芦紫芬 石卫华
湖南科技大学，湖南 湘潭 411201
摘要：国内学者关于受负弯矩作用下钢-混凝土组合梁的研究内容主要集中在剪力连接件、裂缝控制等方面。虽然围绕氯盐和硫酸盐侵蚀下的组合梁的耐久性也有一些相关研究，但对于锈蚀组合梁负弯矩作用下的疲劳性能的研究却未见相关报道。基于此，本文主要对栓钉锈蚀的钢-混凝土组合梁疲劳性能进行分析探讨。
关键词：栓钉锈蚀；钢-混凝土组合梁；疲劳性能
前言
我国在钢-混凝土组合结构的设计中，大多考虑的是其安全性和适用性，而很少考虑其耐久性。如今混凝土耐久性已进行了大量的系统研究，钢梁的锈蚀可以通过良好的防腐措施和维护措施予以解决，与钢梁焊接的栓钉却无任何的保护措施，其锈蚀无法避免。而栓钉锈蚀会直接导致连接件传递剪力性能的退化和钢-混凝土组合梁结构的疲劳寿命，弱化钢梁和混凝土翼板的组合作用。
1、试验概况
1.1试件设计与材料性能
设计制作了6根完全相同的组合梁，其中，1根用于静力试验，试件编号为SSCB-0，5根用于疲劳试验，试件编号为FSCB-0～FSCB-4，梁的跨度为3000mm，混凝土板厚110mm，宽700mm。板内布置两层纵向受力钢筋，均采用8根直径10mm的HPB300级钢筋通长布置，配筋率为1.632%。两层横向分布钢筋，均采用直径6mm的HPB300级钢筋，间距170mm布置。钢梁采用型号为I20a的热轧普通工字钢。在钢梁上翼缘布置17个栓钉，栓钉间距170mm，规格16mm×80mm。加劲肋设置在两端支座处和距支座1000mm的加载点处，加劲肋厚度与腹板厚度相同，均为7mm。混凝土设计强度等级为C30，采用标号42.5普通硅酸盐水泥。对3个标准混凝土立方体试块进行抗压强度和弹性模量测试，测得混凝土的力学性能指标见表1。钢梁使用Q235钢材，力学性能指标见表2。
表 1 混凝土力学性能
表 2 钢材力学性能
1.2试验方案
1.2.1栓钉锈蚀试验
待组合梁试件在露天环境下养护28d后，将试件混凝土板向下放置，浸泡于锈蚀池(5%NaCl溶液)中10d，而后开始对试件进行恒定电流通电加速锈蚀。恒定电流密度为0.2mA/cm2，各试件的通电时间按法拉第定律确定。
电源正极连接于钢梁上，连接处用环氧树脂包裹，保持干燥，将电源负极连接于置于NaCl溶液中的不锈钢网上，连接处同样使用环氧树脂包裹。通过形成的电解池，对试件进行加速锈蚀，加速锈蚀过程中需不断注意NaCl溶液液面位置，确保溶液液面略低于混凝土板上表面，使得钢梁处于液面以上，防止钢梁的锈蚀。
1.2.2加载试验
先对试件SSCB-0进行静力试验，在正式加载之前先进行预加载，以10kN/min的加载速率加载至30kN再卸载至0，重复加卸载3次，以保证组合梁、支座、分配梁之间压紧。预加载完毕后数据清零，开始单调加载破坏试验，加载速率为1mm/min，当发现组合梁荷载值明显下降时停机卸载。然后对试件FSCB-0～FSCB-4进行疲劳试验，取试件SSCB-0的静力承载力Pu作为组合梁疲劳加载的依据。采用量程250kN的PMW800-2000电液式脉动疲劳试验机进行加载，疲劳荷载通过分配梁施加到两个对称的加载点上，采用等幅正弦波加载，加载频率为4Hz。疲劳加载的幅值取Pmin=0.2Pu和Pmax=0.5Pu，Pu、Pmax、Pmin分别为组合梁静力极限荷载、疲劳荷载上限值、疲劳荷载下限值。分别在加载次数达到0、1万、5万、10万、20万、50万、100万、200万次时停机进行静力试验，以研究组合梁在经历相应疲劳次数后受力性能的变化，若疲劳加载200万次后试件仍未疲劳断裂，直接停机进行静力破坏试验。
2、试验现象
2.1静力试验
静力试验过程中，试件SSCB-0的破坏模式为典型的压弯破坏。加载初期并未见明显现象。当加载到80～100kN之间时，混凝土底板出现微裂纹，但并不明显。并且能观察到钢梁与混凝土板之间有细微的错动缝隙，此时钢梁与混凝土板之间发生黏结破坏。
当继续加载至150kN时，两个加载点下方出现明显裂缝，并且组合梁发出闷响声，此时观察到钢梁与混凝土板之间有明显的滑移，黏结破坏加剧。继续加载，两端加载点处的裂缝越来越大，随后跨中也开始产生明显的裂缝，剪弯段靠近支座位置出现斜裂缝并且向混凝土板侧面发展。当荷载达到253kN时，组合梁达到极限荷载。此时组合梁跨中挠度以及钢梁与混凝土板之间的滑移非常明显
2.2疲劳试验
疲劳试验加载的幅度为静力试件SSCB-0极限荷载(253kN)的20%～50%，即50～125kN。不同锈蚀率疲劳试件的破坏过程基本一致，随着疲劳荷载作用次数的增加，混凝土板和钢梁上翼缘发生黏结破坏，疲劳荷载施加5万次左右时，钢梁与混凝土板之间有轻微的摩擦声，此时钢梁上翼缘与混凝土板之间几乎没有错动滑移。栓钉抗疲劳强度随疲劳次数的增加不断降低，降低速率取决于栓钉的锈蚀率。锈蚀率越大，栓钉抗剪强度下降越快，加载次数达到30～50万次时，试件一端的栓钉承载力不足以抵抗疲劳荷载产生的剪力，栓钉剪断，栓钉与钢梁之间发出刺耳的摩擦声，并且试件锈蚀率越高，第1个栓钉剪断发生时间越早;第1个栓钉剪断后，剪力在未破坏的栓钉之间重新分布，使栓钉承受的剪力增大，此时混凝土板与钢梁之间有轻微的错动滑移;随着疲劳次数的增加，栓钉剪断的个数越来越多，并且栓钉剪断发生的速度加快，刺耳摩擦声越来越大，错动滑移也非常明显;继续疲劳加载，栓钉断裂面和混凝土渐渐被磨平，摩擦声逐渐减弱甚至消失。疲劳试验末期，在加载点附近位置，钢梁翼缘靠近栓钉根部的部位开始出现裂纹，并沿着与栓钉剪力垂直的方向扩展，此时疲劳荷载上限值有所下降，手动控制增加疲劳荷载上限值使其达到目标值，此时钢梁裂纹扩展加快，跨中挠度也迅速增大，混凝土板很快产生细密的裂纹，当钢梁裂纹扩展到一定程度时，疲劳荷载上限值已无法保持在目标值上，加载结束，所有试件均发生疲劳破坏;从钢梁开始出现裂纹到试件破坏，疲劳加载次数只有1万次左右，可见钢梁的疲劳破坏是导致组合梁最终整体破坏的主要原因。
3、试验结果及其分析
3.1栓钉锈蚀对组合梁疲劳寿命的影响
试件FSCB-1、FSCB-3、FSCB-4的疲劳寿命分别比试件FSCB-0的减少了15.7%、25.9%、29.7%，主要是因为在组合梁疲劳加载过程中，栓钉的抗剪强度不断降低，而降低速率随栓钉锈蚀率的增加而加快，因此锈蚀率越高，栓钉剪断速度越快，使得组合梁的疲劳破坏越快发生。
3.2栓钉锈蚀对组合梁残余变形的影响
由于疲劳损伤的累积，组合梁在疲劳荷载作用下会产生不可恢复的残余变形和残余应变。由于拉力作用下，跨中混凝土板极易开裂，导致应变片破坏不能继续使用，因此不包含混凝土的应变数据分析，只考虑钢梁的应变。由于浇筑质量问题，试件FSCB-2的疲劳寿命结果误差较大，将其数据剔除后，试件FSCB-0、FSCB-1、FSCB-3、FSCB-4的残余挠度和残余滑移量随加载次数的发展曲线在疲劳加载初期(约5万次内)，组合梁残余挠度迅速增加，接着曲线发展较平缓，残余挠度进入稳定发展阶段，符合疲劳试验的一般规律。
通过对比残余挠度发展曲线与残余滑移发展曲线可知，随着组合梁栓钉锈蚀率的增加，残余变形曲线逐渐向上发展，即经历相同疲劳加载次数，组合梁的残余变形随锈蚀率的增加而增加。栓钉剪断速度的加快又使得混凝土板与钢梁的协同工作较早受到破坏，使得组合梁挠度增大。
3.3刚度退化
在疲劳加载过程中，组合梁的弯曲刚度和滑移刚度都会发生一定程度的退化。根据每次停机静力加卸载的过程曲线，计算出每次加卸载过程的弯曲割线刚度和滑移割线刚度(弯曲割线刚度和滑移割线刚度分别对应相应疲劳次数下荷载-挠度曲线和荷载-滑移曲线起点与终点连线的斜率)，从而对比不同锈蚀率试件刚度的退化程度，组合梁的滑移刚度退化程度远大于弯曲刚度退化程度，这是因为栓钉疲劳剪切破坏时，组合梁并没有发生明显的弯曲破坏。
4、结语
1)负弯矩区钢-混凝土组合梁的疲劳寿命随栓钉锈蚀率的增加呈下降趋势，主要是因为栓钉的抗剪刚度下降使得栓钉在相同疲劳荷载作用下加快剪断，使组合梁疲劳破坏越快发生。
2)负弯矩区组合梁栓钉锈蚀率的增加使得组合梁在经历相同加载次数后的残余变形增加。
3)负弯矩区组合梁的刚度在疲劳加载过程中有一定程度的退化，并且退化主要集中在10万次以内。弯曲刚度的退化与栓钉的锈蚀率无明显关系，但滑移刚度的退化会随着栓钉锈蚀率的增加而加剧。
参考文献：
[1]薛文，陈驹，吴麟，等.栓钉锈蚀钢-混凝土组合梁试验研究[J].建筑结构学报，2013，34(1):222-226.
[2]汪炳.基于疲劳累积损伤效应的钢-混凝土组合梁桥剩余力学性能研究[D].南京:东南大学，2017.