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原文传递基于疲劳累积损伤效应的钢-混凝土组合梁桥剩余力学性能研究

论文题名：	基于疲劳累积损伤效应的钢-混凝土组合梁桥剩余力学性能研究
关键词：	组合梁桥;钢材;混凝土;剩余承载力;疲劳损伤
摘要：	引起钢-混凝土组合梁桥力学性能退化主要有两方面原因，一是由于车辆等反复荷载作用产生的疲劳积累损伤导致组成材料的劣化及抗剪连接件工作性能的退化;二是由于混凝土开裂、结合面密实性能不好等因素造成渗水和碳化，进而引起抗剪连接件发生锈蚀或初始锈蚀导致组合作用弱化。鉴于此，本文结合国家自然科学基金项目“基于疲劳累积损伤效应的钢-混凝土组合梁桥剩余力学性能研究”(51278119)，以钢-混凝土组合梁为研究对象，采用试验研究与理论分析相结合的方法，从构件层面和结构层面两个角度进行研究，共完成了20个推出试件、10片试验梁的静力和疲劳试验，以及6片试验梁的锈蚀疲劳试验。在此试验基础上，进一步探索该结构初始静力学性能在疲劳荷载作用下的动态变化问题，揭示其在锈蚀、疲劳等荷载作用下结合面处粘结-滑移性能、抗弯承载力、刚度、长期变形等力学性能的变化规律。主要研究内容和结论如下: 　　(1)抗剪连接件疲劳荷载作用后的剩余力学性能研究　　选择目前工程上最常用的栓钉连接件和PBL剪力连接件作为研究对象，通过标准推出试验研究其抗剪承载力、抗剪刚度等力学指标在承受疲劳荷载作用后的变化规律，结果表明:在疲劳荷载作用下，栓钉和PBL推出试件的各项剩余力学指标均呈非线性退化;相比PBL连接件而言，栓钉连接件的承载力、抗剪刚度退化效果更为明显;PBL连接件的延性系数远大于栓钉连接件，表现出更好的延性。　　(2)抗剪连接件剩余承载力计算模型和荷载-滑移模型　　在对栓钉和PBL两种连接件推出试验结果统计分析的基础上，基于二元疲劳失效判据和材料剩余强度理论，提出疲劳荷载作用下栓钉连接件抗剪承载力幂指数退化模型;利用弹性地基梁法分析PBL连接件循环荷载作用下的受力状态，计入疲劳累积损伤效应对其承载力的折减，推导得到了PBL连接件疲劳后的剩余承载力计算模型。同时，以栓钉连接件为例，基于数值拟合方法得到栓钉连接件各关键指标的退化规律及相关参数，并结合简化的三阶段荷载-滑移模型函数，建立了疲劳荷载作用下考虑力学性能退化的栓钉荷载-滑移模型。　　(3)钢-混凝土组合梁疲劳荷载作用后的剩余力学性能研究　　通过梁式缩尺试验，研究设置不同抗剪连接件的组合梁在疲劳荷载作用下剩余承载力、抗弯刚度、粘结滑移性能等一系列力学指标的变化规律。结果表明:栓钉试验梁疲劳后的破坏模式由跨中混凝土压碎破坏转为栓钉剪断，由于其抗剪强度的退化，导致其先于组合梁发生破坏，因而在设计中，应重视对栓钉的疲劳强度验算，以确保不发生栓钉疲劳破坏。PBL试验梁在疲劳荷载后表现出较少的承载力退化、较少的残余挠度累积、更少的相对滑移增长以及更小的掀起数值。　　(4)钢-混凝土组合梁疲劳荷载作用后的剩余刚度和剩余承载力计算方法研究　　在梁式试验结果的基础上，基于有效惯性矩理论，定义结构刚度，同时引入疲劳作用下的刚度退化函数，并用试验实测刚度进行拟合及验证，建立了栓钉组合梁挠度和剩余抗弯刚度随循环加载次数的退化规律计算模型。从材料剩余强度衰减的整体过程出发，考虑混凝土、钢梁及抗剪连接件的退化规律，将三者的非线性损伤模型引入钢-混凝土组合梁桥抗弯承载力的计算过程，然后通过定量的梁式试验数据对比分析验证，建立了组合梁一定循环加载次数后的剩余承载力计算方法，开发了相应的计算分析软件，并用该方法对一实桥算例进行了计算分析。　　(5)疲劳荷载下具有锈蚀连接件的钢-混凝土组合梁的力学性能试验及退化规律研究　　通过电化学加速锈蚀试验对组合梁的抗剪连接件（栓钉和PBL连接件）的锈蚀问题进行模拟，进而对不同锈蚀程度的组合梁进行疲劳加载，研究组合梁在锈蚀与疲劳两种荷载共同作用下的力学性能退化规律。结果表明:在锈蚀和疲劳共同作用下，两种试验梁的剩余承载力、残余挠度、相对滑移量等一系列力学指标均随着失重率的增加而发生了不同程度的退化。无论是栓钉还是PBL的锈蚀对组合梁整体性能的削减作用均很明显，特别是在与疲劳荷载共同作用下，这种衰减呈加速趋势，建议在实际组合梁设计中需对组合梁交界面处及抗剪连接件采取一定的防腐措施，同时应适当提高抗剪连接件的布置数量以确保桥梁的正常使用性能。
作者：	汪炳
专业：	土木工程；桥梁与隧道工程
导师：	黄侨
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文