闭口型压型钢板-混凝土组合板疲劳性能试验研究
杨
勇1,2聂建国2杜明珠1杨文平1
（1.华侨大学，福建泉州362021；2.清华大学，北京100084）
分隔缝摘要：为研究闭口型压型钢板-混凝土组合板的疲劳性能，完成14块闭口型压型钢板-混凝土组合板的疲劳试验研究。试验主要考察组合板端部栓钉布置、组合板板厚、疲劳荷载水平及组合板加载剪跨比等4个主要因素对组合板疲劳破坏模式及疲劳损伤程度的影响。试验过程中对组合板在各个关键阶段的动挠度、动滑移、压型钢板及混凝土应变、组合板残余挠度及组合板剩余承载能力等参数进行测量和分析。在试验研究基础上，根据组合板疲劳破坏形态及损伤发展情况，着重对组合板的疲劳性能进行较全面研究，初步提出组合板疲劳性能水平评估方法及组合板疲劳设计建议。试验研究结果表明，无栓钉组合板的疲劳性能明显差于带栓钉组合板，布置栓钉可大大提高组合板疲劳性能；无栓钉组合板的设计疲劳荷载上限可以取为40%的静力极限荷载，而带栓钉组合板的设计疲劳荷载上限可以取为60%的静力极限荷载。研究结果为闭口型压型钢板-混凝土组合板疲劳设计计算提供有利依据。
关键词：闭口型压型钢板；闭口型压型钢板-混凝土组合板；疲劳性能中图分类号：T U 398
文献标识码：A
文章编号：1000-131X （2008）12-0035-07
Experimental study on fatigue performance
of clod profiled steel sheeting -concrete composite slabs
Yang Yong 1,2Nie Jianguo 2Du Mingzhu 1Yang Wenping 1
（1.Huaqiao University,Quanzhou 362021，China ；2.Tsinghua University,Beijing 100084，China ）
Abstract:A ries of experiment were conducted to study the fatigue performance of clod profiled steel sheeting -concrete composite slabs,a type of steel -concrete composite slabs compod of a new type of profiled steel sheeting named BONDEKII and produced by Blue -scope cooperation.Fatigue experiments of 14composite slab specimens were conducted.The study was focud on the influence of four main factors including stud layout at slabs end,thickness of slabs,shear span ratio and the fatigue load level on the performance of the composite slabs under fatigue load.During the experiments,some key variables,such as the dynamic deflection,dynamic slip,
strains of steel sheeting and concrete,residual deflection of the composite slab specimens and so on,were measured and analyzed.Bad on the experiment results,the fatigue performance and the design method for the composites were also prented.The conclusions are:1）Studs at the end of the composite slabs played important roles in the static performance of the composite slabs,with the composite slabs with studs at the end showing better performance than tho without studs;2）For tho composite slabs specimens with shear span ratio larger than 3.0,the fatigue strength could be equal to 40%of the static strength of the composite slabs without studs at the end,and 60%of the static strength for the composite slabs with studs at the end.
Keywords:clod profiled steel sheeting;clod profiled steel sheeting -concrete composite slabs;fatigue performance;vibration characteristics E -mail:*****************
基金资助：国家自然科学基金重点项目（50438020）、国家自然科学青年基金（50708040）和福建省自然科学基金（E0540006）作者介绍：杨勇，博士，副教授收稿日期：2007-10-10
土木工程学报CHIN A CIVIL ENGINEERING JOURNAL
第41卷第12期2008年12月
Vol.41No.12Dec.
2008
·
·土木工程学报2008年
引言
土木工程结构如厂房结构、桥梁结构、海洋结构等，会经常受到机械振动、车辆疲劳振动等重复循环荷载的作用。压型钢板-混凝土组合板目前在房屋建筑、工业厂房和桥梁工程中均得到较广泛的应用，经常受到振动荷载和疲劳荷载等动力荷载作用［1］。但是压型钢板与混凝土之间的共同作用性能对动力荷载非常敏感，在动力荷载作用下，压型钢板与混凝土之间的纵向抗剪切性能会明显退化，导致压型钢板混凝土组合板的组合作用降低，进而引起承载能力及刚度发生退化，影响组合板的受力性能。在动力荷载较大的情况下，由于承载能力的退化及累积损伤，会发生组合板的疲劳破坏。因此在组合板承受动力荷载作用下的设计计算中，需要充分考虑到振动和疲劳等动力荷载作用［2-5］。
随着压型钢板-混凝土组合板在工业厂房和大型电厂中越来越广泛的应用，组合板在动荷载作用下的动力特性和疲劳性能问题也日渐受到工程界的较大关注。虽然目前国内外关于压型钢板混凝土组合板在静载作用下的研究工作开展较多，并且均已形成了相应的设计规范及规程，但是国内外关于压型钢板-
混凝土组合板在动力荷载作用下的振动和疲劳等受力行为及相应设计方法研究开展相对较少，尚未形成相应的设计方法［1-2］，对组合板在疲劳荷载下的破坏机理、受力性能、承载力计算和变形计算等方面的研究，还存在许多理论和技术上的难题尚未解决。因此，开展压型钢板-混凝土组合板在疲劳荷载作用下的受力行为及设计方法研究具有较重要的工程实践意义。
1组合板疲劳性能试验研究
1.1闭口型压型钢板形式
本试验中压型钢板采用来实公司（L ysaght C ooperation）生产的B O NDE KⅡ型闭口型压型钢板，该板型的具体参数及截面特性详见表1及图1~图2。
1.2组合板疲劳试验试件设计
参考国内外已有研究资料并结合工程实际情况［6-9］，对14块组合板试件进行疲劳试验，组合板试件参数见表2。14个组合板试件中有7块为端部不设置栓钉，4块为端部设置栓钉（栓钉布置方式见图3）。在疲劳试验过程中，发现不设栓钉的组合板试件疲劳承载能力相对较差，因此，在原有试件的基础上，结合实际工程中栓钉的施工工艺，对其中B4-075-150、B4-1-150、B4-1-170三块组合板试件进行了增加栓钉改造措施，组合板端部栓钉改造方法为在压型钢板底部加焊一块6mm厚钢板，并在钢板上焊上栓钉，然后再将组合板端部混凝土打毛并冲净晾干，然后浇筑混凝土，如图4所示。
表1BONDEKⅡ型闭口压型钢板截面特性
Table1Geometry and parameters of BONDEKⅡ
板型板厚
（mm）
截面面积矩
(mm3·m-1)
截面面积
（mm2·m-2）
截面惯性矩I x
（mm4·m-1）
屈服强度f y
（MPa）
0.75BMT0.7512.50×103125947.98×104550
1.00BMT 1.0016.69×103167864.08×104550
申请qq图2BONDEKⅡ压型钢板背面
Fig.2Back face of BONDEKⅡ图1BONDEKⅡ压型钢板正面
Fig.1Up per face of BONDEKⅡ
表2闭口压型钢板-混凝土组合板试件参数
Table2Geometry and parameters of composite slab specimens
试件编号实测跨度L
(mm)实测板厚d
(mm)
压型钢板厚t
(mm)
剪跨
(mm)
剪跨比
λ
有无栓钉布置
或加栓钉改造
混凝土强度f c=
0.76f cu（MPa）
B2-075-130********.7510508.1无37.06 B3-075-130********.7510508.1无33.50 B4-075-130********.751
0508.1无33.47 B3-075-150********.7510507.0无35.27 B4-075-150********.7510507.0加栓钉改造36.86 B2-1-1503040153 1.00900 6.0无38.86 B3-1-1503040147 1.00900 6.0无37.97 B4-1-1503040153 1.00900 6.0加栓钉改造41.71 B3-1-1703040170 1.005103无36.23 B4-1-1703040172 1.005103加栓钉改造38.09 BS1-075-130********.7510508.1布置栓钉22.14 BS2-075-150********.7510507.0布置栓钉20.68 BS3-1-1503040151 1.00900 6.0布置栓钉20.51 BS4-1-1703040167 1.00510 4.4布置栓钉19.87 36
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·第41卷第12期1.3疲劳试验装置及加载方案
疲劳试验装置和加载方案如图5所示，试件两端
简支，一端为固定铰支座，一端为滚动铰支座。板厚130mm 和150mm 组合板疲劳试验在10吨位的疲劳试验台上进行，其余3块板厚为170mm 的组合板疲劳试验在50吨位的疲劳试验台上进行。疲劳荷载上限根据静载试验得到的各组组合板试件的静力极限承载力值按一定比例进行确定，各组合板的加载参数参见表3。疲劳试验过程中，每隔5万次进行跨中动挠度和动滑移等数据的采集和量测。并在荷载循环10万、50万、100万、150万、200万次以后进行一次循环的静载试验和动力特性试验。通过采集数据来反
映组合板刚度退化、强度退化特征及其他参数损伤演化规律［8-9］。
1.4组合板疲劳试验现象及试验结果
1.4.1典型组合板试件B 2-075-130疲劳试验结果一定的近义词
（1）试验过程及试验现象
从开始施加荷载到调节至目标荷载的过程中，组合板仅发出了轻微的内部化学黏结破坏的“咯吱”声，加载点下方和支座附近均无明显竖向裂缝和纵向水平裂缝产生。200万次循环的过程中动挠度幅值仅7.4mm （l /416），残余挠度仅4mm （l /750）。试件端部无明显滑移产生。各次中间静载试验结果均表明荷载-跨中挠度曲线具有很好线性，疲劳试验后进行剩余静
载破坏试验，剩余极限承载力仍可以达到P u ，充分表明组合板在此疲劳荷载等级下表现出很好的受力性能，无明显损伤发生。
图3端部栓钉布置方式
Fig.3Details of the end studs
图4组合板端部后加栓钉改造方式
Fig.4Details of the added end studs
试件编号剪跨比λ静力极限承载力
P u （kN
）自重（分配梁+组合板）
Q （kN ）
疲劳荷载
等级荷载上限Q max （kN ）荷载下限
Q min （kN ）应力幅
Q max -Q min 应力比ρB2-075-1308.152.189.9440%P u 14.9 4.4710.430.3B3-075-1308.152.189.9450%P u 21.2 6.3614.840.3B4-075-1308.152.189.9455%P u 24.37.2617.040.3B3-075-1507.062.610.8750%P u 26.07.818.20.3B4-075-1507.0*62.610.8750%P u 26.07.818.20.3B2-1-150 6.096.510.9240%P u 32.19.6322.470.3B3-1-150 6.096.510.9250%P u 42.812.8429.960.3B4-1-
150 6.03*96.510.9270%P u 64.219.2644.940.3B3-1-1703213.5811.8540%P u 78.031.246.80.4B4-1-1703*213.5811.8570%P u 146.058.487.60.4BS1-075-1308.1*52.189.9460%P u 27.08.118.90.3BS2-075-1507.0*62.610.8760%P u 33.29.9623.240.3BS3-1-150 6.0*96.510.9250%P u 42.812.8429.960.3BS4-1-170
4.5
*213.58
10.92
40%P u
78.0
31.2
46.8
0.4
表3组合板疲劳荷载加载参数
Table 3Fatigue load parameters of composite slab specimens
注：P u 为无栓钉组合板的静力极限承载力（不含自重），布置栓钉的4组合板以及后浇改造的3块组合板疲劳荷载峰值均以无栓钉组合板静力极限荷载P u 的百分比来确定，带“*”号荷载值并非其实际极限承载力，而是取同组型号的无栓钉组合板承载力为其静力极限承载力参考值。
图5疲劳试验加载装置示意图
Fig.5
Load tup of composite slabs fatigue experiment
杨勇等·闭口型压型钢板-混凝土组合板疲劳性能试验研究
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·土木工程学报2008年
（2）试验结果分析
疲劳试验过程中组合板B2-075-130的跨中动挠度-加载次数和残余挠度-加载次数试验曲线如图6所示。试验过程中，组合板跨中动挠度和残余挠度均很小，两者具有相同的发展变化趋势，跨中残余挠度平均占动挠度的47.34%。通过直线拟合，计算出残余挠度从10万次到200万次的变形增加速率为0.0126 mm/万次，曲线的发展几乎呈水平状。在10万、50万、100万、150万、200万次分别分别进行一次静载试验，施加的荷载最大值为14.9kN，各循环次数下组合板静载-跨中挠度曲线如图7所示。总体而言，从静力刚度退化曲线可以看出：组合板具有良好的线性和弹性，抗弯刚度随循环次数的增加无明显退化。
200万次疲劳循环荷载后，对B2-075-130进行了剩余静载承载力破坏试验，得到相应剩余承载力-位移曲线（图8），从图8可以看出，组合板的剩余承载力达到了其静力极限荷载的大小，试件破坏特征和静载试验类似。曲线在0.53P s u（P s u为组合板剩余极限承载力）以前仍表现出良好的线性。总体而言，当疲劳荷载上限为40%P u时，组合板在循环200万次以后不会产生明显疲劳破坏，没出现较严重的疲劳裂缝和不可恢复变形，可以满足极限承载力状态和正常使用极限状态要求。
跨中板底压型钢板拉应变以及板顶混凝土压应变（压应变赋予正值）随荷载循环次数变化规律如图9所示，在40%P u疲劳荷载上限作用下，跨中压型钢板最大拉应变只有416με，混凝土最大压应变只有
236με，远未达到其极限应变值。循环过程中跨中压型钢板和混凝土压应变只在某个循环范围内有微小的上下波动，但曲线总体发展均较平缓。板B2-075-130典型的跨中截面应变分布如图10所示。截面应变分布具有良好的线性特征，其跨中截面应变分布特征随循环次数的增加基本无明显变化，显示组合板在疲劳循环加载过程中受力稳定性。
1.4.2组合板疲劳试验结果
表4汇总了各组合板试件在疲劳荷载循环后的变形结果情况。由表4可知，大部分组合板在荷载循环200万次后的跨中残余挠度占动挠度40%以上。因
图6跨中动挠度、残余挠度-次数试验曲线
Fig.6Curves of mid-span deflection vs.load circle numbers 图7静载-跨中挠度试验曲线
Fig.7Curves of mid-span deflection vs.maximum load
图8剩余承载力-跨中挠度曲线
Fig.8Curves of residual bearing capacity vs.mid-span
天理难容的意思
人才的培养deflection
图9截面应变-循环次数特征曲线
Fig.9Section strains vs.load circle numbers
图10跨中截面应变分布图
Fig.10Strain distribution at certain load circle
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·
·第41卷第12期此对于实际工程中承受动力疲劳荷载的组合板结构，重复荷载引起的残余挠度变形应当引起足够的重视。1.5
组合板疲劳性能分析
根据疲劳荷载上限水平、跨中残余挠度大小和组合板开裂程度的不同，把组合板疲劳损伤状态分为表5中以下4种性能水平。通过试验现象观察，并结合表4中试验结果，对14块组合板试件疲劳损伤性能水平进行划分（表6）。由表6得出以下结论：
（1）无栓钉组合板试件：剪跨比λ≥6.0的抗弯组合板试件，疲劳荷载上限为40%P u 时认为无疲劳损伤，50%P u 时损伤已较严重。当疲劳荷载上限达到或超过55%P u 时，此种类型组合板已发生严重的疲劳破坏，基本不能承受疲劳荷载的作用；
（2）剪跨比λ≤3.0抗剪试件：疲劳荷载上限为40%P u 时发生了严重的疲劳破坏，抗疲劳性能较差；
（3）带栓钉或加栓钉改造后的组合板试件：剪跨比λ≥6.0的抗弯组合板试件，疲劳荷载上限为50%P u 时无疲劳损伤，在60%P u 时仅有轻微的破坏，具有良好的疲劳性能。疲劳荷载上限提高到70%P u 时，带栓钉组合板仍表现出较好抗疲劳性能，200万次疲劳荷载作用后组合板破坏程度仍较小；
昨天今天下雨天（4）剪跨比λ≤3.0的抗剪试件：其抗疲劳性能明显差于抗弯试件。在疲劳荷载上限为70%P u 时已发生了严重的疲劳破坏。
（5）总体而言，无栓钉组合板的疲劳性能较差，疲劳荷载上限水平约40％P u ；而带栓钉组合板的抗疲劳性能明显提高，疲劳荷载上限水平约60％P u 。因此实际工程中进行组合板的疲劳设计时，应考虑在端部布置构造栓钉来提高组合板的抗疲劳承载能力。
表4各组合板试件跨中挠度结果
Table 4Deflection at mid -span of composite slab specimens
试件编号剪跨比λ疲劳荷载上限
动挠度（mm ）（万次）
残余挠度rf （mm ）（万次）
rf B2-075-1308.140%P u 7.4（200） 4.0（200）l /750B3-075-1308.150%P u 36.9（200）31.0（150）l /97B4-075-1308.155%P u 67.5（25）61.0（25）l /49B3-075-1507.050%P u 27.0（200）18.0（200）l /167B4-075-1507.050%P u 8.5（10）0.0（10）060%P u 17.5（210）7.5（210）l /400B2-1-150 6.040%P u 6.0（200） 2.0（200）055%P u 43.8（250）36.0（250）l /83B3-1-150 6.050%P u 39.3（200）32.0（200）l /94B4-1-150 6.070%P u 21.0（200）7.0（200）l /429B3-1-170340%P u 40.0（2）34.0（2）l /88B4-1-170370%P u 58.0（5）45.0（5）l /67BS1-075-1308.160%P u 50.0（200）31.5（200）l /95BS2-075-1507.060%P u 24.0（200）10.0（200）l /30070%P u 26.0（250）12.0（250）l /250BS3-1-150 6.050%P u 12.4（200） 5.0（200）l /60060%P u 13.2（200） 6.0（400）l /500BS4-1-170
4.4
40%P u
51.0（200）
30.0（200）
l /100
表5组合板疲劳损伤性能水平划分
Table 5
0能做被除数吗
Fatigue damage index of composite slab specimens
性能水准划分依据和划分指标
性能级别
无损伤
（1）荷载循环后试件跨中残余挠度较小（2）荷载循环后加载点、跨中和支座处无裂缝（3）荷载循环后端部无明显滑移A
话本轻微损伤
（1）荷载循环后试件跨中残余挠度<l /250
（2）荷载循环后加载点、跨中和支座有轻微开裂（3）荷载循环后端部滑移较小或无明显滑移B
较严重破坏
（1）循环后试件跨中残余挠度<l /90
（2）荷载循环后加载点、跨中和支座处明显较多的竖向裂缝和纵向水平裂缝（3）荷载循环后端部有一定的滑移C 严重破坏
（1）荷载循环后试件跨中残余挠度>l /90
（2）荷载循环后加载点下混凝土和钢板分离严重，纵向水平裂缝贯通整个试件（3）荷载循环后端部产生明显滑移
D 杨勇等·闭口型压型钢板-混凝土组合板疲劳性能试验研究
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