型钢混凝土梁疲劳性能与损伤机理及设计理论研究

研究"型钢混凝土（SRC）梁高周疲劳性能与损伤机理及设计理论"既是这种新型钢-混凝土组合结构更广阔应用场合和条件下的耐久性需要，也是结构工程学科基础理论发展的要求。研究内容和关键的科学问题是：（1）SRC梁高周疲劳全过程的性能与机理，SRC梁中型钢、钢筋、混凝土、栓钉剪力件等各组成部分的相互联系与效应，与型钢梁、钢筋混凝土梁等其它梁疲劳性能上的异、同性；（2）SRC梁各组成部分的疲劳裂纹形成、扩展规律与机制，疲劳裂纹扩展模型的数值化计算理论与方法；（3）SRC梁疲劳强度设计理论与准则。本项目改变以往结构疲劳"完全依赖试验、数理统计回归"的研究方法，遵循"辅助适量试验、强化分析预测"的学术思想，特别强调应用断裂力学原理与数值模型的分析方法去揭示SRC梁疲劳性能的机理和参数效应，获得循环应力、疲劳裂纹尺度、寿命三者之间的内在关系，发展钢－混凝土组合结构疲劳学科的理论分析水平。

本课题的主要研究内容和关键科学问题是：（1）H型钢-钢筋混凝(SRC)梁循环受弯过程的疲劳性能与机理，SRC梁中H型钢、钢筋、混凝土、栓钉剪力件等各组件的相互联系，与型钢梁、钢筋混凝土梁等其它梁疲劳性能上的异同性；（2）SRC梁各组件的疲劳裂纹形成、扩展规律与机制，疲劳裂纹扩展模型的数值计算方法；（3）SRC梁疲劳强度的计算理论与准则，SRC梁疲劳受损后的修复、碳纤维加固方法和性能。.研究工作得到如下结论：.（1）在循环荷载作用下，发生疲劳破坏之前SRC梁各组件能很好地共同工作，挠度能满足使用要求，混凝土裂纹宽度都在0.2mm以内。.（2）SRC梁疲劳破坏过程是：H型钢在受拉下翼缘首先出现裂纹，然后裂纹沿翼缘宽度和腹板高度扩展，之后受拉钢筋疲劳断裂，受压混凝土压酥剥落，至此SRC梁丧失承载力。SRC梁疲劳破坏过程具有H型钢梁与钢筋混凝土梁两者疲劳破坏合成的特点。.（3）H型钢受拉翼缘出现疲劳裂纹的位置有3种情况，按照疲劳强度从低到高的顺序是：（a）裂纹出现在栓钉的焊趾，（b）出现在翼缘与腹板的角焊缝的趾部，（c）出现在钢材加工缺陷处。H型钢受拉翼缘断裂是SRC梁疲劳破坏的标志。.（4）在低配筋率情况下含钢率高的SRC梁疲劳强度要高于含钢率低的SRC梁，但在高配筋率情况下含钢率对疲劳性能的影响效应不显著。在低含钢率情况下高配筋率的SRC梁疲劳强度略微高于低配筋率的SRC梁，但在高含钢率的情况下配筋率没对SRC梁的疲劳寿命产生显著影响。.（5）SRC梁的疲劳强度高于具有相同构造细节的纯钢梁的疲劳强度。H型钢受拉翼缘设置栓钉会降低SRC梁的疲劳强度，应避免。采用K型熔透焊接或者轧制的H型钢，有助于提高SRC梁疲劳强度。.（6）应用Beach Marking检测方法清晰地观测到了H型钢疲劳裂纹的形成与扩展路径，并获得了裂纹扩展速率与应力强度因子幅∆K的关系式。.（7）建立了基于断裂力学原理的SRC梁疲劳寿命有限元数值模型，分析表明疲劳寿命大多数花费在小裂纹的扩展阶段，当裂纹深度达到H型钢板厚的50%之时，已消耗了总疲劳寿命的90%，受拉钢筋在H钢梁受拉翼缘裂纹贯穿板厚前已疲劳断裂，这些特性与试验结果基本吻合。.（8）提出了按照SRC梁内H型钢受拉翼缘应力幅值、应用试验数据统计回归的S-N曲线来验算SRC梁疲劳强度的理论和方法；提出了疲劳损伤后的SRC梁修复及碳纤维加固方法。