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《土木工程學(xué)報(bào)》2016年第一期

摘要:

進(jìn)行了4個(gè)應(yīng)用于核電工程的鋼板混凝土組合墻軸壓試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)中主要考慮距厚比參數(shù)的不同。分析了構(gòu)件的破壞機(jī)理、荷載－位移曲線、鋼板的荷載-屈曲曲線。分析結(jié)果表明:鋼板的屈曲對試件整體剛度影響不明顯，栓釘能有效地保證鋼板和混凝土協(xié)同工作;隨著距厚比變小，試件極限承載力有所提高，鋼板的屈曲應(yīng)變變大。在試驗(yàn)分析基礎(chǔ)上，給出了組合墻體的初始剛度和極限承載力的經(jīng)驗(yàn)公式，導(dǎo)出了適合鋼板彈性屈曲應(yīng)變的理論公式。

關(guān)鍵詞:

鋼板混凝土;軸壓;試驗(yàn);屈曲分析;極限承載力

鋼板混凝土結(jié)構(gòu)作為一種新型結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、抗震性能好、施工方便快捷等特點(diǎn)，目前在礦山、燃油儲(chǔ)存、城市道路橋梁等許多領(lǐng)域均有應(yīng)用。作為美國第三代先進(jìn)壓水堆核電站AP1000設(shè)計(jì)中，鋼板混凝土結(jié)構(gòu)大量用于反應(yīng)堆廠房內(nèi)部結(jié)構(gòu)模塊和其他核安全相關(guān)結(jié)構(gòu)模塊中。鋼板混凝土結(jié)構(gòu)是在兩片鋼板中間填充混凝土，鋼板與混凝土之間用抗剪栓釘連接而成。混凝土對鋼板起到約束作用，能有效抑制鋼板的屈曲;而兩側(cè)鋼板能有效控制混凝土裂縫的發(fā)展和防止混凝土過早被壓碎，從而提高組合體的變形能力，使得其延性和耗能能力大幅提高。只有鋼板和混凝土兩種材料協(xié)同工作，組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢才能發(fā)揮出來［1］。組合結(jié)構(gòu)中鋼板局部失穩(wěn)是導(dǎo)致鋼板與混凝土表面分離的重要原因。

國內(nèi)外學(xué)者對組合結(jié)構(gòu)中鋼板的局部穩(wěn)定進(jìn)行了一定研究。文獻(xiàn)［2］和［3］利用最小勢能原理，推導(dǎo)出組合結(jié)構(gòu)中鋼板在豎向軸壓狀態(tài)下局部屈曲臨界荷載解析解，認(rèn)為四個(gè)栓釘包圍的矩形鋼板理想的邊界條件為簡支邊，并給出了栓釘間距與鋼板厚度之比(簡稱距厚比，以B/t表示)的限值。文獻(xiàn)［4］和［5］通過軸壓試驗(yàn)，研究組合結(jié)構(gòu)中鋼板在彈性屈曲、彈塑性屈曲和塑性屈曲時(shí)的屈曲特性。基于有限差分法推導(dǎo)出鋼板屈曲的計(jì)算模型，并且計(jì)算結(jié)果能與試驗(yàn)得到很好的吻合。文獻(xiàn)［6］和［7］研究了組合結(jié)構(gòu)在受雙向軸壓時(shí)，鋼板的局部穩(wěn)定問題、鋼板屈曲后的受力機(jī)理問題;以及在受到雙向軸壓及平面內(nèi)剪力組合荷載時(shí)，鋼板局部穩(wěn)定問題和鋼板屈曲后的受力機(jī)理問題。文獻(xiàn)［8］和［9］基于彈性薄板理論和勢能駐值原理，推導(dǎo)出鋼板混凝土板在軸向受壓狀態(tài)下的局部穩(wěn)定時(shí)臨界荷載解析解，并能與有限元方法計(jì)算結(jié)果得到較好的吻合。但這些方法都是大多基于理論計(jì)算，并且不同的計(jì)算方法之間結(jié)果相差很大。為此，本文在已有研究成果基礎(chǔ)上，進(jìn)行了鋼板混凝土組合墻軸壓試驗(yàn)研究，提出了適合鋼板混凝土組合墻體單向受壓穩(wěn)定分析的計(jì)算公式。

1試驗(yàn)概況

1．1試驗(yàn)試件試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4個(gè)組合墻體試件，如圖1所示，試件編號為SCW-1～SCW-4。試件尺寸1160mm×1100mm×230mm。試件墻體鋼板厚度為4．8mm;兩側(cè)鋼板厚度為8mm;上下鋼板厚度為8mm。試件所用栓釘為螺栓代替。墻體鋼板的螺栓直徑為8mm，長度為70mm。兩側(cè)鋼板的螺栓直徑為10mm，長度為90mm。在兩側(cè)鋼板設(shè)計(jì)較小的距厚比，目的是墻體鋼板的屈曲要先于兩側(cè)鋼板的屈曲。在試件的上下均設(shè)置了三角形加勁肋板，對上下部位的鋼板起約束作用。圖1給出了試件SCW-1的剖面圖詳圖，其余三個(gè)試件除了鋼板的距厚比不同之外，其余都相同。試件試驗(yàn)時(shí)的實(shí)際模型如圖2所示。試件設(shè)計(jì)的變化參數(shù)為B/t，如表1所示。

1．2材料性能試驗(yàn)墻體混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C30，骨料的最大直徑為10mm的細(xì)石骨料。在混凝土試件澆筑的同時(shí)，制作6個(gè)150mm×150mm×150mm立方體試塊，與試件混凝土同等條件下養(yǎng)護(hù)。在試件加載前，實(shí)測混凝土立方體試塊的抗壓強(qiáng)度fcu。按照GB/T228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》［10］的規(guī)定取樣加工，對鋼板和螺栓的屈服強(qiáng)度fy，抗拉強(qiáng)度fu進(jìn)行測試，材料試驗(yàn)結(jié)果見表2。

1．3試驗(yàn)裝置和加載制度采用北京工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中心豎向大型40000kN多功能電液伺服加載試驗(yàn)系統(tǒng)對試件施加軸向壓力，采用油壓傳感器采集荷載信號。在試件前后鋼板表面粘貼應(yīng)變片，測量局部應(yīng)形(如圖1所示);在試件上下鋼板之間布置位移計(jì)，測量試件豎向總變形。試驗(yàn)加載裝置布置見圖3。加載方式采用單調(diào)豎向加載，加載緩慢進(jìn)行，每級加載穩(wěn)定后，觀察試件的損傷和變化情況，然后再進(jìn)行下一級加載。首先施加1000kN荷載進(jìn)行預(yù)壓，觀測加載裝置和所測點(diǎn)的變化是否工作正常，然后卸載至0kN。加載制度采用力和位移逐級加載，開始每次取1000kN為一級;荷載達(dá)到40%極限承載力計(jì)算值后，每次取500kN為一級;荷載超過80%極限承載力計(jì)算值后，按位移控制進(jìn)行加載，每級按試件此時(shí)的位移緩慢勻速加載，直至試件最終破壞，則停止加載。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2．1破壞過程試件SCW-1:荷載加至300kN時(shí)，試件出現(xiàn)具有貫通趨勢的屈曲，并且鋼板用手敲有空聲;荷載加至5500kN時(shí)，鋼板屈曲形成完全貫通的屈曲;最后隨著豎向變形的增大和幾次巨響聲后，試件破壞，試驗(yàn)結(jié)束。試件SCW-2:荷載加至400kN時(shí)，試件并未出現(xiàn)響聲，直接出現(xiàn)局部屈曲，并且試件上部漆皮開始開裂;荷載加至7000kN時(shí)，局部屈曲形成沿試件水平截面的貫通屈曲;試件曲線出現(xiàn)水平向抖動(dòng)。最后，達(dá)到承載力后，試件突然破壞。試件SCW-3:荷載加至400kN時(shí)，試件出現(xiàn)輕微的響聲(鋼板和混凝土開始分離);荷載加至7500kN時(shí)，局部屈曲形成沿試件水平截面的貫通屈曲，隨著荷載的增加鋼板屈曲逐漸變大;隨著荷載繼續(xù)增加，試件不斷伴隨巨響，試件最終破壞。試件SCW-4:荷載加至450kN時(shí)，試件出現(xiàn)輕微的響聲;荷載加至8000kN時(shí)，試件出現(xiàn)一聲巨響;隨著荷載的增加，試件沒有發(fā)生貫通屈曲的現(xiàn)象;最后，試件加載結(jié)束。

2．2試驗(yàn)現(xiàn)象分析圖4為4個(gè)試件的荷載-位移曲線，由圖可見，除了試件SCW-2之外，其余三個(gè)試件的加載曲線基本相同。對于SCW-2彈性范圍內(nèi)的剛度小于其余三個(gè)試件的情況，通過進(jìn)一步檢查試驗(yàn)后的試件，發(fā)現(xiàn)是由于鋼板混凝土組合墻中的混凝土澆筑振搗不密實(shí)，組合墻體出現(xiàn)一些空洞，使得試件存在初始缺陷所致。在加載過程中，混凝土中的空洞被壓實(shí)，使得混凝土的豎向應(yīng)變大于鋼板的豎向應(yīng)變，并且鋼板與混凝土?xí)霈F(xiàn)滑移。在加載后期，滑移量增大，栓釘自身對提高試件整體承載力有一定的貢獻(xiàn)，使得極限承載力大于其他試件。(問題2)當(dāng)栓釘被剪壞時(shí)，混凝土和鋼板發(fā)生分離，使得荷載-位移曲線存在過多的突變現(xiàn)象，試件最終發(fā)生脆性破壞。因此，建筑在組合結(jié)構(gòu)施工中，盡量采用自密實(shí)混凝土或是保證混凝土振搗的密實(shí)性。(問題3)在軸壓力3MN以下，鋼板混凝土墻體整體剛度幾乎不變，與B/t無關(guān);軸壓力超過3MN時(shí)，隨著B/t的變小，鋼板混凝土墻體極限承載力有變大的趨勢。這表明較小的B/t，能保證鋼板與混凝土協(xié)同受力，減緩鋼板屈曲的發(fā)生，提高組合結(jié)構(gòu)的整體性能。除了SCW-2之外，試件鋼板發(fā)生屈曲或屈服時(shí)，鋼板混凝土組合墻的荷載-位移曲線沒有突變發(fā)生，這說明鋼板的局部屈曲或屈服對墻體整個(gè)剛度影響不大。圖5為試件典型的鋼板屈曲波形，圖6為去掉屈曲鋼板后混凝土的破壞情況。由圖6觀察可得，組合墻體在加載初期鋼板和混凝土一起變形，隨著荷載的增加，混凝土首先達(dá)到受壓破壞應(yīng)變而被壓碎。在混凝土被壓碎的同時(shí)，鋼板豎向應(yīng)變也會(huì)大量增加，繼而會(huì)產(chǎn)生鋼板屈曲。

3初始剛度和豎向承載力計(jì)算

3．1初始剛度組合墻體的初始剛度為試件在彈性加載范圍內(nèi)，由鋼板和混凝土的軸壓剛度組合而成。初始剛度為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。

3．2軸壓承載力目前沒有關(guān)于鋼板混凝土極限承載力的設(shè)計(jì)規(guī)范，本文在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，參照混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中正截面受壓承載力計(jì)算公式，提出了鋼板混凝土極限承載力的簡化算法，即鋼板和混凝土承載力的疊加。由表3可見，除了試件SCW-2之外，初始剛度的試驗(yàn)值與計(jì)算值的比值為0．86-1．21，這個(gè)規(guī)律與文獻(xiàn)［4］基本符合，豎向極限承載力的試驗(yàn)值與計(jì)算值的比值為0．93-1．13。初始剛度和極限承載力的試驗(yàn)值與計(jì)算值相差不大，該公式具有一定的適用性。

4屈曲分析

4．1屈曲現(xiàn)象分析為了準(zhǔn)確測量鋼板屈曲應(yīng)變，若干個(gè)應(yīng)變片被設(shè)置在鋼板外側(cè)(如圖1所示)。圖7為豎向荷載與鋼板應(yīng)變關(guān)系。圖中的荷載值與應(yīng)變值為若干個(gè)應(yīng)變片，在鋼板發(fā)生屈曲時(shí)的平均值。若干個(gè)應(yīng)變片取其平均值具有一定的統(tǒng)計(jì)意義。(問題1)如圖所示，鋼板屈曲前處于受壓力狀態(tài)，鋼板在彈性范圍內(nèi)受力，而且鋼板剛度基本相同。隨著豎向荷載的增加，鋼板所受壓力逐漸增加，曲線突然出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)，鋼板由受壓突然呈現(xiàn)受拉，此時(shí)正是鋼板發(fā)生屈曲變化，這個(gè)突變點(diǎn)所對應(yīng)的應(yīng)變?yōu)殇摪宓那鷳?yīng)變。由圖可見，隨著B/t的降低，鋼板屈曲應(yīng)變和屈曲應(yīng)力都會(huì)有所增加，這說明在鋼板厚度不變的情況下，表面焊接較多的栓釘，能夠增加鋼板與混凝土的協(xié)同工作能力，延緩鋼板屈曲的發(fā)生。

4．2屈曲理論分析經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，對鋼板混凝土組合墻中，控制鋼板屈曲的關(guān)鍵因素是B/t。通過合理設(shè)置B/t，可以讓鋼板屈曲在屈服后發(fā)生。目前的研究主要以相鄰四個(gè)栓釘包圍的矩形鋼板區(qū)格為研究對象，以下是研究鋼板局部穩(wěn)定的相關(guān)理論。

5結(jié)論

(1)除試件SCW-2存在初始缺陷之外，其余試件在加載初期，整體剛度幾乎沒有變化。隨著荷載的增加，B/t越小的試件，其極限承載力和屈曲應(yīng)變會(huì)相應(yīng)變大，這表明栓釘能較好的保證鋼板與混凝土的協(xié)同工作能力。(2)除SCW-2之外，試件鋼板的屈曲與屈服對試件的荷載-位移曲線沒有影響，試件整體剛度連續(xù)變化，但試件的延性較差，加載后期出現(xiàn)脆性破壞。(3)試驗(yàn)結(jié)束后去掉鋼板發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部的混凝土首先被壓壞，而后是相應(yīng)部位的鋼板發(fā)生屈曲。直到試件加載結(jié)束，只是初期發(fā)生破壞點(diǎn)的破壞程度繼續(xù)增大之外，而沒有新的破壞點(diǎn)發(fā)生。

作者：張有佳 李小軍 賀秋梅 閆曉京 單位：東北電力大學(xué) 中國地震局地球物理研究所