钢-混凝土组合梁以其自身的优点和特点在公路桥梁、城市桥梁及铁路桥梁中得到了广泛的应用[1]。然而在车辆等疲劳荷载作用下，组合梁内部容易出现疲劳损伤，严重危害桥梁结构的安全性与耐久性[2]。众所周知，结构的疲劳损伤会随着疲劳加载次数的增加而不断累积，导致结构刚度和承载力的不断退化。一旦这种损伤累积至一定程度后，结构将发生突然失效或破坏，造成重大的人员伤亡或财产损失[3]。因此，掌握组合梁在疲劳荷载作用下损伤累积和性能退化的规律，特别是通过梁体本身的若干力学性能指标对组合梁的疲劳性能退化程度作整体把控尤为重要。

梁的刚度是反映组合梁疲劳性能退化的重要指标之一，且刚度测试往往简单易实现[4]。探索组合梁在疲劳荷载作用下的剩余刚度退化规律对于掌握组合梁服役期间不同阶段的使用性能具有重要意义。迄今为止，各国学者在组合梁疲劳性能方面开展了广泛的试验研究：Hanswille等[5]通过大量推出试验研究发现，栓钉大约在10%～20%的疲劳寿命时就出现了早期裂纹，这是导致其疲劳后静力强度降低的主要原因；汪炳等[6]总结了以往学者27组栓钉剩余强度推出试验数据，建立了栓钉连接件疲劳后剩余承载力退化模型；李小珍等[7]基于3根钢-混凝土组合梁的疲劳试验，提出以栓钉剪切破坏为表征将组合梁在疲劳下的损伤划分为3个阶段。同时也有部分学者试验结果表明了组合梁在疲劳荷载作用下梁体刚度退化的现象，如刘小洁等[8]和杨涛等[9]的试验结果均表明组合梁在疲劳荷载作用下刚度发生了明显的退化。但目前仍没有学者提出在疲劳作用下适用于组合梁刚度退化规律的计算分析模型。

本文选取带栓钉连接件的钢-混凝土组合梁为研究对象，选取6根栓钉试验梁分别进行静力、疲劳和部分疲劳试验，观察不同疲劳加载次数下梁的刚度、变形、滑移等力学性能变化特征，分析刚度退化的主要影响因素，在此基础上通过参数拟合得到组合梁剩余刚度随疲劳加载次数的退化规律计算模型并验证。该研究成果为组合梁疲劳荷载作用后刚度退化模型的建立提供了一种思路和方法。

1 试验设计

1.1 试件尺寸

本次试验共设计了6个栓钉组合梁试件，按完全抗剪连接设计[10]，钢梁材料等级为Q345，混凝土材料强度等级为C50，栓钉型号为Φ13×60 mm，材料为ML-15，组合梁试件的尺寸构造及栓钉布置情况如图1所示。

图1 试验组合梁尺寸及构造(mm)Fig.1 The size and construction of composite beams specimens (mm)

在试验之前，测试了组成组合梁试件的相关材料强度。试验测得钢梁的弹性模量为2.06×105MPa，屈服强度为352 MPa；混凝土的立方体强度为59.7 MPa，弹性模量为3.59×104MPa；栓钉的弹性模量为2.0×105MPa，极限强度为525 MPa。

1.2 试验加载方式

试验梁边界条件为简单支承，采用跨中单点加载，见图2。为了解试验梁在疲劳荷载作用下的刚度退化规律，试验加载内容分为3组：①一个静载破坏试验，试件编号为SCB-1，目的是确定试验梁的静力极限承载力Pu；②一个完全疲劳试验，试件编号为FCB-1，目的是确定试验梁的疲劳寿命N；③4个部分疲劳破坏试验，在完成既定疲劳加载次数后在进行静载破坏。试件编号依次为SFCP-1～SFCP-4，分别在疲劳加载50万次、100万次、150万次、200万次后将其进行静载破坏。疲劳加载具体参数见表1。

表1 试验梁的破坏模式及试验结果Tab.1 Failure modes and test results of test beams试件编号试验类型疲劳参数Pmax/PuPmin/Pu加载次数/万次Ps/kN破坏形态SCB-1静载破坏试验———228混凝土压碎FCB-1完全疲劳试验0.600..56—栓钉剪断混凝土压碎SFCB-2SFCB-3部分疲劳试验栓钉剪断栓钉剪断栓钉剪断注:Pmax为试验梁疲劳荷载上限值;Pmin为试验梁疲劳加载下限值;Ps为疲劳加载后试验梁的剩余承载力。

图2 试验梁加载过程及测试设备Fig.2 Loading process of test beam and testing system

需要指出的是，在本次试验梁设计时，主要以组合梁跨中下缘钢梁的疲劳应力幅值作为疲劳加载控制。根据JTG D64—2015《公路钢结构桥梁设计规范》[11]中工字钢梁焊接截面的疲劳细节，200万次疲劳寿命对应的钢梁下缘应力幅值为100 MPa，进而反推出本次试验中疲劳加载幅值的比例为0.25Pu。

2 试验结果

2.1 试件破坏形态

在本次试验中，静载破坏试验梁的整个破坏过程与传统组合梁破坏形式基本一致：在加载初期，整根梁变形协同；随着荷载不断增大，跨中加载区域的混凝土翼板下缘开始出现竖向裂缝，并不断向上延伸；当接近极限荷载时，跨中混凝土翼板压碎剥落，钢筋外露，钢梁也发生较大的屈服变形，最终的破坏模式如图3(a)所示。完全疲劳破坏试验梁在疲劳加载初期，整根梁完好，没有明显的损伤和破坏特征；随着疲劳循环次数的增加，混凝土翼板下缘开始出现细微的竖向裂缝，并缓慢延伸发展；最后达到疲劳寿命时，组合梁中栓钉被剪断，钢梁与混凝土翼板脱开，如图如图3(b)所示。部分疲劳破坏试验梁的破坏形式包含了以上两种形式，表1给出了所有试验梁的破坏模式。