组合梁疲劳后的刚度退化规律及计算模型(2)
图3 试验梁破坏模式Fig.3 Failure mode of test beams
从表1可以看出,对于部分疲劳破坏试验,试验梁的破坏模式与循环加载次数密切相关,随着加载次数的增加,破坏模式从静载破坏模式逐渐转变成完全疲劳破坏模式。在不断的疲劳荷载作用下,栓钉连接件出现了损伤,这导致组合梁由完全抗剪连接到部分抗剪连接的转变,因此带来了破坏模式的不同。因此组合梁结合面的抗剪连接程度对刚度的性能具有重要影响。
2.2 试验结果分析
2.2.1 荷载-挠度曲线
荷载-挠度曲线可直观反映加载过程中梁式结构刚度、承载力等力学性能的变化状况,在试验中是一项重要测试内容。图4给出了静力破坏和部分疲劳破坏试验梁的荷载-跨中挠度曲线。从图中可以看出,随着疲劳加载次数的增加,组合梁的各项力学性能包括极限承载力、线弹性阶段的刚度以及延性均表现出降低。
图4 荷载-跨中挠度曲线Fig.4 Load-mid-span deflection curve
为进一步对比不同试验梁之间在不同疲劳加载次数后的剩余刚度退化情况,首先根据材料力学基本原理,利用梁在外荷载条件下的挠曲线方程,可反算得到组合梁的抗弯刚度B表达式
式中:α为组合梁的挠度系数;M为组合梁跨中截面弯矩;L为组合梁计算跨径;f为组合梁挠度。
由于在本试验中试验梁为跨中集中力加载,边界条件为简单支承,因而可根据式(1)进一步推得在疲劳加载中组合梁随加载次数变化的时变刚度计算公式
式中:fn为每次加载到疲劳上限时的挠度;P为与挠度fn相对应的荷载,即P=Pmax=0.6Pu=136 kN。
图5给出了不同次数疲劳循环作用后试验梁SCB-1与SFCB-1~SFCB-4剩余静力刚度的对比。
从图5中可知,随疲劳加载次数的增加,试验梁剩余静力刚度大体呈下降趋势,且下降幅度较大,如试验梁SFCB-4在经历了200万次疲劳加载之后,其剩余刚度较SCB-1下降了26.7%。这里需要指出的是,试验梁SFCB-1的刚度在疲劳加载50万次后较SCB-1反而提高了1.8%,这可能是由于该试件疲劳加载次数较少,而导致其他影响因素(设备测量误差、试件加工误差、材料不均匀等)“掩盖”了试验梁SFCB-1本就不显著的刚度退化情况。
图5 疲劳循环后剩余静力刚度Fig.5 Residual static stiffness after fatigue cyclic loading
2.2.2 残余挠度
在试验梁疲劳加载过程中,当经历了一次循环次数后,停机卸载进行一次试验梁的挠度测量,此时将梁体不可恢复的挠度定义为试验梁的残余挠度。试验梁的残余挠度可认为是其刚度退化的直观表达,因其直接反映了试验梁内部的损伤发展情况[12]。图6给出了5个试验梁跨中残余挠度的变化曲线。
图6 跨中残余挠度增长曲线Fig.6 Residual mid-span deflection growth curve
由图6可知,试验梁的残余挠度变化呈典型的三个阶段变化,分别是极速增长阶段、平稳增长阶段以及快速增长阶段。具体来看,在疲劳加载初期,残余挠度极速增长,各片试验梁的挠度增长值均达到1.2 mm以上,究其原因可能是因加载初期钢梁、混凝土板以及栓钉之间接触不密实,存在塑性压缩所致。第二阶段为平稳增长期,在此阶段试验梁的残余挠度平稳且缓慢增长。第三阶段为在疲劳加载次数接近于梁疲劳寿命时,梁的残余挠度再次快速增长。试验梁SFCB-1~SFCB-3加载次数未达其疲劳寿命,因此仅表现出两阶段。
2.2.3 相对滑移
相对滑移的大小是反映组合梁组合效果的重要指标,同时也影响梁整体刚度变化的一大因素。在疲劳荷载作用下,相对滑移量也如残余挠度一样会不断累积,累积增长情况也和残余挠度较为一致,呈现明显的三阶段特征,如图7所示。
图7 试验梁相对滑移增长曲线Fig.7 Relative slip growth curve of test beam
2.2.4 疲劳过程刚度退化情况
为进一步分析各试验梁在疲劳加载过程中刚度的退化情况,由式(2)计算了试验梁FCB-1及SFCB-1~SFCB-4在不同循环次数下对应的组合梁刚度值,如图8所示。
由图8可知,所有试验梁的刚度均随着疲劳加载次数的增加而退化,且大致退化规律较为一致,呈现为“S”型。当加载至200万次时,试验梁SFCB-4和FCB-1的刚度仅为初始的73.8%和76.2%,退化程度明显。需要指出的是,每根试验梁的初始刚度略有不同,这是试验梁制作过程及试验过程引起的误差造成的,不过基本稳定在8 MN·m2左右。
图8 SFCB-1~SFCB-4与FCB-1刚度退化规律Fig.8 Residual stiffness change rules of SFCB-1-SFCB-4 and FCB-1
文章来源:《桥梁建设》 网址: http://www.qljszzs.cn/qikandaodu/2021/0619/848.html
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