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2022年度进展13:钢-混组合桥研究进展

 唐继舜 2023-07-25 发布于四川

01

前言

钢-混组合结构桥梁充分发挥了钢和混凝土各自的材料性能,通过连接件使两种材料协同受力,符合桥梁建设装配化、绿色低碳、可持续、易维护、智能化的建设理念,具有广阔的发展前景。近年来,钢-混组合结构桥梁在国内外发展迅速,各种创新成果不断涌现。随着对钢-混凝土组合结构研究的深入,新的组合结构形式不断出现,其研究理论将进一步完善。

钢-混组合结构桥梁2022年度进展主要搜集了来自各大常用数据库中的英文文献和中文文献,其中英文文献库包括:Whiley,Springer,Elsevier,ASCE;中文文献库来源:中国知网、万方。英文期刊主要包括:《Engineering structures》,《Thin-Walled Structures》,《International Journal of Steel Structures》,《Construction and Building Materials》,《Journal of Constructional Steel Research》,《Structures》,《Journal of Bridge Engineering》,《Journal of Structural Engineering》,《Advances in Structural Engineering》,《Composite Structures》,《International Journal of Steel Structures》,《Advances in Bridge Engineering》等。中文期刊主要包括《土木工程学报》,《中国公路学报》,《建筑结构学报》,《桥梁建设》,《建筑科学与工程学报》,《工程力学》,《铁道学报》,《土木工程与管理学报》,《公路交通科技》,《铁道科学与工程学报》,《西南交通大学学报(自然科学版)》等。

为了跟踪钢-混组合结构桥梁研究动态,掌握本领域研究热点以及发展趋势,西南交通大学高性能组合桥梁研究团队基于上述文献来源,对2022年度国内外学者在钢-混组合结构桥梁研究领域所取得的进展进行了扼要的梳理和总结。钢-混组合结构桥梁是国内外学者高度关注的热点问题之一,2022年度发表的文献远不止所列,欧洲和日本等国家和地区学者所发表的非英文文献未列入,国内学者发表的论文也可能存在挂一漏万之处。

02

钢-混组合梁性能研究

组合梁的研究主要分为六个部分内容:1)组合梁理论分析研究;2)组合梁受力行为研究;3)组合梁动力特性研究;4)组合梁疲劳性能研究;5)剪力连接件研究;6)组合梁在复杂环境下的力学性能研究。

2.1

 组合梁理论分析研究

研究者们通过理论分析,建立了组合梁理论模型,推导了组合梁力学性能的解析解。Lei等[1]基于能量变分法原理,建立了考虑徐变和滑移耦合作用下钢-混组合梁的能量方程,推导了钢-混组合梁轴力的二阶微分方程,得到了简支组合梁在不同荷载作用下轴力、挠度和滑移的计算公式。Jian等[2]采用弹性法和能量变分法研究了CFRP板加固钢-混组合梁在徐变作用下的界面受力行为,分析了设计参数对界面力学性能的影响,提出了界面滑移、轴向力和增量变形的计算公式。Sun等[3]提出了基于Timoshenko梁理论的系数矩阵法,用于分析两层部分相互作用组合梁的力学行为,利用该方法研究了剪力连接件刚度、剪切杨氏模量比和跨深比对剪切滑移的影响。冀伟等[4]综合考虑了钢-混组合梁的剪切变形、层间滑移、剪力滞效应及混凝土长期作用,利用能量变分原理推导了组合梁在长期荷载作用下挠度与应力理论计算公式。Huang等[5]基于虚功原理,建立了考虑纵向接缝混凝土和预制板混凝土(新旧混凝土)之间龄期差的时变剪力滞模型,用于预测钢-混组合梁的长期受力性能。Yao等[6]提出了考虑时间效应的钢-混组合简支梁内力的简化计算方法,基于Rusch本构,推导了钢-混组合梁的收缩和徐变内力的微分方程。

Liu等[7]基于板梁理论分析了工字钢混凝土组合梁(I-SCCB)畸变屈曲的机理,考虑混凝土板与钢梁上翼缘组合翼缘的转动约束效应,给出了I-SCCB在负弯矩作用下的临界弯矩计算公式。Cao等[8]提出了考虑混凝土开裂和界面滑移影响的钢-混组合梁负弯矩区刚度的计算方法。Zhang等[9]研究了转动约束和端部滑移对组合梁挠度和界面滑移的影响,给出了转动约束条件下组合梁的精确解析模型。Zhang等[10]基于弹性弯曲理论,推导了波形钢腹板组合梁中间支座附近混凝土法向应力的精确解析解,并针对工程应用提出一种混凝土法向应力的简化计算方法。

Liang等[11]研究了简支组合梁的临界剪切刚度,基于考虑界面滑移的弹性理论模型,推导了集中荷载、均布荷载和温差效应或收缩下的临界刚度方程。Zhang等[12]基于均匀化概念和等效剪切变形原理,将具有多个离散桁架单元的箱桁架组合梁简化为具有连续实心板的闭口薄壁箱型梁,利用箱桁组合梁的简化分析模型,计算了玻璃纤维增强聚合物(GFRP)-金属箱桁组合梁的等效扭转刚度。

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图 1简化分析模型的示意图[12]

Kim等[13]考虑了混凝土板刚度对组合梁腹板剪切屈曲强度的影响,引入了翼缘与腹板的刚度比来评估腹板的剪切屈曲强度,提出了改进的组合梁腹板剪切屈曲系数的计算公式。Araujo等[14]通过理论分析研究了均布负弯矩作用下工字形钢-混组合梁中钢腹板的横向变形屈曲(LDB)行为,揭示了钢腹板单曲率和双曲率LDB的力学特征。基于广义梁理论(GBT),提出了均布负弯矩作用下工字形钢-混组合梁LDB弯矩的计算公式。Hosseinpour等[15]通过对475个钢-混组合梁有限元模型进行大量参数研究,建立了一个可靠的数据库。基于所建立的数据库,采用人工神经网络(ANN)和多元回归(MR)两种方法,提出了钢-混组合梁横向变形屈曲(LDB)强度的预测公式。

张凡等[16]通过弹性地基梁理论和材料力学平面应力理论,建立了高强螺栓剪力连接件的受力模型,对荷载-滑移曲线前三个阶段的受力行为进行了理论分析。该模型能较为准确地模拟螺栓弹性阶段的极限值,能初步解释螺栓在弹性段抗剪性能随预拉力变化的原因,并得出了螺栓弹性段弯矩对其屈服极限影响有限的结论。

孙琪凯等[17]提出了基于Timoshenko梁理论分析钢-混组合梁自振特性的动力刚度矩阵法,该方法假设混凝土子梁和钢梁具有独立的剪切角,其大小与各自的剪切模量相关,该假设更加符合钢-混组合梁的实际运动状态,从而具有更高的计算精度。Sun等[18]提出了基于Timoshenko梁理论分析部分相互作用组合梁动力学行为的动态刚度矩阵法。Henriques等[19]提出了一种基于广义梁理论(GBT)的有限单元,用于计算钢-混组合梁的固有频率和振动模态。Shen等[20]基于Carrera统一公式(CUF),建立了钢-混组合梁的分量形式模型,可以分析钢-混组合梁的自由振动和应力状态。Adam等[21]提出了一种考虑组合梁层间滑移的自由和强迫微弯曲振动分析理论,基于欧拉-伯努利理论和线弹性材料本构,推导了组合梁的运动方程和边界条件。Wen等[22]利用三阶变形运动学,建立了双层组合梁的弯曲振动分析模型,用于预测双层组合梁在时变和移动荷载作用下自由和强迫振动响应。

Song等[23]提出了疲劳荷载作用下钢-混组合梁负弯矩区平均裂缝间距的修正公式和裂缝宽度的数值模型,裂缝宽度的数值模型包括梁-板界面和钢筋-混凝土界面的滑移计算公式,以及考虑疲劳效应的开裂截面的钢筋应力计算公式。Zhong等[24]建立了基于辐射能量转移法(RETM)的能量流模型,用于分析含边缘裂纹组合梁的高频响应。Liu等[25]基于界面可变形双层梁理论,开发了考虑界面法向和剪切柔度的双层梁单元,将其用于双层组合梁的弹性断裂分析,可快速准确得到双层组合梁的位移和能量释放率。

Fan等[26]建立了钢-混组合梁桥的竖向离散降维模型,可用于组合桥梁温度场的快速计算。基于MATLAB的状态方程实现了一维高效数值模型的求解。

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(a)组合桥截面               (b)垂直方向离散模型

图 2钢-混组合梁桥的竖向离散降维模型[26]

2.2

 组合梁受力行为研究

组合梁的受力行为指组合梁在弯矩、剪力、扭矩以及它们组合作用下表现出的力学性能,其受到材料、截面形式、剪力连接件等因素的影响。组合梁的抗弯性能一直是研究重点,研究者们探究了不同设计参数对组合梁抗弯性能的影响,包括剪力连接件的类型及布置、预应力的布置、混凝土材料、钢梁材料等,并提出了很多新型组合梁结构。

Zhang等[27]通过改变栓钉直径、高度、数量和混凝土强度研究了栓钉连接件的剪切性能对钢-混组合梁抗弯性能的影响,结果表明栓钉数量对组合梁的抗弯性能的影响最大,其次是混凝土强度,而栓钉尺寸的影响不大。Lin等[28]通过试验研究了混凝土板内设置伸缩缝的钢-混组合梁的力学性能,分析了伸缩缝位置、伸缩缝尺寸和加载条件对组合梁受力性能的影响,评估了当前设计规范中承载力计算公式对混凝土板内设置伸缩缝的钢-混组合梁的适用性。Lou等[29]通过数值模拟研究了不同钢筋类型和钢筋面积对两跨钢-混组合梁受力行为的影响,钢筋类型包括CFRP钢筋、GFRP钢筋和普通钢筋。

采用预应力是提高梁抗弯性能的常用措施,同样可应用于组合梁中。Almeida等[30]研究了预应力筋设计参数对体外预应力钢-混组合梁的受力性能的影响,设计参数包括预应力筋分布、预应力筋位置、初始预应力、预应力筋长度和跨度。Du等[31]建立了考虑混凝土与钢梁界面纵向滑移的预应力钢-混凝土连续组合梁的有限元模型,对弯曲试验全过程进行了数值模拟,分析了预应力钢-混凝土连续组合梁的力学性能和破坏机理。

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图 3预应力钢-混凝土连续组合梁加载[31]

Elbelbisi等[32]通过有限元建模研究了预应力筋设计参数对后张预应力钢-混组合梁受力性能的影响,研究参数包括预应力筋材料(钢、CFRP、AFRP和GFRP)、预应力筋位置、预应力筋长度、剪切连接程度、后张力水平和预应力筋线型布置。

强旭红等[33]采用张弦式预应力碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)板对钢-混组合梁进行抗弯加固,通过试验证明,该加固方法可以有效改善组合梁的受力性能,减小其初始挠度,提高其屈服荷载和极限抗弯承载能力;对组合梁的极限挠度降低很小,破坏时仍然表现出良好的延性特征。

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图 4后张预应力组合梁的有限元模型[32]

为进一步提高组合梁的抗弯性能,研究者们采用了各种新材料或者提出了新的结构形式。贺绍华等[34]通过试验研究了带PBL剪力连接件的高强钢(HSS)-超高性能混凝土(UHPC)组合梁的抗弯性能,分析了HSS-UHPC组合梁在剪切连接程度下的抗弯刚度、挠度、界面滑移、应变分布规律及钢梁与UHPC板的整体工作性。He等[35]研究了不同剪切连接程度、PBL布置方式和UHPC板厚度对高强钢(HSS)-超高性能混凝土(UHPC)组合梁抗弯性能的影响,同时评价了现有设计方法的可行性。

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图 5带PBL剪力连接件的HSS-UHPC组合梁示意图

Tong等[36]通过静载弯曲试验研究了高强度钢-超高性能混凝土(HSS-UHPC)组合梁的抗弯性能,分析了剪切连接程度和螺栓布置(单个螺栓和螺栓群)对HSS-UHPC组合梁抗弯性能的影响。

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图 6 HSS-UHPC组合梁构造图[36]

Shao等[37]提出了一种新型的热轧型钢(HRSS)-超高性能混凝土(UHPC)组合梁,通过四点弯曲试验研究了其弯曲和剪切性能,发现试件的破坏模式、裂缝形态和裂缝分布均与剪跨比密切相关。Shi等[38]提出了一种新型的现浇UHPC预制组合梁,与传统的钢-混组合梁相比,新型预制组合梁保留了快速装配和施工的优点;同时具有良好的抗弯性能,通过试验得到了新型预制组合梁的承载能力、破坏模式、裂纹扩展和变形特性,评价了预制组合梁的弯曲行为,提出了预制组合梁抗弯承载力和抗弯刚度的预测公式。

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图 7现浇UHPC预制组合梁[38]

Xiong等[39]通过试验研究了带有钢块剪力连接件(SBSCs)的高强度钢-预制混凝土板(HSS-PCS)组合梁的抗弯性能,分析了混凝土强度、钢材强度和剪力连接程度等参数对HSS-PCS组合梁抗弯能力的影响。Almeida等[40]研究了正弯矩作用下异形钢桥面板预应力钢-混凝土组合梁的受力性能,试验表明在组合梁中使用预应力可以显著改善其性能,增加屈服荷载和极限荷载,并减少服役荷载下的挠度。Gao等[41]提出了一种拼接浅组合梁,研究了采用不同剪力连接件的拼接浅组合梁的抗弯性能,包括钢-混凝土粘结力和开槽腹板剪力连接件,并推导了拼接浅组合梁的抗弯承载力预测公式。

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图 8 拼接浅组合梁[41]

Wu等[42]为解决型钢混凝土(SRC)结构中H型钢与钢筋相互干涉以及混凝土浇筑困难的问题,采用钢纤维代替SRC梁中的钢筋笼形成钢-钢纤维混凝土(SSFRC)梁,通过试验研究了剪跨比、H型钢比和钢纤维体积比对SSFRC梁力学性能的影响。蒋田勇等[43]采用CFRP筋代替普通钢筋,研究了CFRP筋钢骨混凝土组合梁的抗弯性能,运用梁的纯弯曲计算理论结合试验结果推导了钢骨混凝土组合梁开裂弯矩的计算公式。Sheta等[44]通过四点加载试验研究了冷弯型钢(CFS)-工程水泥基复合材料(ECC)组合梁的抗弯性能,考虑了CFS截面尺寸、厚度、形状和ECC层厚度对CFS-ECC组合梁抗弯性能的影响,提出了预测CFS-ECC组合梁抗弯承载力的计算公式。

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图 9 CFS-ECC组合梁加载装置[44]

陈康明等[45]通过试验和数值模拟研究了钢腹杆预应力混凝土(PC)组合梁桥的抗弯性能,得到了组合梁桥的破坏模式,提出了钢腹杆PC组合梁桥截面开裂弯矩、钢筋屈服弯矩和极限弯矩的计算方法。Li等[46]提出了一种新型的多腔钢-混组合梁,该组合梁采用内部开孔钢板将混凝土与钢结构连接,不再需要剪力连接件,通过试验和数值模拟研究了混凝土强度、钢材强度、孔隙率和内部多孔钢板角度对组合梁力学性能的影响。Ji等[47]提出了一种矩形钢管混凝土翼缘-蜂窝型钢腹板(SHC)组合梁,通过数值模拟研究了混凝土抗压强度、钢材屈服强度、高跨比、腹板高跨比、钢管翼缘厚度、腹板厚度和腹板开孔率对SHC组合梁抗弯承载力的影响。

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图 10 矩形钢管混凝土翼缘-蜂窝型钢腹组合梁示意图[47]

组合梁负弯矩区的混凝土容易开裂,会导致刚度退化和耐久性问题,因此组合梁负弯矩区的性能研究也是关注热点。研究者们提出了一系列措施以提高组合梁负弯矩区的力学性能,包括改善剪力连接形式、采用新材料加固等。

Su等[48]采用橡胶套筒栓钉连接件代替传统焊接栓钉连接件,实现了钢-混组合梁的部分剪力连接,以探究钢-混凝土层间部分剪力连接对组合梁负弯矩区力学性能的影响。Zhu等[49]通过试验和数值模拟研究了带华夫板的钢-UHPC组合梁(SUCBWS)的抗弯性能,分析了各项设计参数对SUCBWS受弯行为的影响。基于简化塑性理论,提出了负弯矩作用下SUCBWS抗弯承载力的计算公式。Qiu等[50]提出了一种采用超高性能混凝土(UHPC)层增强钢-混组合梁负弯矩区抗裂性的方案,通过对桥梁进行现场试验验证了所提新方案的可行性和有效性,总结了新方案在抗裂性、耐久性、可施工性和经济性方面与传统钢-混组合梁方案相比的优势。

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图 11使用UHPC增强钢-NC组合梁与常规方法对比

Wan等[51]提出在钢-混凝土组合梁负弯矩区使用薄层超高性能混凝土加固混凝土桥面板,形成钢-NC-UHPC组合梁。通过试验和数值模拟,研究了覆盖层混凝土的类型、界面剪切钢筋的布置以及是否设置钢丝网对钢-NC-UHPC组合梁结构性能的影响。

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图 12钢-NC-UHPC组合梁示意图[51]

Liu等[52]对3种不同结构形式的H型钢-混组合梁进行了试验研究,分析比较了3种组合梁在负弯矩作用下破坏模式、荷载-挠度曲线、挠度分布、界面滑移、裂缝分布和截面应变分布的异同。

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图 13 3种H型钢-混组合梁截面图[52]

Lu等[53]通过负弯矩区荷载试验和推出试验,研究了螺栓布置方式对钢-UHPC-NC组合梁负弯矩区力学性能的影响,以及不同推出试件中单个螺栓的荷载-滑移性能。陈全胜等[54]提出了适用于连续组合梁桥负弯矩区的钢-混凝土-ECC组合桥面结构,将表面一定厚度的混凝土替换为ECC,以提高连续组合梁桥负弯矩区的耐久性。Fan等[55]研究了波形钢腹板-ECC组合梁负弯矩区的受力性能。与平腹板组合梁相比,波纹腹板组合梁因其独特的“手风琴效应”使应变分布符合“准平面假设”,导致结构承载力下降;与NC板相比,ECC板提高了抗裂性能和承载力。

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图 14 波形钢腹板-ECC组合梁的破坏模式[55]

Song等[56]通过试验和数值模拟研究了CFRP板加固钢-混组合梁负弯矩区的抗弯承载力和抗裂性能,基于有限元模型分析了CFRP板布置宽度、布置位置、层数、纵筋配筋率和剪切连接程度对组合梁承载力的影响。Liu等[57]首次将混合连接FRP(HB-FRP)技术应用于钢-混凝土组合梁的加固,研究了CFRP板加固钢-混组合梁负弯矩区的受力性能。

考虑到组合梁由不同材料通过剪力连接件组合而成,其中混凝土与钢梁界面的抗剪性能以及剪力滞效应备受关注。Men等[58]通过试验研究了钢-混组合梁在负弯矩区的抗剪性能,分析了弯矩/剪力比、腹板高厚比、混凝土板厚度和腹板高宽比对组合梁破坏形态、腹板弹性屈曲荷载、极限荷载和腹板平面外变形的影响,提出了考虑腹板剪切屈曲和混凝土板抗剪贡献的组合梁抗剪强度计算公式。

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图 15 钢-混组合梁的破坏模式[58]

Wang等[59]通过推出试验研究了构造细节对装配式组合梁抗剪性能和破坏行为的影响,构造细节包括短钢筋的锚固长度和形状、短钢筋的布置方式以及预制混凝土部分和后浇混凝土部分的界面处理方式,提出了考虑负弯矩和构造细节影响的装配式钢-混组合梁抗剪承载力计算公式。Zhu等[60]通过试验研究了带华夫板的钢-UHPC组合梁(SUCBWS)在不同阶段的剪切工作机理,通过数值模拟进一步分析了各项设计参数对SUCBWS受剪行为的影响。考虑剪切连接程度和华夫板的剪切贡献,提出了负弯矩作用下SUCBWS抗剪承载力的计算公式。

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图 16 带华夫板的钢-UHPC组合梁构造图[60]

Mansour等[61]通过有限元模拟了外包超高性能纤维混凝土(UHPFRC)的H型钢组合梁的剪切行为,分析了外包效应以及钢梁的剪跨比和有效长度对组合梁的极限承载力、刚度、延性和破坏模式的影响。杨远龙等[62]考虑了剪跨比、混凝土翼板宽度、连接件间距及倾角、底部纵筋直径、栓钉和箍筋设置、U形钢腹板高厚比等参数的影响,对腹板嵌入式外包U形钢-混凝土组合梁(WUSCB)进行了试验研究和有限元分析,总结了WUSCB的剪切破坏模式和抗剪力学性能考虑混凝土、U形钢腹板和底部纵筋销栓作用对抗剪承载力的贡献,提出了WUSCB的抗剪设计方法。

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图 17腹板嵌入式外包U形钢-混凝土组合梁(WUSCB)示意图[62]

Zhao等[63]通过三点加载试验研究了U型钢-混凝土组合梁(USCCBs)的抗剪性能,确认了USCCBs在集中荷载作用下的剪切破坏模式和传力机理,提出了USCCBs抗剪承载力的计算公式。

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图 18 U型钢-混凝土组合梁示意图[63]

He等[64]为研究高强钢(HSS)-超高性能混凝土(UHPC)组合梁的剪力滞效应,对6根不同剪切连接程度、桥面宽厚比和桥面宽跨比的HSS-UHPC组合梁进行了试验研究和数值模拟,分析了HSS-UHPC组合梁的剪力滞效应和应力滞后系数沿梁纵向的变化规律。

Wang等[65]通过试验研究了斜拉桥双工字型钢-混组合梁(TICG)在弯矩、轴向和剪力作用下的剪力滞效应,建立了TICG的控制微分方程。李立峰等[66]从模型试验、理论分析、数值仿真中获得了变截面波形钢腹板-UHPC组合箱梁在不同边界和荷载条件下的剪力滞效应分布规律:在集中荷载下的纵向影响区内会出现剪力滞效应正负交替现象;截面变化剧烈的地方会出现负剪力滞效应。

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图 19变截面波形钢腹板-UHPC组合箱梁示意图[66]

特殊情况下,组合梁还会受到扭矩的作用,因此研究者们也探究了组合梁在扭矩作用下的力学行为。

Zhang等[67]研究了钢-混组合梁在纯扭转作用下的受力性能,重点分析了钢梁和混凝土板在纯扭转下的组合效应和荷载分担比。Huang等[68]结合扭转性能试验和理论分析,研究了波形钢腹板-钢管混凝土(CSW-CFST)桁架组合梁的扭转行为,包括扭转破坏模式、截面形式和钢管混凝土填充对其扭转承载力的影响。

随着列车运行速度不断提高,组合梁受到的动力作用日益加剧,组合梁动力响应显著,行车舒适性和结构安全性问题也越发突出,亟待解决。

Huang等[69]提出了一种新型的不锈钢-轻质混凝土-不锈钢组合梁结构,通过冲击试验研究了组合梁的弯曲冲击性能,提出了一种改进的单自由度(SDOF)模型来预测组合梁在冲击荷载作用下的动力响应。

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图 20不锈钢-轻质混凝土-不锈钢组合梁构造图[69]

Zhang等[70]通过试验和数值模拟,研究了槽钢-混凝土组合梁的动力学特性,分析了阻尼、加劲肋和混凝土桥面对结构振动的影响,结果表明,安装混凝土桥面和加劲系统可以减小结构振动。

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图 21 槽钢-混凝土组合梁的有限元模型和振动模态[70]

组合梁的疲劳问题日益明显,受到研究者们的广泛关注,主要包括组合梁的疲劳破坏形式以及其中剪力连接件的疲劳破坏形式、疲劳寿命评估等。

El等[71]通过疲劳加载试验研究了不同栓钉连接件布置方式对钢-混组合梁疲劳行为的影响,布置形式包括单排直径为22.2mm的全剪切连接栓钉,双排直径为15.9mm的全剪切连接栓钉,以及双排直径为15.9mm的部分剪切连接栓钉。Huang等[72]对波形钢腹板(CSW)和钢管(ST)桁架组合梁的热点应力分布、疲劳失效模式和疲劳寿命进行了系统研究,确定了最大热点应力位置和疲劳裂纹位置,还讨论了疲劳寿命评估方法。结果表明,线性外推适用于确定CSW和ST桁架组合梁的热点应力;最大热点应力出现在CSW斜腹板端点(S点);热点应力与弦杆直径、弦杆厚度、弯曲半径呈负相关,且对弦杆直径的敏感度最高。

陈康明等[73]研究了波形钢腹板-钢管混凝土(CSW-CFST)桁式弦杆组合梁的热点应力分布规律、疲劳性能演化和疲劳破坏形式,并与波形钢腹板-钢管(CSW-ST)桁式弦杆组合梁进行对比,分析了弦杆内混凝土改善组合梁疲劳性能的本质原因,探讨了CSW-CFST桁式弦杆组合梁疲劳寿命的评价方法。

2.3

 组合梁在复杂环境下的力学性能研究

随着组合梁应用环境越来越复杂,其在承受原有荷载的情况下还会受到外部环境作用的显著影响,将加快其劣化速度,导致组合梁的性能和使用寿命降低。为此,研究者们针对腐蚀、火灾、温度效应等复杂环境下组合梁的力学性能展开研究。

曹国辉等[74, 75]为研究腐蚀与荷载耦合作用下钢-混组合梁的长期性能,对腐蚀与荷载耦合作用225d后的钢-混凝土组合梁进行了极限承载力试验,分析了不同加载龄期、栓钉锈蚀率对钢-混组合梁极限承载力、跨中挠度和界面相对滑移的影响。Liu等[76]通过加速锈蚀和推出试验,研究了锈蚀螺栓连接件在耐候钢-混凝土组合梁中的静力和疲劳性能,揭示了锈蚀螺栓连接件在疲劳寿命期间内塑性滑移和弹性刚度的演变规律,提出了锈蚀螺栓连接件疲劳寿命的预测模型。王力等[77]考虑组合桥面板有效刚度、子梁微段内力平衡、子梁间变形协调和腹板剪切变形效应,建立了组合桥面板–波形腹板钢箱简支组合梁桥温度效应解析计算方法。

Wang等[78]研究了温度梯度对梯形腹板组合梁弯曲性能的影响,分析了梯形腹板组合梁温度梯度、挠度和轴向应变的分布规律,发现下翼缘对温度作用更敏感。Zhang等[79]基于某钢-混组合梁模型的长期温度监测数据,经过统计分析建立了组合梁的温度梯度模型,可以满足普通和长寿命组合梁桥的设计要求。周焕廷等[80]对比了腹板开孔与未开孔的预应力波纹腹板钢-混组合梁的抗火性能,分析了两者在高温下的破坏模式、临界温度、挠度、预应力拉索效率和荷载滑移曲线。

张岗等[81]为研究钢-混组合梁遭遇碳氢火灾时的耐火性能与抗火设计方法,对3榀大比例钢-混组合缩尺试验梁进行了局部受火试验,包括简支体系箱形截面梁、连续体系箱形截面和双肋工字形钢截面梁,揭示了组合梁截面类型和结构体系对组合梁耐火性能的影响机理。Wu等[82]基于不同的荷载比对4根不锈钢-混凝土组合梁进行了耐火试验,得到了试件的温升曲线、变形曲线、临界温度和破坏现象。发现荷载比对不锈钢-混凝土组合梁的抗火性能影响较大。

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图 22 不锈钢-混凝土组合梁加载装置[82]

03

 剪力连接件研究

剪力连接件的类型包括栓钉剪力连接件、螺栓剪力连接件、PBL剪力连接件以及其他改进的剪力连接件。主要通过推出试验或有限元模拟,研究内容主要是设计参数变化对剪力连接件抗剪行为的影响。

3.1

传统剪力连接件

Liang等[83]通过对推出试件进行静载和疲劳试验,研究了栓钉连接件在使用寿命期间内的滑移行为,建立了静载和疲劳荷载作用下栓钉载荷-滑移的计算模型。Alsharari等[84]通过数值模拟研究了栓钉剪力连接件渐进破坏对后张型预应力钢-混组合梁剩余承载力和剩余疲劳寿命的影响,分析了栓钉剪力连接件渐进破坏对钢-混凝土界面滑移、剪应力范围、压应变和拉应变的影响。

Fang等[85]通过试验和数值模拟研究了钢-UHPC组合梁中短栓钉剪力连接件的抗剪性能,分析了UHPC板厚、栓钉直径和浇铸方式对组合梁破坏模式、荷载-滑移关系、极限抗剪强度、抗剪刚度和延性的影响。武芳文等[86]探讨了混凝土类型、栓钉直径、栓钉长度对栓钉连接件极限抗剪承载力和剪应力有效分布规律的影响,研究表明栓钉剪应力沿杆长方向迅速减小,栓钉直径对剪应力有效分布长度影响显著。

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图 23 NC试件中直径13mm的栓钉极限状态下的Mises应力[86]

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图 24 UHPC试件中直径16mm的栓钉极限状态下的Mises应力[86]

Wei等[87]对UHPC内嵌短螺柱连接件的静态和疲劳行为进行了试验研究,开展了10个推出试件,包括3个静力试验和7个疲劳试验。通过静力试验确定螺栓的抗剪承载能力和荷载-滑移行为;通过疲劳试验研究螺栓的疲劳裂纹模式、疲劳强度和力学行为的退化。根据试验结果比较了现有文献中栓钉连接件抗剪承载力和荷载滑移曲线的预测公式,提出了合理的计算公式,建立了名义S-N曲线和塑性滑移演化和弹性刚度演化的预测公式。

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图 25 疲劳试验中栓钉连接件的疲劳开裂模式和断裂表面[87]:(a)典型栓钉连接件疲劳裂缝(b) FT-1; (c) FT-2;(d) FT-3; (e) FT-4; (f) FT-5; (g) FT-6; and (h) FT-7.

Christou等[88]详细分析了复合销钉在循环荷载作用下的承载行为,改进了现有的圆环形复合材料销钉特征榫头曲线的计算方法,并提出了一种确定循环载荷下复合销钉寿命的计算模型,能够考虑几何参数和载荷相关参数对复合材料销钉的使用寿命进行预测。刘世明等[89]设计并制作了54个SFRC焊钉-橡胶连接件,通过单调加载与循环加载推出试验研究了混凝土强度、焊钉直径、钢纤维体积掺量、橡胶套筒高度厚度、加载模式等对其受剪承载能力的影响规律。

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图 26 试件破坏模式[89]

张柳煜等[90]通过有限元仿真研究了混凝土空洞位置和空洞体积对剪力钉抗剪承载力的影响。邓文琴等[91]通过推出试验和有限元数值分析方法研究了焊钉的层间距和焊钉排数对集簇式焊钉连接件抗剪性能的影响,并提出了考虑焊钉层间据和焊钉排数引起的群钉效应的单钉抗剪承载能力折减系数计算公式。

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图 27 混凝土压碎情况[91]

袁晓静等[92]基于胶结-簇钉混合连接件件的推出试验研究了栓钉间距、直径和高度对该类连接件的破坏机理、滑移性能、受力次序和抗剪承载力的影响。

班慧勇等[93]针对新型可拆卸钢-混凝土组合梁抗剪连接件的受力机理和力学性能进行试验研究,分析了其破坏模式、荷载-滑移响应以及可拆卸性能等,并提出了该类新型抗剪连接件摩擦型抗剪承载能力和承压型抗剪承载能力的计算方法。张凡等[94]通过弹性地基梁理论和平面应力理论建立了高强螺栓建立连接件的受力模型,并对其摩擦阶段、滑移节段和滑移后弹性节段的受力行为进行分析与验证。范亮等[95]开展了10个装配式群钉剪力键和3个现浇群钉剪力键的推出试验。王激扬等[96]研究了栓钉直径、保护层厚度和配筋率对自密实高强纤维混凝土(HSFC)中短栓钉连接件的抗剪承载能力的影响。

张有佳等[97]对比了普通混凝土和赤铁矿混凝土中栓钉连接件的破坏模式、极限抗剪承载力,并通过推出试验分析了栓钉直径、栓钉长径比、栓钉屈服强度和赤铁矿混凝土强度对连接件抗剪承载能力的影响。祝兵等[98]结合大量数据和作用的统计参数提出了采用JC算法逆运算求解PBL剪力连接件承载能力抗力分项系数的方法,并给出了不同工况作用下系数的取值。Meng等[99]通过分析文献中的荷载-滑移曲线和破坏模式,提出了一种用于描述栓钉剪力连接件剪切行为的解析模型。

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图 28栓钉连接件分析模型[99]

Karam等[100]采用刚性弹簧模型(RBSM)和实体有限元耦合模型,对PBL剪力接头在不同侧压力作用下的混凝土损伤过程进行了分析研究。结果表明模型能够较好地模拟试验剪切能力和破坏模式,探明试件内部失效过程。

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图 29 直径为75mm试件的分析模型[100]:(a)混凝土模型;(b)钢板模型;(c)PBL试件模型

Peng等[101]通过推出试验和有限元模拟,研究了钢-钢纤维增强混凝土(SFRCC)组合梁中栓钉剪力连接件的剪切性能和破坏机理,分析了栓钉尺寸对钢-SFRCC组合梁剪切性能的影响,给出了钢-SFRCC组合梁中栓钉连接件的荷载-滑移曲线和极限抗剪承载力预测公式。Wang等[102]通过数值模拟研究了钢-轻骨料混凝土组合梁(SLACCB)中栓钉剪力连接件的抗剪性能,分析了混凝土强度、混凝土表观密度、栓钉直径和栓钉抗拉强度对SLACCB中栓钉剪力连接件受剪行为的影响。Wang等[103]通过推出试验研究了预埋螺栓剪力连接件的抗剪性能,分析了螺栓直径和预紧力对其破坏模式、力-位移响应、初始滑移载荷、抗剪承载力、剪切刚度和峰值滑移的影响,并提出了该螺栓剪力连接件的剪切强度计算公式。

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图 30 推出试件和预埋螺栓剪力连接件的构造图[103]

Salah等[104]通过推出试验研究了冷弯型钢(CFS)组合梁中螺栓剪力连接件的性能,研究参数是螺栓直径(10mm和14mm)和CFS组合梁的截面类型(工字形和箱形)。Chen等[105]为了减小螺栓与孔洞的间隙,提出了三种新型的螺栓连接件,通过推出试验研究了三种新型螺栓连接件在钢-UHPC组合梁中的剪切行为,并与焊接栓钉连接件进行比较,得到了四种剪力连接件的破坏模式、荷载-滑移曲线、抗剪性能、抗滑移性能、延性和剪切刚度。

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图 31 三种新型螺栓连接件示意图[105]

Zhang等[106]通过有限元建模研究了钢-钢纤维混凝土组合梁中高强度摩擦预紧螺栓(HSFGB)的传力机理,分析了影响HSFGB剪切性能的因素。结果表明:预紧力是影响HSFGB在正常使用极限状态下剪切性能的主要因素,而HSFGB直径是影响其在承载能力极限状态下刚度和剪切强度的最主要因素。

Luo等[107]研发了一种新型的屈服钢可拆卸螺栓连接件(SYDBC),用于装配式钢-混组合梁(PSCCB)的快速安装和拆卸。通过试验研究了SYDBC的剪切性能和PSCCB的极限承载力。Chen等[108]提出了一种T形预埋螺母螺栓剪力连接件(T-ENBC),通过推出试验和数值模拟研究了T-ENBC在钢-混组合梁中的抗剪性能,得到了其破坏模式、荷载-滑移曲线、极限抗剪承载力和剪切刚度,分析了螺栓直径、预埋螺母长度和预埋螺母类型对其抗剪性能的影响。

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图 32 使用T-ENBC的组合梁构造图[108]

Peng等[109]通过推出试验和有限元模拟,研究了钢-钢纤维混凝土(SFRCC)组合梁中PBL剪力连接件的抗剪性能,分析了SFRCC强度、钢板开口直径和厚度和钢筋屈服强度对PBL剪力连接件抗剪承载力的影响。

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图 33 钢-SFRCC组合梁中PBL剪力连接件的失效模式[109]

3.2

新型连接件

除了传统的剪力连接件,研究者们还提出了很多新型连接件和改进的剪力连接件。Ma等[110]提出了一种新型的栓钉组合式连接件,通过试验研究了栓钉组合式连接件的抗剪性能、破坏机理和应力应变性能。与传统栓钉连接件相比,新型栓钉连接件具有更好的延性、变形性能和抗剪性能。Song等[111]提出了一种锥形铁螺栓(TIB)剪力连接件,以方便在使用周期内单独更换剪力连接件和混凝土板,通过加速腐蚀试验研究了TIB剪力连接件在严重腐蚀后的可拆卸性,通过推出试验研究了TIB剪力连接件更换前后的抗剪性能以及其应用在可拆卸钢-混凝土组合梁中的可行性。

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图 34 TIB剪力连接件示意图[111]

Guo等[112]提出了一种使用超高性能混凝土(UHPC)作为后浇混凝土的预制混凝土桥面板-钢梁-连接混凝土(PCSC)连接件。基于PCSC连接件推出试验结果,建立了钢-UHPC界面黏结退化的精细化分析模型,研究了PCSC连接件的抗剪机理分析了栓钉直径、栓钉高度、栓钉间距和混凝土强度对PCSC连接件力学性能的影响。

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图 35 PCSC连接件推出试件的有限元模型[112]

Zhang等[113]提出了一种带翼缘的嵌入式剪力连接件(ESCF),通过推出试验研究了ESCF的抗剪性能和破坏模式,并与无翼缘的嵌入式剪力连接件(ESC)进行比较;通过数值模拟研究了各设计参数对ESCF抗剪性能的影响,并提出了预测ESCF抗剪强度的分析模型。

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图 36 带翼缘的嵌入式剪力连接件(ESCF)示意图[113]

Ding等[114]提出了一种新型角钢连接件,通过弯曲试验研究了角钢连接件的强度、刚度和抗滑移性能,通过推出试验仿真模拟研究了角钢连接件屈服强度和翼缘厚度对其强度的影响。

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图 37含角钢连接件的钢-混组合梁示意图[114]

严加宝等[115]提出了一种增强槽钢连接件,用于提升双钢板-混凝土组合梁的结构性能。研究了混凝土种类(超高性能混凝土和普通混凝土)、剪跨比、钢板厚度及连接件间距对双钢板-混凝土组合梁抗弯性能的影响。

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图 38采用增强槽钢连接件的双钢板-混凝土组合梁示意图[115]

Lima等[116]通过推出试验和数值模拟研究了直角桁架剪力连接件的抗剪性能,分析了直角桁架剪力连接件中杆直径和混凝土强度对直角桁架剪力连接件抗剪性能的影响,并提出了直角桁架剪力连接件抗剪承载力的计算公式。

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图 39直角桁架剪力连接件示意图[116]

Wolters等[117]考虑了输入参数的随机分布以及力的重分配,从概率角度研究了钢-混组合梁中组合销的疲劳行为。通过蒙特卡罗模拟确定组合梁的破坏概率,采用有限元薄板模型计算了组合销剪力连接件的性能退化,评估了对组合梁疲劳行为影响最大的输入参数。

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图 40组合销和剪力钉裂纹扩展的对比[117]

Wang等[118]发明了一种新的三折板剪力连接件,并通过推出试验获取了新连接件的力学性能和承载能力。Xue等[119]提出了一种将栓钉焊接在PBL连接器的穿孔钢板上的新型复合剪力连接件,并通过推出试验研究了孔数、焊钉数和端部轴承模式对复合接头剪切性能的影响。

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图 41 1/2试件示意图[119]

Zhu等[120]对聚丙烯纤维混凝土复合剪切接头推出试件进行了静力试验和数值模拟,建立了聚丙烯纤维混凝土- PBL组合剪力连接件抗剪承载力的计算公式。

04

钢管混凝土新型组合结构研究

钢管混凝土组合结构常以拱桥拱肋、钢混组合桁架和桥墩出现在桥梁工程中。钢管混凝土具有承载力高、塑性和韧性好、施工方便和耐火性能好等优点而得到了较为广泛的应用。国内外学者们对钢管混凝土构件的力学行为进行了大量的研究,包括短柱的轴压试验研究和长柱的偏压试验研究等。近年来结合土木工程发展需求,新型钢管混凝土结构日益得到关注。

4.1

钢管再生混凝土结构

学者们对钢管内填充新材料的钢管混凝土构件进行了研究。再生骨料混凝土是一种绿色新材料,但强度低,将其运用到钢管混凝土结构上,钢管的约束作用可以弥补这一不足,Zhong等[121, 122]研究了钢管再生混凝土压弯组合作用下的性能,王成刚等[123]以试验的方式研究再生混凝土长柱极限承压状态,指出再生粗骨料取代率的提高会减小钢管混凝土柱的承载力。Zhang等[124]研究了钢管自燃煤矸石骨料再生混凝土的轴压性能。为了解决再生混凝土强度不足的问题,学者们提出将地聚合物与再生粗骨料结合形成地聚物再生混凝土。惠存等[125]研究了不同长径比的钢管地聚物混凝土柱的受压破坏现象,Fang等[126]等研究了地聚物混凝土的压弯和剪弯性能,陈宇峰等[127]研究认为钢管地聚物再生混凝土短柱的受压承载力随粗骨料的取代率提升而减小,但延性适当增大;颜桂云等[128]对钢管砖骨料地聚物再生混凝土长柱进行了偏压受力研究,指出砖骨料取代率为70%内时,构件仍能保持较高的承载性能。

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图 42 圆形钢管地聚合物再生混凝土短柱试件轴压破坏模式[126]

Kim等[129]在钢管再生混凝土柱中添加了钢纤维以提高其性能,对其抗剪性能进行了研究。为了使钢管与核心混凝土之间更好的粘结以共同受力,学者们致力于改善混凝土的自膨胀性。周孝军等[130]、王致成等[131]从混凝土的掺合料入手,分别研究了高钛矿渣砂和粗钢渣掺合率对钢管混凝土短柱受压性能的影响;陈咏明[132]对比了添加膨胀剂前后钢管混凝土短柱的受压行为,郑宇宙等[133]研究了不同截面形式的高强钢管混凝土加入膨胀剂后的表现。Liu等[134]对钢管自应力混凝土长柱的偏压性能进行了试验研究,提出了一种基于纤维离散的钢管混凝土长柱极限承载力数值计算方法。Qu等[135]考察了钢管自密实混凝土长柱在双轴偏压下的力学表现。采用高强度钢和高性能混凝土对钢管混凝土性能的提升更为直接。张斌等[136]对钢管超高强混凝土柱,曾志伟等[137]对高强钢和高强混凝土柱进行了试验研究,Lin等[138]对不相等固端弯矩下的钢管UCHPC柱进行了试验研究,Jiang等[139]和Li等[140]进行了高强钢管高强混凝土柱有限元分析。

4.2

中空夹层钢管混凝土结构

研究者们通过改变钢管混凝土柱截面形式的方式,来改善钢管混凝土的受力性能。中空夹层钢管混凝土相比于钢管混凝土用料更少、自重更轻,近年来受到研究者们的广泛关注。Tiwary[141]利用试验探究了截面空心率等几何因素对中空夹层圆钢管混凝土短柱受压性能的影响。廖栩等[142]、焦晨星等[143]对中空夹层圆钢管混凝土的压扭行为试验探索。陈庆胜等[144]、黄明祥等[145]分别对锥形中空夹层钢管混凝土短柱的受压行为、长柱的受弯破坏过程进行了试验研究。Zheng等[146]基于纤维梁单元法对中空夹层圆钢管混凝土弯曲承载力和刚度进行了参数研究。丁纪楠等[147]提出在中空夹层钢管混凝土柱外侧再配置一层包含纵筋和箍筋的钢筋混凝土层,形成钢管混凝土-钢筋混凝土组合结构,但试验结果表明该种组合柱的极限受压状态受外层钢筋混凝土控制,钢管混凝土部分的受压性能没有充分发挥。将中空夹层钢管混凝土的中空部分用混凝土填充,形成的多层钢管混凝土结构可以有效地提升构件的受压承载力。Tokgoz[148]等对中空夹层钢管混凝土和双层钢管混凝土在偏心受压情况的力学张素梅等[149]、李孝忠等[150]对圆钢管约束加强的方钢管混凝土短柱的轴压性能进行了试验和有限元参数研究,提出了该种组合柱的承载力计算式。史艳莉等[151]通过试验对圆管约束的圆钢管混凝土构件、方管约束的圆钢管混凝土构件的受压行为进行了探究,结果表明圆管约束对对承载力的提高效果较方管约束更为显著。此外,任志刚等[152]还提出在钢管混凝土外层设置预制UHPC板作为模板,在钢管与UHPC板之间再浇筑混凝土形成组合柱,并对其进行了承载力试验研究。

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图 43 UHPC模板-钢管混凝土叠合短柱[152]

赵晖等[153]将多层钢管混凝土的理念应用于中空夹层钢管混凝土构件,提出内钢板中空方形钢管混凝土叠合柱,以试验方式研究了该种组合柱的受压破坏模式。王卫华等[154]在试验研究方管约束的圆钢管混凝土柱受压性能时,使用了不锈钢管和再生混凝土。与设置多层钢管混凝土思路类似,学者们提出在钢管混凝土内部设置横向钢筋或箍筋[155, 156]、型钢[157]、格构式钢骨架[158, 159]、钢管内外壁设置加劲肋[160-162]等加强钢管混凝土柱的方式,试验结果表明这些手段均可达到提升钢管混凝土短柱抗压强度、刚度和延性的目的。同时,陈庆胜等[163]、王先铁等[164]对内置格构式钢骨钢管混凝土长柱分别在偏压和受弯下的表现进行了试验研究。在一些临时性结构如施工栈桥、支架上,为减轻结构重量,学者们提出采用薄钢管混凝土。郝文秀等[165]通过试验研究了长细比和混凝土强度对薄壁钢管混凝土柱的受压性能的影响,郑宏宇等[166]为了使核心混凝土与薄壁钢管的轻质性相匹配,采用了陶粒骨料再生混凝土进行了试验研究。除了常用的圆钢管、方钢管、以及两者组合形成的钢管混凝土构件,学者们还尝试提出了带直角等六边形钢管混凝土[167]、圆台形钢管混凝土[168]、圆端形钢管混凝土[169],多腔异形钢管混凝土[170-172]等新种类构件,试图提升钢管混凝土柱的受力性能,或满足结构的各种特殊需求,并对其进行了承载极限试验研究。

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图 44 内钢板中空方形钢管混凝土叠合柱[153]

4.3

钢管混凝土节点

钢管混凝土桁架广泛应用于大跨度拱桥的拱肋、钢混组合桁架梁和格构式桥墩,其弦杆为钢管混凝土,腹杆为空心钢管或钢梁。钢管混凝土桁架的弦杆与腹杆交汇形成的节点是该结构的关键部位,通常是焊接而成的相贯关节点或板-管节点。由于该类节点几何形式复杂,焊接难度大,其疲劳问题尤为突出。学者们就钢管混凝土节点的静力和疲劳行为展开了一系列研究。姜磊等[173]汇总了国内外报道的圆形和矩形钢管混凝土节点试验数据,对钢管混凝土节点在各种工况下可能的破坏形式进行了阐述,对破坏机理进行了分析阐释,提出钢管混凝土桥梁节点设计流程,并给出节点承载力计算方法。王政通等[174]通过试验研究了支管搭接率和加劲板构造对高强方钢管轻骨料混凝土桁架加劲搭接K形节点承载力的影响。赵文杰等[175]提出了一种随机局部腐蚀和长期荷载耦合作用下钢管混凝土K形节点的有限元模拟方法,利用计算模型分析了经历随机腐蚀的钢管混凝土K形节点的破坏模态,提出了节点剩余承载力公式。

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图 45钢管混凝土随机局部腐蚀K形节点模型[175]

在钢管混凝土管节点的疲劳研究方面,卫星等[176]采用有限元方法,对钢管混凝土桁架T形管节点热点应力集中系数进行了参数研究,提出了T形管节点热点应力集中系数计算公式。陈康明等[177]结合模型试验和有限元分析,对钢管混凝土K形节点应力集中系数继进行了研究,在理论分析的基础上,提出了应力集中系数缓解系数概念。姜磊等[178]基于矩形钢管混凝土桁架的静力试验结果,评价了现有文献中关于矩形钢管混凝土节点应力集中系数计算公式的适用性。姜磊等[179]以一座钢管混凝土桁架拱桥为例,从疲劳荷载的选取、疲劳应力幅的计算、节点疲劳抗力的确定等方面,详细阐述了使用热点应力法对钢管混凝土桁式拱桥节点进行疲劳评估的流程。吴庆雄等[180]对阵列式布设内栓钉的钢管混凝土K型节点足尺模型疲劳性能进行了试验研究,给出了热点应力的外推建议,总结了节点疲劳裂纹扩展的发展规律,通过有限元分析,探究了内栓钉布置形式对节点疲劳性能的影响。王宇航等[181]通过试验和有限元参数分析对钢管混凝土加劲环管板节点的受拉破坏行为进行了研究,推导了该种节点的点受拉极限承载力的理论计算模型。

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图 46 阵列式布设内栓钉的钢管混凝土K型节点[180]

4.4

钢管混凝土界面行为

钢管与核心混凝土之间的可靠粘结是保证两者协同受力成为组合结构的关键,如何确定钢管与混凝土之间的极限粘结力,以及二者非同步受力时,界面滑移的分布与荷载传递长度,是钢管混凝土粘结作用研究的核心问题。王秋维等[182]通过试验对方钢管超高性能混凝土界面黏结滑移性能进行了研究,提出了以摩擦力和机械咬合力相加形式的界面粘结力计算公式。陈宗平等[183]着眼于不同高温冷却后对方钢管再生混凝土界面黏结性能的影响,在归纳试验现象和数据的基础上,提出了高温冷却后方钢管混凝土界面粘结强度与滑移本构的数值公式。程高等[184]基于理想假设,从钢-混界面滑移控制方程入手,建立了矩形钢管混凝土界面滑移与界面抗剪刚度的理论解法,并对钢管与混凝土非同步受力时的荷载传递长度进行了探讨。

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(a)微元体模型               (b)受力模型

图 47微元体受力模型 [184]

Li[185]等推导了双层钢管混凝土钢-混界面接触应力的弹性力学解。Huang等[186]对双层钢管自密实混凝土柱进行了推出试验,发现夹层混凝土与内层钢管的粘结起主要作用,混凝土的膨胀性只对夹层混凝土与外层钢管的粘结力有效。Singh等[187]、Alemayehu等[188]采用有限元方法对钢-混接触面摩阻条件、钢管内壁剪力键形式等因素对钢管混凝土粘结的影响进行了研究。文献[189]以一座钢管混凝土桁架桥为案例,指出可以通过比较钢管纵向应变来评判钢管混凝土的粘结状态。还有学者在钢管混凝土脱粘识别的无损检测方法上进行了信号处理方面的相关探究[190],也为钢管混凝土试验研究提供新思路、新手段。

随着交通土建领域对智能建造需求的日渐提高,研究者们开始关注于复杂环境与工程力学多场耦合下的钢管混凝土性能。虞庐松等[191]试验研究了不同低温下,钢管混凝土短柱的受压破坏模态,指出钢管混凝土柱承载力随温度的降低而提升,并给出了承载力温度影响系数计算式。

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(a)剪切型破坏 (b)腰鼓型破坏

图 48 核心混凝土破坏模式[191]

史智伟等[192]完成的钢管混凝土短柱冻融循环试验结果显示:随着冻融循环次数的增加,钢管混凝土柱的破坏模式没有变化,构件的极限承载力下降,下降幅度受套箍率和核心混凝土强度的影响。Xu等[193]经过试验研究给出了冻融循环次数与钢管混凝土粘结力下降的对应关系。李振林等[194]采用通电加速腐蚀的方式对钢管混凝土柱进行了局部腐蚀,进行了腐蚀后钢管混凝土柱的受压试验,发现局部腐蚀深度45%为承载力变化的临界值,通过引入无效约束混凝土面积概念,提出了考虑局部腐蚀的钢管混凝土柱承载力计算模型。

05

总结与展望

通过对2022年国内外学者在钢-混组合梁桥方面所作研究的综述,以研究对象分类,将所搜集文献主要分为三大类,第一类是对钢-混组合梁力学行为研究,第二类是抗剪连接件力学性能的研究,第三类是钢管混凝土结构力学性能的研究。

(1)对于钢-混组合梁力学行为研究,学者们在此前研究成果的基础上改进了组合梁力学行为的理论分析方法,还研究了连接件等细部构造对组合梁整体静、动力学性能的影响;新材料和新结构形式也在组合桥梁中不断涌现,高强钢、UHPC、ECC和碳纤维等的运用提高了组合梁的力学性能,多腔钢-混组合梁、矩形钢管混凝土翼缘-蜂窝型钢腹板(SHC)组合梁等新结构的出现也为钢-混组合梁的发展注入了新鲜血液;复杂环境和复杂荷载工况对组合梁整体服役性能的影响逐渐成为研究热点和难点。

(2)对于抗剪连接件力学性能的研究,学者们对传统的栓钉连接件和PBL连接件的力学行为进行了更加深入的研究,此外还探索了混凝土孔洞缺陷、腐蚀环境和疲劳荷载等因素对栓钉连接件抗剪承载力的影响;UHPC、钢纤维混凝土、轻骨料混凝土等新材料也用于传统的连接件中,改善了其工作性能;更多改进连接件、复合连接件、新型连接件也相继被提出和运用。

(3)对钢管混凝土力学性能的研究,学者们对不同内填混凝土、不同钢管截面形式钢管混凝土的短柱轴压性能和长柱的偏压性能进行了大量研究;还对钢管混凝土节点的静力和疲劳行为进行研究并提出了相应的理论计算模型;高性能材料、绿色建筑材料在钢管混凝土结构中的应用、钢管混凝土界面力学行为、复杂环境下钢管混凝土力学性能等问题成为研究的热点。

06

作者介绍

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卫星,教授,博导,四川省学术与技术带头人后备人选,中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会理事。长期致力于钢结构及钢-混凝土组合结构桥梁损伤机理应用基础研究,长期从事《钢结构设计原理》、《钢桥与组合结构桥梁》及《桥梁结构分析理论及方法》教学工作。在钢-混组合结构体系、焊接细节疲劳损伤机理及结构性能劣化机理三方面开展了卓有成效的创新性研究。主持和主研完成各类科研项目40 余项,发表学术论文150余篇。

主要研究方向:(1)钢-混组合结构桥梁复杂力学行为;(2)复杂服役条件下桥梁性能退化行为;(3)桥梁信息化及智能化技术。电子邮箱:we_star@home.swjtu.edu.cn

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肖林,副教授,工学博士,西南交通大学桥梁工程系副主任,中国钢结构协会桥梁钢结构分会理事。长期从事桥梁钢结构、钢-混组合结构桥梁的计算分析理论、耐久性方面的研究,并在桥梁结构动力学进行了较深入研究,主要承担《桥梁工程》、《钢桥与组合结构桥梁》教学工作。在钢-混组合桥梁剪力键、长期性能以及混合桥梁结构行为方面进行了较为系统的创新研究。主持和主研完成各类科研项目20余项,发表学术论文60余篇;获得各类专利15项、软件著作权1项。

主要研究方向:(1)新型高性能组合桥梁;(2)钢-混组合桥梁耐久性;(3)桥梁结构微振控制与利用。电子邮箱:xiaolin@ swjtu.edu.cn

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温宗意,博士研究生,主要研究方向为钢-混组合结构桥梁复杂力学行为、复杂服役条件下桥梁性能退化行为。电子邮箱:zongyi@my.swjtu.edu.cn

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李刚,博士研究生,主要研究方向为钢箱梁空间力学行为、钢结构稳定性。电子邮箱:25351756@qq.com

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康志锐,博士研究生,主要研究方向为新型高性能组合桥梁、钢-混组合桥梁耐久性。电子邮箱:kangzhirui@my.swjtu.edu.cn

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赵骏铭,博士研究生,主要研究方向为钢及钢-混组合结构的疲劳。电子邮箱:junming.zhao@my.swjtu.edu.cn

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柳青,博士研究生,主要研究方向为缆索系统在复杂服役环境下的损伤及失效机理研究。电子邮箱:13105322968@163.com

07

参考文献

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