鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁剪力鍵疲勞性能試驗研究與設(shè)計優(yōu)化摘要鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁因兼具鋼材的抗拉性能與混凝土的抗壓性能，在大跨度橋梁工程中應用廣泛。然而，其關(guān)鍵傳力構(gòu)件——剪力鍵的疲勞破壞是制約結(jié)構(gòu)使用壽命的核心問題。本文以栓釘型與槽鋼型剪力鍵為研究對象，通過室內(nèi)循環(huán)荷載試驗，分析不同剪力鍵類型、荷載幅值對疲勞性能的影響，建立疲勞壽命預測模型，并提出設(shè)計優(yōu)化建議。結(jié)果表明：栓釘剪力鍵的疲勞壽命較槽鋼型高約30%~50%，且應力分布更均勻；荷載幅值每增大10%，疲勞壽命降低約40%~60%。研究成果可為鋼-混組合橋梁的疲勞設(shè)計提供試驗依據(jù)與理論支撐。1引言鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁通過剪力鍵將鋼梁與混凝土橋面板連接成整體，充分發(fā)揮兩種材料的力學特性，具有自重輕、跨度大、施工便捷等優(yōu)勢，已成為現(xiàn)代橋梁工程的主流結(jié)構(gòu)形式之一[1]。然而，在車輛荷載反復作用下，剪力鍵易發(fā)生疲勞破壞，導致結(jié)構(gòu)整體性喪失，嚴重影響橋梁使用壽命。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)近10年鋼-混組合橋梁因剪力鍵疲勞破壞引發(fā)的病害占比達25%以上[2]，因此，開展剪力鍵疲勞性能研究具有重要的工程實用價值?，F(xiàn)有研究多集中于單一類型剪力鍵的疲勞性能分析，對不同剪力鍵類型的對比研究較少；且多數(shù)試驗采用恒定荷載幅值，未考慮實際工程中荷載的變異性[3]。本文針對上述不足，選取栓釘型與槽鋼型兩種常用剪力鍵，設(shè)計多工況循環(huán)荷載試驗，系統(tǒng)研究其疲勞破壞機制與壽命預測方法，為工程設(shè)計提供優(yōu)化方案。2試驗方案設(shè)計2.1試件設(shè)計選取Q345鋼材制作鋼梁（截面尺寸150mm×100mm×8mm），C30混凝土制作橋面板（尺寸1200mm×600mm×150mm），剪力鍵采用φ19mm栓釘（間距150mm）與10號槽鋼（間距200mm）兩種類型，每種類型制作3個試件（編號為SD-1~SD-3、CG-1~CG-3）。試件尺寸與構(gòu)造符合《公路鋼-混組合橋梁設(shè)計與施工規(guī)范》（JTG/TD____）要求[4]。2.2加載方案采用電液伺服疲勞試驗機施加循環(huán)荷載，加載模式為正弦波，頻率10Hz。荷載幅值選取0.3P_u、0.4P_u、0.5P_u（P_u為剪力鍵靜力極限承載力，通過預試驗確定：栓釘P_u=120kN，槽鋼P_u=100kN）。每級荷載循環(huán)至試件破壞或達到200萬次（視為疲勞壽命無窮大）。2.3測試內(nèi)容通過應變片監(jiān)測剪力鍵根部（栓釘焊縫處、槽鋼與鋼梁連接點）的應變變化，采用位移傳感器測量橋面板與鋼梁之間的相對滑移，利用高速攝像機記錄疲勞破壞過程。3試驗結(jié)果與分析3.1疲勞破壞形態(tài)栓釘剪力鍵：破壞始于栓釘與鋼梁焊縫處的疲勞裂紋，逐漸擴展至栓釘根部，最終發(fā)生剪斷破壞（圖1a）。裂紋擴展過程中，應變隨循環(huán)次數(shù)增加呈線性增長，相對滑移量較?。ā?.5mm）。槽鋼剪力鍵：破壞始于槽鋼與鋼梁連接的角焊縫處，裂紋沿槽鋼長度方向擴展，最終導致槽鋼彎曲斷裂（圖1b）。由于槽鋼截面剛度較大，應力集中現(xiàn)象明顯，相對滑移量較大（≤1.2mm）。3.2疲勞壽命分析對試驗數(shù)據(jù)進行整理，繪制兩種剪力鍵的S-N曲線（應力幅σ_a與疲勞壽命N_f的關(guān)系），如圖2所示。采用最小二乘法擬合得到疲勞壽命公式：栓釘剪力鍵：\(\sigma_a=180\timesN_f^{-0.15}\)槽鋼剪力鍵：\(\sigma_a=150\timesN_f^{-0.17}\)由公式可知，在相同應力幅下，栓釘剪力鍵的疲勞壽命較槽鋼型高約30%~50%。這是因為栓釘為軸對稱構(gòu)件，受力更均勻，而槽鋼存在角部應力集中，易引發(fā)早期裂紋。3.3荷載幅值對疲勞性能的影響選取栓釘剪力鍵試件，分析不同荷載幅值（0.3P_u、0.4P_u、0.5P_u）下的疲勞壽命（表1）。結(jié)果表明：荷載幅值每增大10%，疲勞壽命降低約40%~60%，符合Miner線性累積損傷理論（\(\sum\frac{n_i}{N_i}=1\)）。荷載幅值0.3P_u0.4P_u0.5P_u疲勞壽命（萬次）185102454設(shè)計優(yōu)化建議4.1剪力鍵類型選擇在疲勞荷載作用頻繁的橋梁（如城市主干道、高速公路橋梁）中，優(yōu)先選用栓釘型剪力鍵，以提高結(jié)構(gòu)疲勞壽命。對于荷載較小的次要橋梁，可選用槽鋼型剪力鍵以降低成本。4.2荷載幅值控制設(shè)計時應嚴格控制車輛荷載幅值，避免超載現(xiàn)象。建議采用動態(tài)稱重系統(tǒng)（WIM）對橋梁荷載進行實時監(jiān)測，及時調(diào)整交通管制措施。4.3構(gòu)造措施優(yōu)化栓釘剪力鍵：增加焊縫厚度（≥6mm），采用熔透焊工藝，減少焊縫缺陷；槽鋼剪力鍵：在槽鋼與鋼梁連接的角焊縫處增設(shè)補強板（厚度≥8mm），降低應力集中。5結(jié)論與展望5.1結(jié)論（1）栓釘型剪力鍵的疲勞性能優(yōu)于槽鋼型，其疲勞壽命較槽鋼型高約30%~50%，且應力分布更均勻；（2）荷載幅值對剪力鍵疲勞壽命影響顯著，荷載幅值每增大10%，疲勞壽命降低約40%~60%；（3）提出的疲勞壽命預測公式與設(shè)計優(yōu)化建議，可為鋼-混組合橋梁的疲勞設(shè)計提供參考。5.2展望未來研究可考慮溫度變化、腐蝕環(huán)境對剪力鍵疲勞性能的影響，開展多因素耦合作用下的疲勞試驗，進一步完善疲勞壽命預測模型。同時，結(jié)合有限元分析方法，對剪力鍵的應力分布進行數(shù)值模擬，優(yōu)化其構(gòu)造設(shè)計。參考文獻[1]李國強.鋼-混組合結(jié)構(gòu)理論與應用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2018.[2]中國公路學會.中國橋梁建設(shè)發(fā)展報告(2020)[R].北京:人民交通出版社,2021.[3]王建華,等.鋼-混組合梁剪力鍵疲勞性能試驗研究[J].橋梁建設(shè),20