疲劳荷载下型钢混凝土梁梁连接节点弯剪破坏机制研究

At present, steel reinforced concrete (SRC) structures have been applied in the railway floors of high-speed railway stations and heavy-haul railway bridges. Under repeated train loads, SRC beam-to-girder joints become weak links prone to fatigue failure because of complex constructional details and internal forces. Bending-shear fatigue behavior of SRC beam-to-girder joints will be emphatically investigated. It is need for SRC structures to be used in wider applications, and it is also required for fatigue analysis theory development of complicated structures. First, internal force distribution, transfer and interaction laws of component elements (i.e. concrete, reinforcement, H-shaped steel) in girder, beam and joint region are revealed by fatigue tests. Fatigue crack initiation and propagation form is monitored. Bending-shear fatigue failure modes of joints are analyzed. Then, according to certain fatigue failure mode of joints, crack growth rate tests of standard samples corresponding to related component elements are conducted. Numerical model of fatigue crack propagation and life analysis is built based on principles of fracture mechanics. Finally, the effects of main parameters such as constructional details in joint region, shear span ratio of SRC girder or beam are analyzed by the numerical model. Bending-shear fatigue failure mechanism of joints is revealed and provides basis for fatigue design of joints. It is emphasized to adopt the combined analysis method of principles of fracture mechanics and numerical model based on moderate fatigue tests in the research project. The method has important implications for improving fatigue theory analysis level of composite structures.

目前型钢混凝土（SRC）结构已推广应用于高铁站轨道层及重载铁路桥梁中，在列车荷载反复作用下，SRC梁梁连接节点因其构造及受力复杂成为易于发生疲劳破坏的薄弱环节。本项目着重研究SRC梁梁连接节点的弯剪疲劳性能，是SRC结构应用到更广阔场合的需要，也是复杂结构疲劳分析理论发展的要求。通过疲劳试验揭示节点主梁、次梁及节点区各组件（混凝土、钢筋、型钢）内力分配、传递及相互影响规律，监测疲劳裂纹形成与扩展形态，分析节点弯剪疲劳破坏模式；然后根据节点疲劳破坏的具体模式，开展相关组件标准试样的裂纹扩展速率试验，基于断裂力学原理建立节点疲劳裂纹扩展与寿命分析的数值模型；再应用数值模型分析节点区构造细节、主次梁剪跨比等主要参数效应，揭示节点弯剪疲劳破坏机制，为节点的疲劳设计提供依据。本项目注重在适量疲劳试验的基础上，强调采用断裂力学原理与数值模型相结合的分析方法，对提高组合结构疲劳的理论分析水平有重要意义。

目前型钢混凝土（SRC）结构已推广应用于高铁站轨道层及重载铁路桥梁中，在列车荷载反复作用下，SRC梁梁连接节点因其构造及受力复杂成为易于发生疲劳破坏的薄弱环节，本项目系统研究了SRC梁梁连接节点的弯剪疲劳性能和疲劳破坏机制问题。项目主要研究内容有：（1）通过疲劳试验揭示节点主梁、次梁及节点区各组件（混凝土、钢筋、型钢）内力分配、传递及相互影响规律，监测疲劳裂纹形成与扩展形态，分析节点弯剪疲劳破坏模式；（2）根据节点疲劳破坏的具体模式，开展相关组件标准试样的裂纹扩展速率试验，基于断裂力学原理建立节点疲劳裂纹扩展与寿命分析的数值模型；（3）应用数值模型分析节点区构造细节、主次梁剪跨比等主要参数效应，揭示节点弯剪疲劳破坏机制，为节点的疲劳设计提供依据。项目取得的重要成果及数据有：（1）通过疲劳试验得到了节点主梁、次梁及节点区关键部位各组件的变形发展规律，监测得到了疲劳裂纹形成与扩展形态，掌握了节点的弯剪疲劳性能；（2）通过揭示节点疲劳破坏部位各组件内力分配、传递及相互影响规律，分析了节点疲劳破坏特征以及各组件疲劳失效的先后顺序与相互联系，确定了节点弯剪疲劳破坏模式；（3）根据节点疲劳破坏的具体模式，结合标准试样的裂纹扩展速率试验，基于断裂力学原理计算了裂纹尖端的应力强度因子和裂纹张开位移，定量分析了裂纹扩展速率与它们之间的关系，建立了节点疲劳裂纹扩展与寿命分析的数值模型，并得到了疲劳试验结果的验证；（4）应用节点疲劳寿命分析模型，进一步分析了各种相关参数的影响效应，找出影响节点弯剪疲劳性能的主要参数，并结合疲劳试验研究结果，共同揭示了节点弯剪疲劳破坏机制；（5）通过疲劳试验研究及理论分析，基于SRC梁梁节点疲劳强度高于同等条件下内部纯型钢节点疲劳强度的基本认识，结合节点疲劳强度主要影响参数的分析，提出了节点疲劳强度计算方法，给出了节点疲劳寿命计算思路和流程，为节点的疲劳设计提供依据。项目研究建立的基于断裂力学原理的SRC梁梁连接节点疲劳裂纹扩展与寿命分析数值模型，实现了对节点弯剪疲劳性能的准确预测，提高了钢-混凝土组合结构疲劳的理论分析水平。掌握了SRC梁梁连接节点的弯剪疲劳破坏机制和疲劳设计方法，解决了SRC结构在高铁站轨道层及重载铁路桥梁等疲劳荷载条件下工程应用的基础性问题。