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

Due to unable to consider and calculate the effects of cumulative fatigue damage to structural technical state in design and evaluation theory of steel-concrete composite beam bridges, research on residual mechanical properties is carried out to explore its structural real carrying capacity and anti-deformation capacity at any time before fatigue life because of cumulative fatigue damage. Based on research results at member level, analytical model for the residual mechanical properties of structure is established by introducing degradation model of mechanical properties for related members into statics analysis process of structure. Then to adjust the theoretical analysis model by reduced scale test of the beams, and fit related parameters of the model through the experimental data. Then conducting analysis of experimental data to reveal the variations of structural mechanical properties under fatigue loading, such as bond - slip performance , flexural capacity, stiffness, long-time deformation. The research results will provide an effective supplement to the existing design concepts of composite beam bridges, promote research process of its life-cycle design theory，and provide theoretical basis for technical condition assessment and remaining life prediction.

目前，钢-混凝土组合梁桥设计和评估理论中无法考虑和计算疲劳累积损伤对结构技术状态的影响。针对此问题，开展对该桥型剩余力学性能的研究，探索结构由于疲劳损伤随使用时间延续而累积，在达到疲劳寿命之前任一时刻具有的实际承载能力和抵抗变形的能力。以构件层次的研究成果为基础，在结构静力学分析过程中，通过引入相关构件的力学性能退化模型，建立以时间和疲劳荷载为变量的结构剩余力学性能分析模型。然后通过梁的缩尺试验调整理论分析模型，并通过试验数据拟合相关参数。通过实验数据分析，揭示疲劳荷载作用后结合面处粘结-滑移性能、抗弯承载力、刚度、长期变形等结构力学性能的变化规律。课题研究成果能够较好的补充组合梁桥现有的设计理念，推动其全寿命设计理论的研究进程，并为既有组合梁桥的技术状态评估和剩余寿命预测提供理论基础。

循环荷载作用后的结构剩余力学性能是结构整体力学性能的重要组成部分，为研究并掌握结构全寿命期内钢-混凝土组合梁桥力学性能的动态变化特征，针对既有组合梁桥设计和评估理论中无法定量考虑疲劳累积损伤对结构技术状态影响的问题，开展对该桥型运营后期的剩余力学性能的研究，探索结构在疲劳荷载作用下由于损伤累积导致的力学性能退化规律，以及在达到疲劳寿命之前任一时刻具有的实际承载能力和抵抗变形的能力。.首先，从构件层面入手，以抗剪连接件为主要研究对象，选用工程中最具代表性的栓钉连接件与PBL连接件，制作标准推出试件，进行静载破坏、疲劳破坏及循环加载后的剩余力学性能试验。在试验结果的基础上，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，建立了考虑力学性能退化的栓钉时变荷载-滑移本构模型；基于疲劳累积损伤理论和材料剩余强度理论，提出循环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。.其次，在结构层面，通过梁式缩尺试验研究，分析不同循环加载次数后，钢-混凝土组合梁抗弯刚度的变化特征。基于疲劳刚度退化模型，建立组合梁挠度和剩余抗弯刚度关于时间和疲劳荷载的动态分析模型。同时，从材料剩余强度衰减的全过程出发，考虑混凝土、钢梁及抗剪连接件的退化规律，将这些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中，然后通过定量的梁式试验数据对比分析，建立组合梁一定循环加载次数后的剩余承载力计算模型，并开发了相应的计算分析软件。.最后，基于不同抗剪连接程度下钢-混凝土组合梁的静力和疲劳试验，建立了在静力荷载作用下考虑界面滑移与剪切变形的组合梁挠度解析计算方法和循环荷载作用下不同抗剪连接程度的组合梁疲劳寿命预测方法。