Twin-PBL剪力键疲劳性能试验及有限元分析

2018-12-06姜天华王佳文

铁道建筑 2018年11期

姜天华，王佳文，黄雯，曹阳，王强

(1.武汉科技大学城市建设学院，湖北武汉 430065；2.湖北省城建设计院股份有限公司，湖北武汉 430051)

波形钢腹板组合箱梁是一种新型钢-混凝土组合结构，钢梁与混凝土板通过剪力连接件连接成整体并共同参与受力，发挥各自材料性能优势。PBL(开孔钢板)剪力键作为近些年使用率较高的连接件，具有承载力高、抗剪刚度大、延性好等优点，同时还具有较好的抗疲劳性能[1-4]。

目前，国内外学者针对PBL剪力键做了大量的静动载推出试验，但是由于缺乏对试验模型尺寸及推出试验方法的规范要求，导致同类试件的试验结果离散性较大[5]，更少有对Twin-PBL剪力键的疲劳性能进行研究分析。赵晨等[6]和Su等[7]以混凝土强度、钢板厚度及开孔直径、是否设置贯穿钢筋、贯穿钢筋直径等为变量进行PBL剪力键试验研究；Oguejiofor等[8]完成了70个PBL剪力键模型试验，并结合有限元分析分别讨论了不同参数对剪力键极限承载力的影响；张宁等[9]完成了2组10个单孔PBL剪力连接件的等幅疲劳推出试验；江祥林等[10]通过14个PBL剪力键推出试件静动载试验，分别拟合出荷载滑移曲线公式和失效概率为50%和2.3%时结构的疲劳寿命公式。

针对Twin-PBL剪力键的研究现状，本文设计并制作了5个推出试验试件，用以研究Twin-PBL剪力键的疲劳性能及破坏形式，以期得到其疲劳S-N曲线以及疲劳寿命之间的关系。

1 试验概况

1.1 试件设计

本文依托30 m双箱单室波形钢腹板预应力混凝土简支箱梁桥，在原剪力键的基础上按照相关系数和缩尺比为1∶2的原则共制作了5个试件，如图1所示。混凝土强度等级为C50，根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》[11]测试试验得到同期混凝土实测平均强度为52.36 MPa，相应的弹性模量为2.1×104MPa。开孔钢板的厚度10 mm、长280 mm、宽80 mm，钢材型号为Q235钢，开孔直径为30 mm，孔洞数为3个[12]。箍筋采用直径为6 mm的普通钢筋，贯穿钢筋采用直径为14 mm的HRB335钢筋。在钢板底部垫放30 mm厚的泡沫板，形成浇筑混凝土后的试件预留高度，见图2。

图1 Twin-PBL剪力键试件构造示意

图2 Twin-PBL剪力键尺寸(单位：mm)

1.2 试验加载及量测

采用PLU-100电液伺服结构疲劳试验加载系统，采用荷载控制。进行疲劳加载前，取试件Twin-PBL-0进行静力加载用以确定构件极限承载力Pu，并为疲劳加载幅值的选取提供参考。

预加载按照极限承载力Pu的20%进行，持荷5 min，确保各仪表读数正常。正式加载按照0.1Pu逐级加载，每加载一级测量相对滑移并采集应变数据。按照试验方案中0.1Pu～0.4Pu，0.1Pu～0.6Pu，0.1Pu～0.7Pu，0.1Pu～0.8Pu荷载幅值分别进行加载，加载周期达到10万，50万，100万，150万，200万次的时候停机进行静载试验，直至试件破坏。

采取三轴应变花形式来测试平面主应力方向。为评估不同荷载幅值下试件损伤程度，记录各停机周期荷载-滑移曲线，并追踪混凝土表面裂缝的趋势。

2 疲劳试验

2.1 破坏形态

试件Twin-PBL-1在0.1Pu～0.4Pu加载幅值下进行200 万次的疲劳加载，滑移量仅有0.663 mm，且对试件的承载力几乎没有影响，试件未进入疲劳损伤状态，钢腹板依然处于弹性工作状态，各测点的应力呈线性增长。随后进行静载破坏试验，其破坏形态与试件Twin-PBL-0的破坏形态基本相似，即底部三角区明显破坏，内置钢腹板凹槽出现裂缝，并逐渐扩散到表面，贯穿钢筋向上挤压变形等，整体呈脆性破坏。

试件Twin-PBL-2和Twin-PBL-3在疲劳加载过程中破坏模式相似，首先在剪力键下方的混凝土面出现细小斜向裂纹，在与钢腹板平行的混凝土面中上部出现斜向裂纹，与H型钢同侧的混凝土面上部出现横向斜裂纹。随着试验的进行，应变花陆续出现损坏，由2个主应力绘制的曲线见图3。可以看出第一孔测得应力较大，为主要疲劳承载孔。持续加载中裂纹逐渐扩展延伸，试件的混凝土裂缝贯通，试件上端面混凝土块与钢板连接处出现脱离，底部混凝土压碎，裂缝呈交错状。将试件沿破坏面剖开，混凝土榫与钢板交界处由于挤压造成混凝土破碎，3根贯通钢筋都在连接处受剪切力作用，发生弯曲变形，未发生断裂，钢腹板无明显变形。

试件Twin-PBL-4加载出现偏心破坏，疲劳次数应该为 1 275 次以上，抗疲劳性能较差。

图3 Twin-PBL-2应力曲线

2.2 疲劳损伤后的相对滑移

试件Twin-PBL-1至Twin-PBL-3在一定循环加载次数后得到荷载-滑移曲线，静力加载为400 kN。Twin-PBL-2试件幅值0.1Pu～0.6Pu荷载-滑移曲线见图4。

图4 Twin-PBL-2幅值0.1Pu～0.6Pu荷载-滑移曲线

加载初始，钢板孔洞、混凝土、贯穿钢筋3者之间不可避免会存在细微的孔隙，会随着荷载的增大逐渐压实，滑移量经快速增长到增长逐渐变缓，呈塑性发展阶段，当加载至400 kN(60%Pu)时，试件Twin-PBL-1至Twin-PBL-3的滑移量均为4.2 mm左右，说明材料之间的因素对构件的影响一致。

根据试件实际疲劳寿命比较发现：10万次疲劳荷载后的静载试验，疲劳荷载幅值为0.1Pu～0.7Pu的试件Twin-PBL-3的滑移量最大，为1.22 mm；50万次后，试件Twin-PBL-2比试件Twin-PBL-1滑移量大0.49 mm。可见，疲劳加载幅值越大，试件内部材料之间的压实度越高，进而对试件的损伤程度也越大。

3 有限元分析

为验证推出试验的准确性，结合有限元分析软件MIDAS/Fea进行仿真模拟。在疲劳处理中，设置材料的疲劳特性、荷载的加载函数以及应力类型。设置默认的无限寿命为200万次，210次/min的正弦波荷载幅，荷载加载函数选择周期为0.286 s的齿状波纹荷载幅对模型加载。Twin-PBL-3剪力键疲劳寿命分布见图5。

图5 Twin-PBL-3剪力键疲劳寿命分布(单位：次)

由有限元分析的应力云图可以清晰地看出，MIDAS/Fea中默认整体试件的疲劳寿命是混凝土块、剪力键和贯穿钢筋的疲劳寿命中最小值,即为混凝土三角区域的疲劳寿命 368 602 次，其所受应力占比2.4%。内置钢板凹槽部位的混凝土最早出现疲劳损坏，应力占比0.1%，疲劳次数仅为 247 575 次，而后扩展延伸至与钢腹板平行的混凝土块侧面。实际上只要侧面混凝土出现贯穿裂缝，结构就接近完全破坏，此时才是结构的损伤失效寿命。在混凝土开裂后结构失去承载能力时，内置钢腹板不会出现实质性的损伤。贯穿钢筋因为与混凝土块之间的相互作用而变形，变形量自上而下增大。0.3Pu荷载幅值对结构不产生实质性的疲劳损伤，0.5Pu，0.6Pu，0.7Pu荷载幅值对结构产生疲劳损伤，且幅度值越大就越易产生损伤。分析疲劳损伤位置与试验结果基本吻合。将有限元分析结果进行统计，各幅值作用下结构能承受的重复加载次数见表1。

表1 Twin-PBL剪力键疲劳分析结果

试件S-4加载中偏心效应较为严重，其结果相对于整体试验结果与有限元模拟结果的离散性较大，因此考虑逐个移除坏点分析数据。采用最小二乘法拟合得到lg ΔF-lgN曲线(图6)及荷载与寿命曲线方程。

图6 lg ΔF-lg N曲线

曲线1：

lgN=41.15-14.07 lg ΔFR2=0.564

(1)

曲线2:

lgN=19.42-5.42 lg ΔFR2=0.818

(2)

曲线3：

lgN=16.09-4.08 lg ΔFR2=0.935

(3)

式中：ΔF为疲劳荷载幅值，即荷载上限值与荷载下限值之差；N为推出试件在疲劳荷载作用下到破坏为止能承受的重复加载次数。

不移除坏点拟合的疲劳寿命公式(1)相关性系数为0.564，移除坏点(S-4)拟合得到的疲劳寿命公式(2)相关性系数为0.818，移除坏点(S-4和S-3)拟合得到的疲劳寿命公式(3)相关性系数为0.935。式(2)较式(3)代入计算结果与实测结果平均相对误差更小，其计算的结果可靠度更高。因此,Twin-PBL剪力键推出试件疲劳公式为：lgN=19.42-5.42 lg ΔF。