疲劳荷载下型钢混凝土梁剪切破坏机制与设计理论研究

Fatigue behavior in shear of steel reinforced concrete (SRC) girders will be investigated to for durable application of this new kind of composite structures in engineering. The research project will deal with the following topics: (1) Shear force transfer, distribution and shear bonding performance in component elements (i.e. concrete, reinforcement, H-section steel, stud shear connector) of a SRC girder subjected to high-cycle fatigue loading; Modes of fatigue failure in shear; Crack initiation, propagation and monitoring technique; Characteristics of fatigue strength, rigidity and concrete crack width. (2) Analytic models and FE numerical methods for shear fatigue damage, crack growth and fatigue life simulation of a SRC girder based on principles of both damage mechanics and fracture mechanics; Mechanism of fatigue failure in shear; Intrinsic link between component elements; Key parameters influencing fatigue in shear of a SRC girder. (3) Fatigue failure limit state in shear of a SRC girder; Design principle of concrete crack width control and fatigue strength as well as construction requirements. The highlight of this research project in academic innovation is to change previous research method of "being mainly dependent on experiments and mathematical statistics" for structures under fatigue loading and develop a "method of numerical analysis and simulation" through proper experiments, which may promote the theory and numerical analysis for fatigue problem of complicated structures.

本项目研究型钢混凝土（SRC）梁斜截面抗剪疲劳性能，促进这种新型组合结构在工程上的耐久性应用。主要研究内容涉及：（1）在高周疲劳荷载作用下SRC梁各组件（混凝土、钢筋、H型钢、栓钉剪力件）的剪力传递、分配和剪切粘结性能，斜截面剪切疲劳破坏模式，裂纹形成与扩展形态及其监测技术，疲劳强度、刚度和混凝土开裂宽度变化等特性；（2）基于损伤力学、断裂力学原理的SRC梁斜截面剪切疲劳损伤、裂纹扩展和寿命模拟的分析模型及其有限元数值计算方法，SRC梁斜截面剪切疲劳破坏机制，各组件之间的内在联系，影响SRC梁剪切疲劳的关键参数；（3）SRC梁斜截面剪切疲劳破坏的极限状态，混凝土裂缝宽度控制及和疲劳强度的实用设计理论及构造要求。本项目重要的学术创新思想是改变以往结构疲劳研究"主要依赖试验、数理统计回归"的方法，在适量试验基础上着重发展"结构疲劳数值分析与仿真"方法，提升复杂结构疲劳问题的理论与数值分析水平。

目前已建和在建的高铁车站推广应用了型钢混凝土（SRC）梁。随着重载铁路的兴起，SRC组合结构也已成为桥梁结构的合理选择，但这种组合结构在反复荷载作用下的疲劳性能缺乏研究和设计规范的指导。本项目在前期SRC梁受弯作用的正截面疲劳破坏模式的研究基础上，进一步研究SRC梁受剪作用突出的疲劳性能，最终建立SRC梁的疲劳设计方法。.主要研究内容有：（1）小剪跨比的荷载作用下SRC梁的疲劳试验，研究外部混凝土、内部H形钢、钢筋等各组件的受力性能、疲劳破坏模式、裂纹形成与扩展过程及其监测技术、刚度和混凝土开裂宽度变化等特性；（2）应用断裂力学、损伤力学理论、有限元技术，研究SRC梁疲劳破坏过程的数值分析方法，分析各组件的内在联系、参数影响效应和疲劳破坏机制；（3）SRC梁疲劳设计方法、基本准则和建议。.重要研究结果与关键数据主要有：（1）进行了29根工程尺度的实腹式SRC梁疲劳破坏试验，重要参数有：小剪跨1.8、1.5、1.1、1.0，焊接H形钢（Q345B）含钢率5.01%、5.54%、6.40%和7.49%，纵筋配筋率0.38%和0.42%，混凝土标号 C40、C50和C60。发现仅1根SRC梁发生了受剪或弯剪区的斜截面疲劳破坏模式，其余28根SRC梁都发生了受弯区的正截面疲劳破坏模式，并且H形钢受拉翼缘的断裂是整个SRC疲劳破坏的标志。表明无论受弯还是弯剪，SRC梁正截面疲劳破坏占主导模式。（2）分别进行了5根单独的焊接H形钢梁和15根单独钢筋的疲劳破坏试验，作为SRC梁内部H形钢和钢筋疲劳破坏模式和机理的对比。应用Beach marking技术来跟踪留取H形钢截面上的疲劳裂纹起源位置与扩展路径，建立了裂纹扩展速率模型。（3）建立了基于焊接H形钢的断裂力学模型、钢筋和混凝土的损伤力学模型的有限元数值方法，模拟了试验的SRC梁各组件的疲劳过程和寿命，并分析了各参数对SRC梁疲劳寿命的影响规律和机制。在相同的应力幅条件下，SRC梁内部的H形钢比单独的H形钢具有更高的疲劳强度，这源于前者疲劳裂纹扩展时有混凝土的约束作用和钢筋的受力分担。（4）正截面受弯破坏是SRC梁疲劳性能的关键问题，集成了本项目和前期所有剪跨比（1.8、1.5、1.1、1.0和2.6）的SRC梁正截面疲劳破坏试验数据，提出了涵盖各组件疲劳强度验算在内的SRC梁的疲劳设计方法和建议。