超載對鋼-混凝土組合梁橋疲勞力學性能影響分析

郭至博　孟令佩　卜建清　張吉仁　荀敬川

關鍵詞：橋涵工程;鋼-混凝土組合梁;疲勞剛度;剩余承載力;車輛超載

中圖分類號：U441.4;TU398 文獻標識碼：A DOI： 10.7535/hbgykj.2023yx01001

鋼-混凝土組合梁橋是通過剪力連接件將混凝土與鋼梁連接而成的組合結構[1]。大量的工程實踐表明，鋼-混凝土組合梁橋有質量輕、強度高、施工迅速快捷、經濟效益好、造型美觀等優點，正逐步成為常規跨徑橋梁建設中極富競爭力的橋型[2-5]。但在荷載的反復作用，尤其是超載車輛的作用，會加劇結構的疲勞破壞，對橋梁結構的疲勞剛度和剩余承載力等力學性能造成顯著影響[6-8]。

針對鋼-混凝土組合梁剛度計算，王景全等[9]采用有效剛度法對組合梁撓度計算的組合系數進行了推導，將考慮不同抗剪連接度的組合梁撓度計算統一起來，算例計算結果與試驗結果吻合良好。聶建國等[10]提出了跨中殘余撓度的計算公式，并通過試驗驗證了該方法的有效性。現有規范采用折減剛度法對組合梁靜載撓度進行計算，其中剛度折減系數的計算尚缺乏完整的理論依據，在實際應用中存在一定的局限性[11]，尤其當鋼-混凝土組合梁抗剪連接度較大或承受荷載較大時，該方法的誤差較為明顯。圍繞鋼-混凝土組合梁承載力計算方法，汪炳[12]基于混凝土板、鋼梁及栓釘的剩余強度和剩余剛度模型，提出了不同抗剪連接度下栓釘式與PBL式組合梁剩余承載力的計算方法。項貽強等[13]將栓釘初始缺陷考慮在內，提出了改進的栓釘式鋼-混凝土組合梁剩余承載力計算方法。

綜上可見，目前鋼-混凝土組合梁疲勞變形計算方法仍存在一定缺陷，且超載對鋼-混凝土組合梁橋力學性能的影響鮮有研究。車輛超載問題的存在會加速鋼-混凝土組合梁橋的力學性能退化。本文引進新的理論計算方法用于鋼-混凝土組合梁疲勞剛度計算，通過疲勞荷載計算模型量化分析超載車輛的荷載放大效應，并以某簡支鋼-混凝土組合梁橋為例，分析不同超載程度下該橋疲勞剛度、抗剪連接度與剩余承載力的退化規律。

1 鋼-混凝土組合梁疲勞剛度的計算

在疲勞荷載作用下，組合梁剛度不斷退化，加載n 次后組合梁疲勞剛度定義式如式（1）所示。

1.1 鋼-混凝土組合梁靜載撓度的計算

已有研究表明，若在設計中按照靜力方法計算鋼-混凝土組合梁疲勞剛度，得到組合梁的變形值小于實際值，使得設計偏于不安全[13]。本文通過引入文獻[14]中提出的改進折減剛度法對組合梁靜載撓度fe 進行計算，該方法將有效剛度作為考慮滑移效應的折減剛度，且在剛度折減系數的計算中引入計算長度因子，如式（2）—式（5）所示：

1.3 算例驗證

選取文獻[20]中的4根試驗梁，驗證本文第1節方法的有效性，將試驗所測撓度與采用文獻[20]及本文方法的計算結果相對比，對比結果如表1所示。

由表1可以看出，本文方法計算結果與文獻[20]方法計算結果吻合良好，文獻[20]所用方法最大誤差為26%，而本文計算方法的最大誤差控制在12%以內，2種計算方法的計算值與實測值之比均接近1，而本文所用方法得到的計算結果標準差小于文獻[20]計算方法的標準差，由此可見，本文計算方法不僅精度較高，且離散性較小，針對鋼-混凝土組合梁撓度可進行有效預測。

2 鋼-混凝土組合梁剩余承載力的計算

2.1 材料力學性能退化模型

以文獻[12]所給的剩余承載力計算方法為基礎，基于各材料力學性能退化模型和精度更高的栓釘承載力退化模型，給出了不同抗剪連接度下鋼-混凝土組合梁剩余承載力的計算公式。

3.3 車輛超載對疲勞力學性能的影響分析

以橋梁設計基準期100 a為計算終點，加載間隔為5 a，采用文獻[26]中日交通量為9 304輛，車輛年作用次數為3 395 960次，計算得組合梁橋算例在不同服役期下的疲勞剛度值，如圖8所示。

從圖8 中可以看出：隨著運營時間的增加，鋼-混凝土組合梁橋處于正常運營狀態時其疲勞剛度退化曲線斜率較小，說明該狀態下剛度退化較為緩慢;處于一般超載狀態下的鋼-混凝土組合梁橋疲勞剛度退化曲線在加載初、中期曲線的斜率較小，說明剛度退化速率較緩，水平較低，而加載末期曲線的斜率較大，說明剛度退化速率較大，水平較高;處于嚴重超載狀態下的鋼-混凝土組合梁橋疲勞剛度退化曲線呈拋物線形，曲線斜率隨運營時間不斷增大，退化速率不斷增加。結果表明超載對組合梁橋疲勞剛度的退化規律影響顯著，因此在提高橋梁抗疲勞性能的同時必須加大對此超載問題的處置力度，從而保證橋梁的可靠性。

隨著服役年限的增加，組合梁橋栓釘承載力與抗剪連接度均會產生變化，組合梁橋算例的栓釘抗剪連接度和剩余承載力變化曲線如圖9、圖10所示。由圖9可知，本文橋梁算例中初始抗剪連接度為3.728，而隨著運營時間與超載程度的增加，栓釘的承載能力明顯下降，組合梁橋抗剪連接度逐漸降低，但不同運營狀態下的抗剪連接度均保持在完全抗剪連接范圍。在目前實際橋梁結構中，栓釘設計均按照完全抗剪連接程度設計，即栓釘數量與單個栓釘抗剪承載力均遠高于規范要求，體現為抗剪連接程度均遠高于1。

由于不同超載狀態下組合梁橋算例抗剪連接度始終大于1，因此采用完全抗剪連接時的組合梁剩余承載力計算公式可得組合梁橋算例的剩余承載力變化曲線，如圖11所示。從圖11中可以看出：隨著運營時間的增加，3種不同運營狀態下鋼-混凝土組合梁橋剩余承載力的退化曲線均大致呈直線型，說明剩余承載力的退化速率較為穩定，但組合梁橋剩余承載力退化曲線的斜率隨著超載程度的加深而不斷增大，表明超載運營將加重和加速組合梁橋剩余承載力的退化，顯著降低組合梁橋的結構抗力。

4 結語

通過理論分析與實證研究揭示了車輛超載對鋼-混凝土組合梁疲勞剛度、抗剪連接度及剩余承載力的影響規律，研究了不同超載程度對其疲勞剛度、抗剪連接度及剩余承載力的影響規律，主要研究結論如下。

1）采用本文提出的組合梁疲勞變形計算方法對相關文獻中的算例進行計算，最大誤差在12%以內，采用傳統方法進行計算時最大誤差為26%，且本文所用方法的標準差小于傳統方法。與傳統方法相比，本文提出的組合梁疲勞變形計算方法離散性較小且計算精度高，可對組合梁撓度進行有效預測。

2）與以往考慮橋梁受活載作用相比，在已有活載影響修正系數的基礎上提出的超載車輛影響修正系數，充分考慮了超載車輛對橋梁荷載效應的影響，使得研究更貼合實際;并計算得到正常運營、一般超載與嚴重超載3種不同超載程度下橋梁的疲勞荷載幅值，荷載幅值上限均為502 kN，下限分別為877，963，1027 kN。

3）超載車輛對組合梁橋疲勞剛度及剩余承載力影響顯著，隨著超載程度增大，組合梁橋疲勞剛度、抗剪連接度及剩余承載力的退化速率與退化量均呈增大趨勢。組合梁橋疲勞剛度退化曲線出現急劇下降段，且抗剪連接度與剩余承載力退化曲線均呈直線型。

論文根據等效損傷理論將隨機疲勞荷載轉化為常幅疲勞荷載進行研究，為使得加載工況更貼合實際，今后應對隨機荷載作用下的鋼-混凝土組合梁橋疲勞力學性能展開研究，并探索適用于鋼-混凝土組合梁橋的非線性疲勞累積損傷理論。