型钢混凝土梁疲惫特性研究

型钢混凝土梁疲惫特性研究

刘吉川

云南华联锌铟股份有限公司 云南马关  663701

摘要：型钢混凝土梁作为一种新型结构体系，具有优异的力学性能和抗震性能。随着结构设计要求的不断提高，疲劳破坏逐渐成为限制其使用寿命和安全性的主要问题之一。基于此，本文重点探讨型钢混凝土梁疲惫特性相关要点，以期为实际工程应用提供可靠的依据和技术支持。

关键词：型钢混凝土梁；疲惫特性；研究

引言

型钢混凝土梁作为新型结构体系，被广泛应用于建筑工程领域。但由于实际工程中所受到的复杂外界荷载作用，以及长期使用和疲劳荷载的影响，型钢混凝土梁容易出现疲劳破坏问题，严重威胁结构的安全和可靠性。因此，深入研究型钢混凝土梁的疲劳特性，分析其疲劳破坏机理及影响因素，对于提高结构的安全性和可靠性，推动新型结构体系的发展具有重要意义。

1.型钢混凝土梁的疲劳破坏机理

1.1结构特点及应力分布情况

型钢混凝土梁是由型钢和混凝土组成的复合结构体系，具有以下结构特点：

（1）型钢的加固作用：型钢在梁的上下翼缘处起到加固和承载作用，提高了梁的弯曲和剪切承载能力。

（2）混凝土的承载作用：混凝土主要承担梁的压力部分，在受力过程中发挥抗压和抗弯的作用。

（3）板-型钢界面的相互作用：在型钢混凝土梁中，型钢与混凝土之间存在接触面和滑移面，其相互作用对梁的整体力学性能具有重要影响。

应力分布情况是研究型钢混凝土梁疲劳破坏机理的关键因素之一。在加载作用下，型钢混凝土梁中会出现以下应力分布情况：

（1）弯曲应力：梁在受外力作用下产生弯曲变形，导致上翼缘拉应力和下翼缘压应力的形成。

（2）剪切应力：梁在受外力作用下，板-型钢界面会产生剪切应力，特别是在梁的支座处和局部荷载作用区域。

（3）混凝土压应力：梁在受外力作用下，混凝土承担一部分压力，产生压应力。

1.2型钢和混凝土的耦合作用

型钢混凝土梁中的型钢和混凝土之间存在耦合作用，即相互影响和相互制约的关系。具体表现在以下几个方面：

（1）强度耦合：型钢和混凝土在受力过程中相互协同工作，共同承担荷载。型钢的高强度和刚度能够提供梁的整体刚性和强度，而混凝土则能够吸收一部分应力，在一定程度上提高了梁的抗震性能。

（2）刚度耦合：型钢的刚度远高于混凝土，因此在受力过程中，型钢对梁的整体刚度起主导作用。而混凝土的柔性可以缓冲荷载的集中，提高梁的延性和变形能力[1]。

（3）界面耦合：型钢与混凝土之间的接触面和滑移面是两种材料相互联系的关键部位。界面的粘结力和摩擦力直接影响着梁的承载能力和疲劳性能。

1.3疲劳破坏形式和影响因素

疲劳破坏形式：型钢混凝土梁在长期受到循环荷载作用时，容易出现以下疲劳破坏形式：

a) 型钢的疲劳断裂：型钢受到循环荷载作用下，会逐渐发生裂纹产生和扩展，最终导致型钢断裂。

b) 混凝土的疲劳破坏：混凝土中的微小裂纹会随着循环荷载的作用逐渐扩展，并导致混凝土的剥落、压碎等破坏形式。

c) 板-型钢界面的疲劳破坏：由于界面效应和滑移的存在，板-型钢界面容易发生剪切破坏，包括剪切开裂、剥离等。

影响因素：型钢混凝土梁疲劳破坏受到多种因素的影响，包括但不限于以下几个方面：

a) 循环荷载幅值和频率：循环荷载的幅值和频率直接影响着梁的疲劳寿命和破坏形式。较大的荷载幅值和较高的荷载频率容易加速疲劳破坏。

b) 材料性能：型钢和混凝土的材料性能对疲劳破坏具有重要影响。型钢的强度、韧性和抗疲劳性能，以及混凝土的强度、韧性和抗裂性能等都会影响梁的疲劳耐久性[2]。

c) 界面粘结和摩擦性能：板-型钢界面的粘结力和摩擦力会影响界面滑移和剪切破坏的发生。良好的界面粘结性能和适当的摩擦力能够提高梁的抗疲劳能力。

d) 结构几何尺寸：梁的几何尺寸对其疲劳破坏有一定的影响。悬臂梁、跨度较长的梁和截面高宽比较大的梁等结构几何因素都会影响疲劳破坏形式和寿命。

e ) 环境条件：环境条件，如温度、湿度、腐蚀等因素也会对梁的疲劳特性产生一定的影响。特别是在海洋和工业环境中，腐蚀和氧化作用会加剧梁的疲劳破坏程度。

2.实验设计及测试方法

2.1 实验样品设计和制备

在进行型钢混凝土梁疲劳特性研究的实验中，首先需要进行实验样品的设计和制备。以下是具体的实验样品设计和制备方案：

（1）根据实验的目的和要求，确定型钢混凝土梁的尺寸参数，包括梁的长度、宽度和高度等。可以根据实验需求选择适当的尺寸比例，确保实验结果的可靠性和可重复性。

（2）材料选择：选择合适的型钢和混凝土材料。型钢应具备较高的强度、韧性和抗疲劳性能，而混凝土应具备较高的强度、韧性和抗裂性能。确保选用的材料符合相关标准规范要求。

（3）制备工艺：按照设计要求，采用适当的制备工艺制作型钢混凝土梁样品。包括型钢的焊接加固和混凝土的浇筑养护等工序。在制备过程中要注意控制材料的配比、浇筑质量和养护条件等因素，以确保样品的质量和性能。

具体的实验样品设计如下表所示：

表1 实验样品设计

2.2 载荷施加方式及频率

在进行型钢混凝土梁疲劳特性研究的实验中，载荷施加方式及频率是非常重要的参数。以下是具体的载荷施加方式及频率方案：

（1）施加方式：采用四点弯曲加载方式。使用万能试验机加载装置，将载荷集中施加在梁的中央，以模拟实际工程中梁受到的荷载情况。

（2）载荷频率：选择适当的载荷频率。根据前期研究和实践经验，选取10Hz的频率进行加载。保证实验的稳定性和可重复性。

（3）载荷幅值：根据实验要求，选择适当的载荷幅值范围。建议在梁的疲劳寿命区间内选取不同的载荷幅值进行加载，例如1000N、1500N和2000N等。

2.3 监测手段及数据采集

在进行型钢混凝土梁疲劳特性研究的实验中，监测手段和数据采集是非常重要的。以下是具体的监测手段及数据采集方案：

（1）应力监测：采用应力传感器对梁的应力进行实时监测。可以将应力传感器安装在梁的上下翼缘或者型钢与混凝土界面等位置。通过实时监测应力变化，获得梁在不同载荷施加下的应力响应。

（2）位移测量：采用位移传感器对梁的位移进行监测。可以将位移传感器安装在梁的支座处或者中央位置等。通过监测位移的变化，获得梁在不同载荷施加下的位移响应。

（3）裂缝检测：采用裂缝计测量或者光纤传感器等手段对梁的裂缝进行检测。可以实时监测梁内部或者外部的裂缝形成和扩展情况，获得梁的疲劳破坏过程。

（4）数据采集：采用数据采集系统对监测得到的数据进行采集和记录。可以使用传感器连接到数据采集系统，将实时数据传输并保存下来。通过数据采集系统可以获取载荷施加过程中的各项监测数据。

3.疲劳性能实验结果分析

3.1应力-寿命曲线分析

应力-寿命曲线是研究材料疲劳性能的重要参数之一。它描述了在不同应力水平下材料的寿命情况。根据实验数据，可以绘制出不同载荷幅值下的应力-寿命曲线。应力-寿命曲线可以得出以下结论：

随着载荷幅值的增加，疲劳寿命逐渐减小。这是因为较大的载荷幅值会导致应力集中和损伤集中，使得材料更容易疲劳失效。相同载荷幅值下，不同样品的疲劳寿命存在差异。这是由于制备过程中的工艺差异以及材料的微观缺陷等因素引起的。在实验中，可以统计不同样品的平均寿命并进行对比分析[3]。

3.2疲劳寿命分析

疲劳寿命是材料在特定载荷下能够承受的循环次数。通过实验测得的数据，可以计算出不同载荷幅值下样品的疲劳寿命，并进行分析。根据实验结果，可以得到以下结论：一是随着载荷幅值的增加，疲劳寿命显著降低。这是由于较大的载荷幅值会导致材料损伤集中，从而缩短了梁的使用寿命。二是不同样品之间存在一定的疲劳寿命差异。这可能是由于制备过程中的工艺差异以及材料的微观缺陷等因素引起的。通过统计数据，可以计算出不同样品的平均疲劳寿命，并进行对比分析。

3.3失效特征分析

失效特征描述了材料在疲劳过程中发生的破坏形态和失效机制。通过观察实验样品的破坏情况，可以得到以下结论：一是在低载荷幅值下，梁的失效主要表现为微裂纹的形成和扩展。这是典型的疲劳裂纹扩展失效模式，梁在长时间的循环加载下逐渐发生疲劳断裂。二是在高载荷幅值下，梁的失效更为剧烈，可能会出现明显的断裂、塑性变形等现象。这是因为较大的载荷幅值会导致应力集中和损伤集中，使得梁更容易发生破坏。

3.4影响疲劳性能的因素探讨

在型钢混凝土梁疲劳性能试验中，有许多因素会影响其疲劳性能。以下是对影响疲劳性能的几个主要因素进行探讨：

（1）载荷幅值：载荷幅值是指循环加载中应力的变化范围。较大的载荷幅值会加速梁体的疲劳破坏。实验中可以通过调整载荷幅值的大小，研究其对疲劳性能的影响。

（2）循环次数：循环次数是指梁体在循环加载中所经历的次数。较高的循环次数会导致梁体更快地疲劳破坏。实验中可以通过改变循环次数，研究其对疲劳性能的影响。

（3）型钢和混凝土材料性能：型钢和混凝土的强度、韧性和抗疲劳性能等都会影响梁体的疲劳性能。不同材料的性能差异会导致疲劳寿命的差异。

（4）加固措施：采用适当的加固措施（如加筋、预应力等）可以提高梁体的疲劳性能。实验中可以对比不同加固方案下的疲劳性能，研究加固措施对疲劳性能的影响。

（5）环境条件：环境条件（如温度、湿度、气候等）也会对梁体的疲劳性能产生影响。不同环境条件下的疲劳试验可以帮助我们了解环境因素对疲劳性能的影响程度。

4.结束语

综上所述，本文通过对型钢混凝土梁疲劳性能试验结果的分析，可以了解不同载荷幅值下梁的疲劳寿命和失效特征。这对于设计和使用类似结构的工程项目具有重要的参考意义，可以提供理论依据和经验数据支持。然而，需要注意的是，实验结果仅针对所测试的样品和条件，不能直接推广到其他情况，还需继续开展更多的研究和验证。

参考文献

[1]王哲. 预制装配型钢混凝土梁疲劳性能试验研究[D].河南工业大学,2023.

[2]茅泉.型钢混凝土梁柱节点钢筋与钢构件连接施工技术研究[J].工程技术研究,2023,8(15):91-93.

[3]张森奇,李俊华,蔡巍等.冻融循环后型钢混凝土梁受弯承载力研究[J].施工技术(中英文),2022,51(20):63-69+82.