京沪高速铁路型钢混凝土梁及连接节点疲劳性能试验研究

摘要

型钢混凝土组合结构以其高强的承载性能以及优越的防火、防腐能力越来越受到工程领域的重视，其应用也从静力结构拓展到承受疲劳荷载作用的结构，如公路、铁路、桥梁等。正在建设中的京沪高速铁路上海虹桥站也采用了型钢混凝土结构，但是这类结构的疲劳设计缺乏规范指导，也缺乏工程经验和理论研究，只能通过试验来验证此类结构在重复荷载作用下的安全性。 疲劳试验有三类试件，共计九个，包括：三个足尺的梁B试件、三个1：4缩尺的梁梁节点GB试件以及三个1：4缩尺的梁柱节点BC试件。三类试件都进行了两次疲劳试验：第一次疲劳试验的目的是检验梁及连接节点在工程应用中的可靠性，验证疲劳寿命是否达到200万次；第二次疲劳试验的目的则是使构件在增大的荷载幅作用下发生疲劳破坏，了解疲劳强度以及疲劳损伤的特点与机理。 200万次疲劳加载后，试件均未出现破坏迹象，混凝土的裂缝宽度也满足设计要求。这一过程中，混凝土的受压区高度略有增大，受拉纵筋、H型钢受拉翼缘以及H型钢腹板受拉区所承担的弯矩均有减小趋势，受压纵筋、H型钢受压翼缘以及H型钢腹板受压区所承担的弯矩则有一定程度的增大，说明200万次的疲劳加载对材料还是造成一定的损伤，且受拉区型钢和纵筋的损伤更加严重。 梁B试件的疲劳破坏都源于型钢受拉翼缘的断裂，且都断裂于加焊10mm厚的钢板边缘。翼缘完伞断裂后，受压区混凝土也被压酥。另外，三个试件在构造上略有不同，本文还考察在型钢腹板两侧布置栓钉对疲劳性能的影响。 梁梁节点GB试件均在次梁的型钢受拉翼缘发生疲劳破坏，翼缘完全断裂，裂缝轨迹弯延，断口部分光滑，显然是局部产生裂缝后再向应力集中处扩展所致。部分受拉纵筋也被拉断。 梁柱节点BC试件最终也出现了H型钢受拉翼缘断裂的现象，且均位于H型钢受拉翼缘变截面处。裂缝轨迹弯延，穿过箍筋孔和栓钉焊趾，说明裂缝在局部产生后再向应力集中部位扩展所致。另外，三个试件存在不同的构造细节，如“纵筋与H型钢翼缘”采用了两种不同的的连接方式，一种为焊接，另一种则是绑扎固定；节点BC—1试件型钢腹板上开孔以配合管道通行。这些构造措施对疲劳性能的影响本文都予以考察和分析。 然后，本文基于试验结果对型钢混凝土构件的疲劳设计展开讨论，分别尝试了“忽略混凝土作用”和“考虑混凝土作用”的方法。在“忽略混凝土作用”的前提下，将疲劳寿命NS和等效应力幅△σe待入《欧洲规范3》采用的S—N曲线，以考察钢结构疲劳设计方法在型钢混凝土结构中的适用性。“考虑混凝土作用”得到疲劳寿命NSC，计算了NS与NSC的比值并分析了影响因素。因“忽略混凝土作用”的方法更实用、可靠，最后采用该方法来计算型钢混凝土构件的疲劳寿命。 基于已有的钢结构疲劳设计方法，本文最后提出适用于型钢混凝土构件的疲劳设计准则及具体的操作步骤。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1型钢混凝土结构概述

1.1.1型钢混凝土结构与钢结构、钢筋混凝土结构的比较

1.1.2型钢混凝土结构的应用

1.1.3型钢混凝土受弯构件研究进展

1.2钢结构的疲劳性能

1.2.1钢结构疲劳设计的基本理论

1.2.2钢结构疲劳破坏的过程

1.2.3 Miner线性累积损伤原理

1.2.4钢结构的疲劳计算

1.3混凝土结构的疲劳性能

1.3.1混凝土结构疲劳破坏过程

1.3.2混凝土结构的疲劳研究进展

1.3.3混凝土结构的疲劳计算

1.4钢-混凝土组合梁的疲劳性能研究进展

1.5型钢混凝土梁的疲劳性能研究进展

1.6本文的研究工作

1.6.1选题背景

1.6.2研究内容

第2章试验方案设计

2.1梁B的试验方案设计

2.1.1梁B的试件设计

2.1.2梁B的加载方案

2.1.3梁B的测试方案

2.2梁梁节点GB的试验方案设计

2.2.1梁梁节点GB的试件设计

2.2.2梁梁节点GB的加载方案

2.2.3梁梁节点GB的测试方案

2.3梁柱节点BC的试验方案设计

2.3.1梁柱节点BC的试件设计

2.3.2梁柱节点BC的加载方案

2.3.3梁柱节点BC的测试方案

第3章材性试验

3.1混凝土材性试验

3.2型钢材性试验

3.3钢筋材性试验

第4章型钢混凝土梁B的疲劳试验结果及分析

4.1梁B试件疲劳试验简述

4.2梁B-1疲劳试验观测结果

4.3梁B-2疲劳试验观测结果

4.4梁B-3疲劳试验观测结果

4.5梁B的试验结果的讨论

4.5.1正应变沿截面高度的分布

4.5.2弯矩与剪力的分配

4.6本章小结

第5章型钢混凝土梁梁节点GB的疲劳试验结果及分析

5.1梁梁节点GB试件疲劳试验简述

5.2梁梁节点GB-1疲劳试验观测结果

5.3梁梁节点GB-2疲劳试验观测结果

5.4梁梁节点GB-3疲劳试验观测结果

5.5梁梁节点GB的试验结果讨论与分析

5.5.1正应变沿截面高度的分布

5.5.2弯矩与剪力的分配

5.6本章小结

第6章型钢混凝土梁柱节点BC的疲劳试验结果及分析

6.1梁柱节点BC试件疲劳试验简述

6.2梁柱节点BC-1疲劳试验观测结果

6.3梁柱节点BC-2疲劳试验观测结果

6.4梁柱节点BC-3疲劳试验观测结果

6.5梁柱节点BC的试验结果讨论与分析

6.5.1正应变沿截面高度的分布

6.5.2弯矩与剪力的分配

6.6本章小结

第7章型钢混凝土构件的疲劳设计方法探讨

7.1研究路线

7.2忽略混凝土作用的疲劳寿命计算

7.2.1忽略混凝土作用的疲劳寿命Ns

7.2.2试验结果与规范计算结果的比较

7.3考虑混凝土作用的疲劳寿命计算

7.3.1考虑混凝土作用的疲劳寿命NSC

7.3.2两种方法计算疲劳寿命的比较

7.4设计思路及步骤

7.5本章小结

第8章结语

8.1结论

8.2建议

8.3需进一步研究的内容

附录

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果