 1=I0 0+A0 0d2s cA0 0,I0 0=Is+IcnE,(5)式(2)式(5)中:P为集中荷载;B为组合梁截面刚度;Ac为混凝土板面积;As为钢梁面积;Is为钢梁截面惯性矩;Ic为混凝土板截面惯性矩;ds c为钢梁与混凝土板间截面形心的距离;k为连接件抗剪刚度系数;p为连接件纵向间距;ns为连接件列数;nE
21、为钢材与混凝土弹性模量之比1 5;为计算长度因子,其值与边界条件有关(对于两端简支梁,取1;对于两端固支梁,取0.5;对于一端固支一端自由梁,取2;对于一端固支一端简支梁,取0.7)1 6。1.2 钢-混凝土组合梁残余挠度的计算由于残余滑移的影响,在疲劳荷载的作用下钢-混凝土组合梁会产生残余变形1 7。为了求出钢-混凝土组合梁残余挠度,必须得到n次疲劳荷载循环后钢与混凝土界面的残余滑移量。文献1 8 给出了计算混凝土板与钢梁界面残余滑移的表达式:p l,N=C1-C2l nNf-nn()0,(6)0nNf0.9,p l,N=0,nNf=0,(7)2第1期郭至博,等:超载对钢-混凝土组合梁桥疲劳
22、力学性能影响分析C1=0.1 0 4 e x p(3.9 5Pm a xPu,0),(8)C2=0.6 6 4Pm i nPu,0+0.0 2 9,(9)式(6)式(9)中:p l,N为界面残余滑移;Nf为栓钉的疲劳寿命;Pm a x,Pm i n,Pu,0分别为单个栓钉的荷载上限、荷载下限及极限承载力。栓钉极限承载力计算公式如式(1 0)所示1 9:Vs u d=m i n0.4 3AsEcfc d,0.7Asfs u,(1 0)式(1 0)中:Vs u d为栓钉抗剪承载力设计值;Ec为混凝土弹性模量;fc d为混凝土轴心抗压强度;As为栓钉钉杆截面面积;fs u为栓钉的极限承载力。文献1
23、0 给出了考虑钢-混凝土组合梁界面残余滑移的跨中残余挠度表达式,如式(1 1)所示:fr=p l,NL1 2h,(1 1)式(1 1)中,通过数据拟合得到,无试验数据时可取为1 0.1 1。1.3 算例验证选取文献2 0 中的4根试验梁,验证本文第1节方法的有效性,将试验所测挠度与采用文献2 0 及本文方法的计算结果相对比,对比结果如表1所示。表1 不同计算方法结果与试验结果对比T a b.1 C o m p a r i s o n o f r e s u l t s o f d i f f e r e n t c a l c u l a t i o n m e t h o d s a n d
24、 t e s t r e s u l t s试件编号加载次数/万次实测挠度/mm文献2 0 方法本文方法计算挠度/mm计算值/实测值计算挠度/mm计算值/实测值06.8 06.8 11.0 07.2 01.0 617.8 07.0 00.9 27.2 00.9 21 07.9 77.7 90.9 87.3 90.9 22 08.2 78.0 70.9 87.8 30.9 3F S C B-25 08.5 98.5 41.0 08.4 80.9 51 0 09.7 09.0 60.9 39.0 90.9 01 2 59.7 29.2 70.9 59.3 70.9 21 5 01 0.0 79.4
25、 50.9 49.6 60.9 11 7 51 0.0 99.6 10.9 51 0.0 50.9 42 0 01 0.2 79.7 20.9 51 0.9 91.0 106.8 06.8 11.0 07.2 01.1 217.9 17.4 70.9 48.0 91.0 2F S C B-31 09.3 68.6 80.9 39.0 10.9 42 09.5 69.3 40.9 89.5 30.9 65 09.8 71 0.7 61.0 91 0.5 11.0 106.8 06.9 01.0 16.9 91.0 317.8 87.1 20.9 06.9 90.8 9F S C B-51 07.
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