组合梁疲劳

组合梁疲劳性能的研究概述

钢-混凝土组合梁的疲劳问题在组合梁应用的初期并没有引起足够的重视，在设计中往

往只考虑静力而忽略疲劳荷载的影响。一方面是由于采用的设计值偏于安全，另一方面是由

于组合梁尚处于疲劳加载的初级阶段，远未达到其疲劳寿命，因此疲劳荷载对结构造成的影

响不是很明显，但随着组合梁应用范围的不断发展，其疲劳问题日益突出，对此问题的研究

也越来越完善。

1.1 剪力连接件疲劳问题研究的发展

组合脸的疲劳问题和梁内栓钉的疲劳问题始终是分不开的。为了研究方便，把二者

分开加以讨论。栓钉是把混凝土板和钢梁连接成整体保证其协同工作的关键构件，也是

组合梁抗疲劳的重要因素。在保证焊接质量的前提下，组合梁的疲劳破坏在很多情况下

也是由栓钉的剪切破坏造成。其疲劳强度及疲劳寿命的确定主要依靠推出实验。

1.1.1 1966~1967年Slutter 及Fisher 等对栓钉及槽钢连接件及疲劳试验

实验证明，栓钉与槽钢连接件的疲劳发生在焊缝区，剪应力幅

式中:

为连接件的最大和最小剪应力；

n 为循环次数

1.1.2 1982年日本大阪理工教授S.AKAO 和A.KURITA 进行了推出疲劳试验

该实验考虑了混凝土浇筑位置对栓钉疲劳的影响，并考虑了钢梁和混凝土板的自然

粘结作用，与实际构件的手里比较接近；疲劳公式由于采用了失效概率的计算方法，

于整个工程结构计算的是小概率的方法保持了一致。 起计算公式为

式中

P=1.0-exp{-} ~N关系 P:效率概率 x ：偏差 a ，b 为

m 为形状系数。

1.1.3 1986年爱尔兰cork 大学D.J.Oehlers 和英格兰C.G.Coughlan 研究了受单向循环和反

向循环加载的推出实验数据，研究显示每次疲劳循环加载引起的残余滑移应变变

形量（mm ）可由下式得到：

=1.70

式中R 代表作用在栓钉上的重复荷载幅值

疲劳破坏滑移量约为栓钉直径的三分之一，大部分变形为不可恢复变形。混凝土的强度

影响着栓钉的刚度，混凝土强度越高，栓钉工作的刚度越大。

1.1.4 1990年郑州工学院进行了10个推出试件和两根亚型钢板组合梁得疲劳试验

=2.02-7.05 表示作用于单个栓钉上的剪力幅，表示栓钉静力抗剪承载式中

表示理论疲劳寿命，了。

并建议对焊缝情况进行质量检查，还应考虑栓钉计算长度由于焊接引起的缩短，

其量约为3mm ，承受动荷载的组合梁跨高宜在10以内。

1.1.5 1990年Hiokazu 等总结了包括自己的179个静态试验数据和145个疲劳试验数据，

采用回归分析的方法得到了栓钉疲劳强度的计算公式，如下式所示：

R/=1.28

表示按回归法得到的栓钉承 R 表示作用在栓钉上的剪力幅，N 表示循环次数，

载力，计算式如下：

=30 和分别为栓钉高度和直径，表示栓钉的面积，为混凝土圆柱体抗压强度。 从上面的疲劳强度计算公式可以看书栓钉的疲劳强度不仅与混凝土强度有关，而且还与栓钉的直径和高度有关

1.1.6 以往学者对栓钉连接件特征的研究主要集中在弹性疲劳上。在这种情况下疲劳抗力主要依赖于剪力范围而受栓钉的剪力上限影响较小，因此实验研究通常只限于承受单向加载的情况。

1996年意大利乌迪内大学的两位学者专门研究了承受双向循环加载的情况，此种情况下栓钉的变形可能超过弹性范围进入屈服状态。研究得到如下结论：

（1） 使用柔性连接件的大跨度组合梁再重复荷载作用下会受到反向重复剪力的作用

在这种情况下，由标准的推出实验得到的结果具有一些局限性和不准确性。

（2） 在每个家在循环过程中划一的增量经历一段时间的重复加载后逐渐趋于常量。

（3） 反向循环加载使得每次加载的滑移增量加大，从而造成的破坏发展迅速。

并提出相对于完全剪力连接的梁来说，部分剪力连接梁的滑移无明显不同。根

据纵向剪力计算布置抗剪栓钉的滑移较小，而在均匀布置抗剪栓钉的梁相对滑

移量则相当大。因此采用部分剪力连接件对承受重复荷载作用的组合梁来说并

非是个不合理选择，在特殊情况下更经济适用。

1.1.7 澳大利亚Monash 大学Geoff Taplin和Paul Grundy对称循环加载与单向循环加载作用下栓钉累计滑移的研究

研究表明，单调荷载作用下的滑移对于组合梁的受力性能并非完全不利；由于滑移可以提高栓钉的延性，从而使极限状态下的荷载重分布；而对于重复荷载作用，滑移可使组合梁的承载能力下降多达47%，即为静态破坏荷载的53%，对称循环加载下亮的滑移增长率比单向循环加载下梁的滑移增长率要快，并给出了滑移增长率公式。

1.1.8 英国Warwick 大学教授Roger P .Johnson 在总结前人研究的基础上给出了直径为d 的栓钉疲劳抗力计算式

N 式中：N-表示疲劳寿命

-表示 单个栓钉所受的剪力幅值

时允许剪应力范围为=95. 对于轻骨料混凝= 由此式可以得到当疲劳寿命为土，此值随密度成比例减小。

1.1.9 铁道部大桥工程局和长沙铁道学院于1996-11—1999-10进行了芜湖桥组合梁（及

组合梁）的实验研究

研究了8个

下结论：

（1） 栓钉的疲劳寿命主要取决于剪应力幅，而剪应力最小值的大小对疲劳的影 和7个共15个推出实件在不同荷载幅下的朴老师眼，得出如

响是次要的；

（2） 疲劳破坏主要有三种情况：焊缝处母材被栓钉撕下一块；栓钉焊缝半边拉脱母

材；栓钉靠近焊缝处撕开；

（3） 建议栓钉的疲劳寿命N 与剪应力幅

1.2 组合梁疲劳问题研究的发展概况

组合梁的疲劳问题随着组合梁应用的不断发展而日益突出，对其研究也越来越完善。

1.2.1 1990年日本名古屋的Misuaki lzuml和Noriki Yamadera对钢筋混凝土梁（RC ）及钢

筋混凝土内包刚亮的组合梁（SRC ）受弯疲劳的研究

研究结论如下：

（1） SRC 梁的破坏是钢梁的疲劳引起的，也就是说钢梁的疲劳强度比混凝土板内的钢筋

低；

（2） 反复应力作用下刚进的极限江都为110MPa ，而钢梁的极限强度为102MPa ；

（3） 梁RC 和梁SRC 的裂缝数量和裂缝宽度差别很小。

1.2.2 1990年日本大阪大学的S.Matsui 、T.Moon 和Y.Eukumoto 为了使组合梁内栓钉的受力更好地符合实际情况，使用力一台模拟汽车车轮转动的疲劳加载设备

研究发现混凝土板内栓钉并非像普通加载设备引起的受剪栓钉仅仅在纵向弯曲，还有许多栓钉向梁的横向弯曲。原因是车轮引起的栓钉剪力方向不断绕栓钉杆身转动、而不象普通加载设备引起的栓钉剪力方向保持不变。

1.2.3 1995年Marylang 大学土木工程系教授Predro 、结构工程师Wulin LI和Arizona 大学土木系副教授Hamid Saadatmanesh 共同研究了预应力钢-混凝土组合梁的疲劳强度问题

在两个加载点部位钢梁下翼缘即受拉翼缘焊了一块钢板—构建特意设计成使破坏从覆盖板的两个端头焊接处开始发生，而施加预应力的钢绞线和传递剪力的栓钉始终保持正常工作。覆盖板端部钢梁受拉翼缘的最小与最大应力比为R=/分成两种情的计算关系。 况：翼缘应力反向实验时 R=-1和翼缘应力从零到受拉实验时 R=0;施加的荷载使不同试验梁的该处翼缘产生3个大小不同的名义应力范围。得到的覆盖楼板疲劳寿命的计算公式如下：

R=0,

R=-1

=16.2584-4.9522 =17.2678-5.7483

最后得出结论：焊接质量越高，疲劳强度越高；相同应力幅情况下，R=-1比R=0

的疲劳强度要大；应力幅越低，疲劳强度越高。

1.2.4 南非 Witeatersrang 大学的G.J.Krige & J.Mashachi通过实验分析了承受跨中一点集中荷载和承受跨中两点集中荷载作用的两种情况的压型钢板组合梁的动态性能。

实验研究表明，荷载幅度越大组合梁的疲劳性能越差。当荷载上限超过极限承载能力的50%时，组合板无法承受任何幅度的疲劳荷载，因此建议疲劳荷载上限不要超过极限承载能力的50%，最后通过限制疲劳荷载来实现达到预期疲劳寿命的目的。

1.2.5 1996年英国Warwick 大学的教授R.P .Johnson 和阿德莱德大学的D.J.Oehlers 总结了总计491个推出时间的实验结果，并且比较分析了“欧洲规范3”和英国规范BS5400对组合梁疲劳寿命的规定，得到如下的组合梁疲劳强度计算公式：

=K[1-(/)] 式中：表示疲劳寿命，m 表示剪应力指数，由实验数据分析取m=5.1，表示栓钉的平均静态承载力，表示剪力或剪应力幅的上限，K 为常数，按下式计算：

=3.12-0.70

式中表示发生疲劳破坏的栓钉个数。

以往的文献包括各国规范大都只考虑应力幅对组合梁疲劳寿命的影响，而忽略了相对赖斯说影响较小的荷载大小，从这个角度来说，同时包含应力幅和应力上限上述公式则考虑的更全面一些，从而也更合理一些。

1.2.6 台湾新竹大学教授J.Y.Richard 、Yiching Lin 和M.T.Lai 于1997年进行组合梁疲劳荷载试验。

采用四种形式的构件:完全抗剪钢筋（混凝土板中钢筋）组合梁（AF ）、80%部分抗剪钢筋组合梁（AP ）、完全抗剪钢绞线组合梁（BF ）和80%部分抗剪钢绞线组合梁（BP ）, 用以比较器疲劳性能。

实验结果发现组合梁的疲劳破坏不是由于混凝土板的纵向劈裂造成的，这与静力试验不同。所有梁在超过200万次的加载循环后都未发生疲劳破坏，于是改用静力加载直至梁破坏并测得残余变形，建议使用完全抗剪连接。板的配筋形式对梁的疲劳性能 有十分重要的影响。钢绞线组合梁显示了比钢筋组合梁更好的抗疲劳性能。综合评价四个构件，BF 性能最好，依次为BP ,AF 和AP 。最后用回归方法得出疲劳计算公式，计算公式略。

该实验是在总结前人研究的基础上进行的，所以实验成果比较具有代表性。由于采用计算机自动控制，进行了大量构建的实验，实验结果相对比较精确。疲劳计算公式是根据荷载大小得出的，但是该实验疲劳荷载上限始终在经历范围以内，所以疲劳计算应主要由疲劳荷载范围算出。

1.2.7 意大利乌迪那大学的副教授N.Gattesco 、布雷沙大学的教授E.Giuriani 和副教授

A.Guiuriani 考虑部分建立连接组合梁的特殊性，进行了相应的实验研究。

他们认为，传统的“荷载——疲劳寿命”方法只适合于处于弹性状态下的结构，而对于承受低循环疲劳荷载的大跨度部分剪力连接的组合梁来说，由于混凝土板和钢梁的相对滑移有可能使连接件产生非弹性变形。因此建议在这种情况下用“应变——疲劳

寿命”方法来代替传统方法。由本实验数据可以看出，疲劳寿命随最大滑移值增大而迅速降低。该实验研究填补了组合梁疲劳寿命的一个空白，对后来这方面的研究起到了指导作用。在大多数规范规定桥梁必须使用完全抗剪连接件的情况下，该实验研究对比较经济的部分抗剪连接的推广应用产生了积极的影响。

1.2.9 英国的Rogei Buckby 和Martin Ogle 等对栓钉连接件进行了研究，认为采用栓钉连接件是提高组合梁疲劳寿命的一种经济有效的方式。

建议对于安装在混凝土强度等级为37.5MPa 和25~35mm厚的钢翼缘上的直径20mm 的重型栓钉连接件采用如下的设计标准：

（1） 栓钉连接件的名义静力强度

（2） 疲劳承载力设计值可通过下面的关系得到：

=14.767_6.1

1998年英国威尔士大学的T.M.Roberts &O.Dogan对箱型钢梁内包混凝土组合梁进行了实验研究，栓钉在箱形钢梁内部shangxia 翼缘都有布置。

实验结果表明，评估组合梁内栓钉的疲劳寿命时，“欧洲规范3”偏于保守，同时梁内的栓钉疲劳性能要好于同样条件下推出时间的疲劳性能。

1.2.10 福州大学土木工程学院的宗周红和西南交通大学土木工程学院的车惠民于1999年在国内首次对预应力钢—混凝土组合梁的疲劳性能进行研究，dechuruxiajielun ；

（1）由于施加预应力，钢梁的应力循环转化为压应力循环或拉压应力循环，从而增强钢梁的疲劳强度；

（2）疲劳阶段由于相对滑移的存在使得混凝土板的内力向钢梁重分布，导致正弯矩区截面刚度下降，而副弯矩区截面刚度提高；

（3）在预应力连接组合梁中由副弯矩区混凝土控制疲劳设计。

1.2.11 韩国汉城国立大学的博士生C.S.Shim 和J.H.Kim 于2000年进行了预制板组合梁的疲劳试验

预制试件是根据BS5400制作的。实验结果发现疲劳荷载引起的残余滑移使梁剪跨段的连接件产生了荷载重分布现象，者可以假定连接件是以平均抗力破坏的，从而剪跨段连接件的布置可以相同，他们由推出实验得到预制板栓钉的剪应力范围R 和静力强度

=1.51117

同时由荷载—滑移曲线得到了疲劳荷载引起的残余滑移计算式：

式中a ，b 是由相应构件决定的常数。

该实验采用的预制板构件符合当代工程的发展趋势，实验成果具有较高的实际应用价值。疲劳计算是同时考虑了荷载范围和荷载大小两个因素，比以前绝大多数研究只考虑其中一方面尤其是何在范围又前进了一步。同时还给出了疲劳滑移计算式，比以前研究只给出滑移曲线更为全面。

1.2.12 2000年英国Warwick 大学的R.P .J.ohnson 再次总结了之前许多有代表性的研究成果以及国际上流行的集中规范的最新规定，采用欧洲模式，建议组合梁疲劳寿命的

计算式如下：

=16.4

上式与以前给出的公式不同之处主要在于不再考虑疲劳荷载上限的影响，从而计算更为简洁。其中常数m 的取值也有变化，从m=5.1增加为5.5. 建议疲劳荷载引起的栓钉最大剪力不得超过其静态极限承载力的60%

2 结论

重复荷载的反复作用对组合梁的受力性能有很大影响，其中包括钢梁与混凝土板之间的相对滑移增加，造成组合梁截面刚度下降，挠度增长，极限承载力降低。在这种情况下，除静力计算外，需要单独考虑疲劳荷载作用的影响，主要包括两个方面：一方面是从组合梁正常使用阶段的适用性考虑疲劳刚度与疲劳挠度的计算；另一方面是从耐久性的角度考虑疲劳寿命估算。对于经受疲劳荷载的组合梁的极限承载力，由于无法准确知道组合梁发生疲劳破坏的时间，因此也无法在在疲劳破坏发生前的一刻测得其数值，而疲劳破坏一旦发生，则梁的承载力迅速下降，这些都给极限承载力的研究带来困难。出于安全考虑，对于发生疲劳破坏的组合梁可仅按照纯钢梁的极限承载力计算。

影响组合梁疲劳性能的因素很多，诸如混凝土强度等级、疲劳荷载上下限及荷载幅度、焊接质量等等，最主要的还是疲劳荷载的幅度。在其它条件相同的情况下，荷载幅越大，组合梁的疲劳性能下降越快，疲劳寿命也越短；荷载幅越小，组合梁的疲劳性能下降越慢，疲劳寿命也越长。