CN114254425B - 型钢混凝土组合梁疲劳设计方法及其实施方法 - Google Patents

型钢混凝土组合梁疲劳设计方法及其实施方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种型钢混凝土组合梁疲劳设计方法和实施方法，包括：计算型钢混凝土组合梁内部H形钢梁、受拉纵筋和受压混凝土的名义应力幅；在已有的纯钢梁疲劳S‑N曲线基础上通过内部H形钢梁的疲劳寿命提高系数进行修正，对内部H形钢梁进行疲劳设计或验算；对于受拉纵筋的疲劳设计，当不考虑应力比影响时，直接采用基于型钢混凝土组合梁疲劳试验结果的设计值S‑N曲线进行疲劳设计或验算；当考虑应力比影响时，则通过应力比调整系数对设计值S‑N曲线修正后再进行疲劳设计或验算；直接采用Eurocode 2给出的钢筋混凝土结构受压混凝土的疲劳S‑N曲线对型钢混凝土组合梁受压区混凝土进行疲劳设计或验算。

Description

型钢混凝土组合梁疲劳设计方法及其实施方法
技术领域
本发明属于土木工程组合结构技术领域，具体涉及一种型钢混凝土组合梁疲劳设计方法及其实施方法。
背景技术
随着我国高速铁路的飞速发展，与之配套的客运站房、桥梁等也在广泛建设，而性能优异的型钢混凝土组合结构被应用于此类基础设施结构中。另一方面，鉴于高速铁路超大荷载的往复作用，势必造成型钢混凝土组合梁的疲劳问题。型钢混凝土组合梁可看作是由钢梁与钢筋混凝土梁组合而成的。目前国内外对焊接钢结构、钢筋混凝土梁的疲劳性能已开展了十分充分的研究，并形成了成熟完善的疲劳设计规范。然而，我国现行的两本型钢混凝土组合结构设计规程《组合结构设计规范(JGJ 138-2016)》与《钢骨混凝土结构设计规程(YB 9082-2006)》，均未涉及疲劳设计相关的条款。并且，国外现行的组合结构规范，如欧洲钢-混凝土组合结构规范Eurocode 4(BS EN 1994-1-1:2004与BS EN 1994-2:2005)、英国的钢、混凝土与组合桥梁规范(BS5400:Part 10:1980)、美国钢结构学会的钢结构建筑设计规范、日本建筑学会的《钢骨钢筋混凝土结构计算标准》等，也均未对型钢混凝土组合梁的疲劳设计做出规定。这无疑极大地限制了型钢混凝土组合结构在疲劳荷载工况下的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的上述不足，提供一种可以为实际工程设计提供参考与指导的型钢混凝土组合梁的疲劳设计方法。
其所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实施。
一种型钢混凝土组合梁疲劳设计方法，包括如下步骤：
步骤一、对型钢混凝土组合梁内部H形钢梁进行疲劳设计或验算：
按以下算式(3)，获取型钢混凝土组合梁内部H形钢梁的疲劳寿命
式(3)中，为纯钢梁的疲劳寿命；ηNf为型钢混凝土组合梁内部H形钢梁的疲劳寿命提高系数；
按以下算式(1)，获取式(3)中纯钢梁的疲劳寿命
式(1)中，CS为与纯钢梁疲劳构造细节对应的常数，ΔσS为纯钢梁的名义应力幅；
按以下算式(2)，获取式(3)中型钢混凝土组合梁内部H形钢梁的疲劳寿命提高系数ηNf；
ηNf＝f(ΔσS,ξ,ψ,[Δσ]R) (2)
式(2)中，ξ为型钢混凝土组合梁内部H形钢梁的含钢率，ψ为型钢混凝土组合梁内受拉纵筋的配筋率，[Δσ]R为型钢混凝土组合梁内受拉纵筋的疲劳强度；
步骤二、对型钢混凝土组合梁内部受拉纵筋进行疲劳设计或验算：
不考虑应力比影响时，按以下算式(4)，采用型钢混凝土组合梁疲劳试验直接回归的设计值S-N曲线进行疲劳设计或验算；
式(4)中，为受拉纵筋的疲劳寿命，CR为与受拉纵筋疲劳构造细节对应的常数，ΔσR为受拉纵筋形心处的名义应力幅；
当考虑应力比影响时，按以下算式(6)，得到考虑应力比影响的受拉纵筋设计值S-N曲线；
式(6)中，γr,ρ为型钢混凝土组合梁内受拉纵筋疲劳强度考虑应力比的调整系数；按以下算式(5)获得：
式(5)中，为受拉纵筋的疲劳应力比；
步骤三、对型钢混凝土组合梁受压区混凝土进行疲劳设计或验算：
按以下算式(7)给出的钢筋混凝土结构受压混凝土的疲劳S-N曲线，验算常幅疲劳情况下型钢混凝土组合梁受压区混凝土的疲劳寿命是否满足要求；在变幅疲劳情况下，则基于Miner线性累积损伤准则来验算累积损伤值是否超过临界值；
式中，为受压混凝土的疲劳寿命；σc,min、σc,max分别为混凝土的最小、最大压应力；fcd,fat为混凝土疲劳设计强度，按照欧洲现行的混凝土结构设计规范Eurocode 2(BS EN1992-1-1:2004,BS EN 1992-2:2005)计算确定。
作为本技术方案的进一步改进，步骤二中，考虑应力比影响时，基于《混凝土结构设计规范(GB 50010-2010)》给出的钢筋混凝土结构受力钢筋的疲劳应力幅限值和应力比数据进行拟合，以应力比等于0.1的情况为基准。
进一步，算式(7)中的混凝土疲劳设计强度fcd,fat可选择性的替换为混凝土立方体抗压强度fcu。
本发明所要解决的另一技术问题，在于提供一种前述型钢混凝土组合梁疲劳设计方法的实施方法。
该实施方法采用如下步骤：
S1、计算型钢混凝土组合梁内部H形钢梁、受拉纵筋和受压混凝土的名义应力幅；
S2、在现行钢结构设计规范中已有的纯钢梁疲劳S-N曲线基础上，通过型钢混凝土组合梁内部H形钢梁的疲劳寿命提高系数进行修正，对型钢混凝土组合梁内部H形钢梁进行疲劳设计或验算；
S3、按型钢混凝土组合梁内受拉纵筋的疲劳设计方法分为不考虑应力比影响和考虑应力比影响两种情况；当不考虑应力比影响时，直接采用基于型钢混凝土组合梁疲劳试验结果的设计值S-N曲线进行疲劳设计或验算；当考虑应力比影响时，则通过应力比调整系数对设计值S-N曲线修正后再进行疲劳设计或验算；
S4、直接采用欧洲现行的混凝土结构设计规范Eurocode 2(BS EN 1992-1-1:2004,BS EN 1992-2:2005)给出的钢筋混凝土结构受压混凝土的疲劳S-N曲线对型钢混凝土组合梁受压区混凝土进行疲劳设计或验算。
本发明提供的型钢混凝土组合梁疲劳设计方法和实施方法，经内部H形钢梁作为型钢混凝土组合梁中最重要的抗疲劳组件，考虑名义应力幅、内部H形钢梁含钢率、受拉纵筋配筋率与受拉纵筋疲劳强度等关键参数的影响，通过大量数值分析的数据回归得到型钢混凝土组合梁内部H形钢梁的疲劳寿命提高系数计算公式，对现行钢结构设计规范中已有的纯钢梁疲劳S-N曲线进行修正。对于型钢混凝土组合梁中的受拉纵筋，采用型钢混凝土组合梁疲劳试验直接回归的设计值S-N曲线进行疲劳设计或验算。对于型钢混凝土组合梁受压区混凝土，由于在试验中未发生疲劳破坏，采用现行混凝土结构设计规范中的已有方法对其进行疲劳设计或验算。
与现有技术相比，本发明提出的设计方法简单实用，可用于型钢混凝土组合梁的疲劳设计。
国内外学者已针对型钢混凝土组合结构的静力性能、抗震性能开展了充分的研究，但是以往研究和现行规范中均未涉及型钢混凝土组合梁的疲劳问题。在高铁站房、地铁车站、带有动力设备的工业建筑以及量大面广的桥梁结构中，由于动力荷载大且荷载循环次数多，结构设计时必须考虑高周疲劳破坏。高周疲劳破坏往往没有明显预兆，疲劳失效荷载一般远低于静力极限荷载，具有极大的危险性和破坏性，故需要谨慎设计。然而，型钢混凝土组合梁的截面形式及构造细节与纯钢梁不同，型钢混凝土组合梁的疲劳设计无法直接参考纯钢梁的相关研究成果和现行规范。因此，本发明提供的型钢混凝土组合梁疲劳设计方法和实施方法将为型钢混凝土组合梁的疲劳设计提供参考与指导，弥补现行规范的不足，为型钢混凝土组合结构的进一步推广应用保驾护航。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
附图1是本发明提供的型钢混凝土疲劳设计流程图；
附图2是本发明提供的型钢混凝土组合梁内部H形钢梁与纯钢梁疲劳S-N曲线比较图；
附图3是本发明提供的钢筋疲劳强度应力比调整系数拟合曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细说明。
以下结合附图和具体实施例，对本发明做进一步详细说明。根据下面的说明，本发明的目的、技术方案和优点将更加清楚。需要说明的是，所描述的实施例是本发明的优选实施例，而不是全部的实施例。
本发明提供了一种型钢混凝土组合梁疲劳设计方法及其实施方法。
本发明的型钢混凝土组合梁疲劳设计方法，在实施过程中，需对型钢混凝土梁内部H形钢梁、受拉纵筋和受压混凝土分别进行疲劳设计或验算(如图1)。
其中，现行钢结构设计规范中已形成了大量成熟可靠的纯钢梁疲劳S-N曲线(如下式(1))，但研究表明型钢混凝土组合梁内部H形钢梁的疲劳强度高于纯钢梁(如图2)，直接采用现行钢结构设计规范中已有的纯钢梁疲劳S-N曲线对型钢混凝土组合梁内部H形钢梁进行疲劳设计，势必偏于保守、造成材料浪费；故对于型钢混凝土组合梁内部H形钢梁，考虑名义应力幅、内部H形钢梁含钢率、受拉纵筋配筋率与受拉纵筋疲劳强度等关键参数的影响，通过大量数值分析的数据回归得到型钢混凝土组合梁内部H形钢梁的疲劳寿命提高系数计算公式(如式(2))，对现行钢结构设计规范中已有的纯钢梁疲劳S-N曲线进行修正(如式(3))。
ηNf＝f(ΔσS,ξ,ψ,[Δσ]R) (2)
式中，为纯钢梁的疲劳寿命，CS为与纯钢梁疲劳构造细节对应的常数，ΔσS为纯钢梁的名义应力幅，ηNf为型钢混凝土组合梁内部H形钢梁的疲劳寿命提高系数，ξ为型钢混凝土组合梁内部H形钢梁的含钢率，ψ为型钢混凝土组合梁内受拉纵筋的配筋率，[Δσ]R为型钢混凝土组合梁内受拉纵筋的疲劳强度，/>分别为型钢混凝土组合梁内部H形钢梁的疲劳寿命。
而对于型钢混凝土组合梁内受拉纵筋，疲劳试验发现其疲劳强度与钢筋混凝土梁内受拉纵筋、单独钢筋均不同，故应基于型钢混凝土组合梁疲劳试验结果对受拉纵筋进行疲劳设计或验算。
研究表明，应力幅对钢筋疲劳寿命影响最为关键外，应力比也有一定影响，故型钢混凝土组合梁内受拉纵筋的疲劳设计应从不考虑应力比影响和考虑应力比影响两种情况来考虑，在实际工程设计时可酌情选用。
当不考虑应力比影响时，可采用型钢混凝土组合梁疲劳试验直接回归的设计值S-N曲线进行疲劳设计或验算(如式(4))。
式中，为受拉纵筋的疲劳寿命，CR为与受拉纵筋疲劳构造细节对应的常数，ΔσR为受拉纵筋形心处的名义应力幅。
进一步地，当考虑应力比影响时，将中国现行《混凝土结构设计规范(GB50010-2010)》给出的钢筋混凝土结构受力钢筋的疲劳应力幅限值和应力比数据进行拟合，以应力比等于0.1的情况为基准，回归得到应力比调整系数γr,ρ的计算公式(如图3和式(5))。综合式(5)与式(4)，可得到考虑应力比影响的受拉纵筋设计值S-N曲线(如式(6))。
式中，γr,ρ为型钢混凝土组合梁内受拉纵筋疲劳强度考虑应力比的调整系数，为受拉纵筋的疲劳应力比。
进一步地，对于型钢混凝土组合梁受压区混凝土，由于在试验中未发生疲劳破坏，直接采用欧洲现行的混凝土结构设计规范Eurocode 2(BS EN 1992-1-1:2004,BS EN1992-2:2005)给出的钢筋混凝土结构受压混凝土的疲劳S-N曲线(如式(7))，验算常幅疲劳情况下型钢混凝土组合梁受压区混凝土的疲劳寿命是否满足要求；在变幅疲劳情况下，则基于Miner线性累积损伤准则来验算累积损伤值是否超过临界值。
式中，为受压混凝土的疲劳寿命；σc,min、σc,max分别为混凝土的最小、最大压应力；fcd,fat为混凝土疲劳设计强度，可按照欧洲现行的混凝土结构设计规范Eurocode 2(BSEN 1992-1-1:2004,BS EN 1992-2:2005)计算确定。
并且，由于型钢混凝土组合梁中的混凝土受到内部H形钢梁与钢筋笼的约束，为避免低估型钢混凝土组合梁受压混凝土的疲劳寿命，将式中的混凝土疲劳设计强度fcd,fat替换为混凝土立方体抗压强度fcu。
参照图1，本发明提出的型钢混凝土组合梁疲劳设计方法可按照以下流程实施：
S1、计算内部H形钢梁、受拉纵筋和受压混凝土的名义应力幅；
S2、在现行钢结构设计规范中已有的纯钢梁疲劳S-N曲线基础上(如图2)，通过型钢混凝土组合梁内部H形钢梁的疲劳寿命提高系数进行修正，对型钢混凝土组合梁内部H形钢梁进行疲劳设计或验算；
S3、型钢混凝土组合梁内受拉纵筋的疲劳设计方法分为不考虑应力比影响和考虑应力比影响两种情况；当不考虑应力比影响时，直接采用基于型钢混凝土组合梁疲劳试验结果的设计值S-N曲线进行疲劳设计或验算；当考虑应力比影响时，则通过应力比调整系数(如图3)对设计值S-N曲线修正后再进行疲劳设计或验算；
S4、直接采用欧洲现行的混凝土结构设计规范Eurocode 2(BS EN 1992-1-1:2004,BS EN 1992-2:2005)给出的钢筋混凝土结构受压混凝土的疲劳S-N曲线对型钢混凝土组合梁受压区混凝土进行疲劳设计或验算。
以上所述，仅是本发明优选实施例的描述说明，并非对本发明保护范围的限定，显然，任何熟悉本领域的技术人员基于上述实施例，可轻易想到替换或变化以获得其他实施例，这些均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种型钢混凝土组合梁疲劳设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、对型钢混凝土组合梁内部H形钢梁进行疲劳设计或验算：
按以下算式(3)，获取型钢混凝土组合梁内部H形钢梁的疲劳寿命
式(3)中，为纯钢梁的疲劳寿命；ηNf为型钢混凝土组合梁内部H形钢梁的疲劳寿命提高系数；
按以下算式(1)，获取式(3)中纯钢梁的疲劳寿命
式(1)中，CS为与纯钢梁疲劳构造细节对应的常数，ΔσS为纯钢梁的名义应力幅；
按以下算式(2)，获取式(3)中型钢混凝土组合梁内部H形钢梁的疲劳寿命提高系数ηNf；
ηNf＝f(ΔσS,ξ,ψ,[Δσ]R) (2)
式(2)中，ξ为型钢混凝土组合梁内部H形钢梁的含钢率，ψ为型钢混凝土组合梁内受拉纵筋的配筋率，[Δσ]R为型钢混凝土组合梁内受拉纵筋的疲劳强度；
步骤二、对型钢混凝土组合梁内部受拉纵筋进行疲劳设计或验算：
不考虑应力比影响时，按以下算式(4)，采用型钢混凝土组合梁疲劳试验直接回归的设计值S-N曲线进行疲劳设计或验算；
式(4)中，为受拉纵筋的疲劳寿命，CR为与受拉纵筋疲劳构造细节对应的常数，ΔσR为受拉纵筋形心处的名义应力幅；
当考虑应力比影响时，按以下算式(6)，得到考虑应力比影响的受拉纵筋设计值S-N曲线；
式(6)中，γr,ρ为型钢混凝土组合梁内受拉纵筋疲劳强度考虑应力比的调整系数；按以下算式(5)获得：
式(5)中，为受拉纵筋的疲劳应力比；
步骤三、对型钢混凝土组合梁受压区混凝土进行疲劳设计或验算：
按以下算式(7)给出的钢筋混凝土结构受压混凝土的疲劳S-N曲线，验算常幅疲劳情况下型钢混凝土组合梁受压区混凝土的疲劳寿命是否满足要求；在变幅疲劳情况下，则基于Miner线性累积损伤准则来验算累积损伤值是否超过临界值；
式(7)中，为受压混凝土的疲劳寿命；σc,min、σc,max分别为混凝土的最小、最大压应力；fcd,fat为混凝土疲劳设计强度，按照欧洲现行的混凝土结构设计规范Eurocode 2(BS EN1992-1-1:2004,BS EN 1992-2:2005)计算确定。
2.根据权利要求1所述的型钢混凝土组合梁疲劳设计方法，其特征在于，步骤二中，考虑应力比影响时，基于《混凝土结构设计规范(GB 50010-2010)》给出的钢筋混凝土结构受力钢筋的疲劳应力幅限值和应力比数据进行拟合，以应力比等于0.1的情况为基准。
3.根据权利要求1所述的型钢混凝土组合梁疲劳设计方法，其特征在于，算式(7)中的混凝土疲劳设计强度fcd,fat可选择性的替换为混凝土立方体抗压强度fcu。
4.一种权利要求1-3中任一权利要求所述的型钢混凝土组合梁疲劳设计方法的实施方法，其特征在于，采用如下步骤：
S1、计算型钢混凝土组合梁内部H形钢梁、受拉纵筋和受压混凝土的名义应力幅；
S2、在现行钢结构设计规范中已有的纯钢梁疲劳S-N曲线基础上，通过型钢混凝土组合梁内部H形钢梁的疲劳寿命提高系数进行修正，对型钢混凝土组合梁内部H形钢梁进行疲劳设计或验算；
S3、按型钢混凝土组合梁内受拉纵筋的疲劳设计方法分为不考虑应力比影响和考虑应力比影响两种情况；当不考虑应力比影响时，直接采用基于型钢混凝土组合梁疲劳试验结果的设计值S-N曲线进行疲劳设计或验算；当考虑应力比影响时，则通过应力比调整系数对设计值S-N曲线修正后再进行疲劳设计或验算；
S4、直接采用欧洲现行的混凝土结构设计规范Eurocode 2(BS EN 1992-1-1:2004,BSEN 1992-2:2005)给出的钢筋混凝土结构受压混凝土的疲劳S-N曲线对型钢混凝土组合梁受压区混凝土进行疲劳设计或验算。
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