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钢板混凝土局部稳定性轴压试验

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《土木工程学报》2016年第一期

摘要:

进行了4个应用于核电工程的钢板混凝土组合墙轴压试验,试验设计中主要考虑距厚比参数的不同。分析了构件的破坏机理、荷载-位移曲线、钢板的荷载-屈曲曲线。分析结果表明:钢板的屈曲对试件整体刚度影响不明显,栓钉能有效地保证钢板和混凝土协同工作;随着距厚比变小,试件极限承载力有所提高,钢板的屈曲应变变大。在试验分析基础上,给出了组合墙体的初始刚度和极限承载力的经验公式,导出了适合钢板弹性屈曲应变的理论公式。

关键词:

钢板混凝土;轴压;试验;屈曲分析;极限承载力

钢板混凝土结构作为一种新型结构具有结构强度高、抗震性能好、施工方便快捷等特点,目前在矿山、燃油储存、城市道路桥梁等许多领域均有应用。作为美国第三代先进压水堆核电站AP1000设计中,钢板混凝土结构大量用于反应堆厂房内部结构模块和其他核安全相关结构模块中。钢板混凝土结构是在两片钢板中间填充混凝土,钢板与混凝土之间用抗剪栓钉连接而成。混凝土对钢板起到约束作用,能有效抑制钢板的屈曲;而两侧钢板能有效控制混凝土裂缝的发展和防止混凝土过早被压碎,从而提高组合体的变形能力,使得其延性和耗能能力大幅提高。只有钢板和混凝土两种材料协同工作,组合结构的优势才能发挥出来[1]。组合结构中钢板局部失稳是导致钢板与混凝土表面分离的重要原因。

国内外学者对组合结构中钢板的局部稳定进行了一定研究。文献[2]和[3]利用最小势能原理,推导出组合结构中钢板在竖向轴压状态下局部屈曲临界荷载解析解,认为四个栓钉包围的矩形钢板理想的边界条件为简支边,并给出了栓钉间距与钢板厚度之比(简称距厚比,以B/t表示)的限值。文献[4]和[5]通过轴压试验,研究组合结构中钢板在弹性屈曲、弹塑性屈曲和塑性屈曲时的屈曲特性。基于有限差分法推导出钢板屈曲的计算模型,并且计算结果能与试验得到很好的吻合。文献[6]和[7]研究了组合结构在受双向轴压时,钢板的局部稳定问题、钢板屈曲后的受力机理问题;以及在受到双向轴压及平面内剪力组合荷载时,钢板局部稳定问题和钢板屈曲后的受力机理问题。文献[8]和[9]基于弹性薄板理论和势能驻值原理,推导出钢板混凝土板在轴向受压状态下的局部稳定时临界荷载解析解,并能与有限元方法计算结果得到较好的吻合。但这些方法都是大多基于理论计算,并且不同的计算方法之间结果相差很大。为此,本文在已有研究成果基础上,进行了钢板混凝土组合墙轴压试验研究,提出了适合钢板混凝土组合墙体单向受压稳定分析的计算公式。

1试验概况

1.1试验试件试验设计了4个组合墙体试件,如图1所示,试件编号为SCW-1~SCW-4。试件尺寸1160mm×1100mm×230mm。试件墙体钢板厚度为4.8mm;两侧钢板厚度为8mm;上下钢板厚度为8mm。试件所用栓钉为螺栓代替。墙体钢板的螺栓直径为8mm,长度为70mm。两侧钢板的螺栓直径为10mm,长度为90mm。在两侧钢板设计较小的距厚比,目的是墙体钢板的屈曲要先于两侧钢板的屈曲。在试件的上下均设置了三角形加劲肋板,对上下部位的钢板起约束作用。图1给出了试件SCW-1的剖面图详图,其余三个试件除了钢板的距厚比不同之外,其余都相同。试件试验时的实际模型如图2所示。试件设计的变化参数为B/t,如表1所示。

1.2材料性能试验墙体混凝土设计强度等级为C30,骨料的最大直径为10mm的细石骨料。在混凝土试件浇筑的同时,制作6个150mm×150mm×150mm立方体试块,与试件混凝土同等条件下养护。在试件加载前,实测混凝土立方体试块的抗压强度fcu。按照GB/T228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》[10]的规定取样加工,对钢板和螺栓的屈服强度fy,抗拉强度fu进行测试,材料试验结果见表2。

1.3试验装置和加载制度采用北京工业大学结构试验中心竖向大型40000kN多功能电液伺服加载试验系统对试件施加轴向压力,采用油压传感器采集荷载信号。在试件前后钢板表面粘贴应变片,测量局部应形(如图1所示);在试件上下钢板之间布置位移计,测量试件竖向总变形。试验加载装置布置见图3。加载方式采用单调竖向加载,加载缓慢进行,每级加载稳定后,观察试件的损伤和变化情况,然后再进行下一级加载。首先施加1000kN荷载进行预压,观测加载装置和所测点的变化是否工作正常,然后卸载至0kN。加载制度采用力和位移逐级加载,开始每次取1000kN为一级;荷载达到40%极限承载力计算值后,每次取500kN为一级;荷载超过80%极限承载力计算值后,按位移控制进行加载,每级按试件此时的位移缓慢匀速加载,直至试件最终破坏,则停止加载。

2试验结果及分析

2.1破坏过程试件SCW-1:荷载加至300kN时,试件出现具有贯通趋势的屈曲,并且钢板用手敲有空声;荷载加至5500kN时,钢板屈曲形成完全贯通的屈曲;最后随着竖向变形的增大和几次巨响声后,试件破坏,试验结束。试件SCW-2:荷载加至400kN时,试件并未出现响声,直接出现局部屈曲,并且试件上部漆皮开始开裂;荷载加至7000kN时,局部屈曲形成沿试件水平截面的贯通屈曲;试件曲线出现水平向抖动。最后,达到承载力后,试件突然破坏。试件SCW-3:荷载加至400kN时,试件出现轻微的响声(钢板和混凝土开始分离);荷载加至7500kN时,局部屈曲形成沿试件水平截面的贯通屈曲,随着荷载的增加钢板屈曲逐渐变大;随着荷载继续增加,试件不断伴随巨响,试件最终破坏。试件SCW-4:荷载加至450kN时,试件出现轻微的响声;荷载加至8000kN时,试件出现一声巨响;随着荷载的增加,试件没有发生贯通屈曲的现象;最后,试件加载结束。

2.2试验现象分析图4为4个试件的荷载-位移曲线,由图可见,除了试件SCW-2之外,其余三个试件的加载曲线基本相同。对于SCW-2弹性范围内的刚度小于其余三个试件的情况,通过进一步检查试验后的试件,发现是由于钢板混凝土组合墙中的混凝土浇筑振捣不密实,组合墙体出现一些空洞,使得试件存在初始缺陷所致。在加载过程中,混凝土中的空洞被压实,使得混凝土的竖向应变大于钢板的竖向应变,并且钢板与混凝土会出现滑移。在加载后期,滑移量增大,栓钉自身对提高试件整体承载力有一定的贡献,使得极限承载力大于其他试件。(问题2)当栓钉被剪坏时,混凝土和钢板发生分离,使得荷载-位移曲线存在过多的突变现象,试件最终发生脆性破坏。因此,建筑在组合结构施工中,尽量采用自密实混凝土或是保证混凝土振捣的密实性。(问题3)在轴压力3MN以下,钢板混凝土墙体整体刚度几乎不变,与B/t无关;轴压力超过3MN时,随着B/t的变小,钢板混凝土墙体极限承载力有变大的趋势。这表明较小的B/t,能保证钢板与混凝土协同受力,减缓钢板屈曲的发生,提高组合结构的整体性能。除了SCW-2之外,试件钢板发生屈曲或屈服时,钢板混凝土组合墙的荷载-位移曲线没有突变发生,这说明钢板的局部屈曲或屈服对墙体整个刚度影响不大。图5为试件典型的钢板屈曲波形,图6为去掉屈曲钢板后混凝土的破坏情况。由图6观察可得,组合墙体在加载初期钢板和混凝土一起变形,随着荷载的增加,混凝土首先达到受压破坏应变而被压碎。在混凝土被压碎的同时,钢板竖向应变也会大量增加,继而会产生钢板屈曲。

3初始刚度和竖向承载力计算

3.1初始刚度组合墙体的初始刚度为试件在弹性加载范围内,由钢板和混凝土的轴压刚度组合而成。初始刚度为结构设计的重要参数。

3.2轴压承载力目前没有关于钢板混凝土极限承载力的设计规范,本文在试验的基础上,参照混凝土结构设计规范中正截面受压承载力计算公式,提出了钢板混凝土极限承载力的简化算法,即钢板和混凝土承载力的叠加。由表3可见,除了试件SCW-2之外,初始刚度的试验值与计算值的比值为0.86-1.21,这个规律与文献[4]基本符合,竖向极限承载力的试验值与计算值的比值为0.93-1.13。初始刚度和极限承载力的试验值与计算值相差不大,该公式具有一定的适用性。

4屈曲分析

4.1屈曲现象分析为了准确测量钢板屈曲应变,若干个应变片被设置在钢板外侧(如图1所示)。图7为竖向荷载与钢板应变关系。图中的荷载值与应变值为若干个应变片,在钢板发生屈曲时的平均值。若干个应变片取其平均值具有一定的统计意义。(问题1)如图所示,钢板屈曲前处于受压力状态,钢板在弹性范围内受力,而且钢板刚度基本相同。随着竖向荷载的增加,钢板所受压力逐渐增加,曲线突然出现一个拐点,钢板由受压突然呈现受拉,此时正是钢板发生屈曲变化,这个突变点所对应的应变为钢板的屈曲应变。由图可见,随着B/t的降低,钢板屈曲应变和屈曲应力都会有所增加,这说明在钢板厚度不变的情况下,表面焊接较多的栓钉,能够增加钢板与混凝土的协同工作能力,延缓钢板屈曲的发生。

4.2屈曲理论分析经研究发现,对钢板混凝土组合墙中,控制钢板屈曲的关键因素是B/t。通过合理设置B/t,可以让钢板屈曲在屈服后发生。目前的研究主要以相邻四个栓钉包围的矩形钢板区格为研究对象,以下是研究钢板局部稳定的相关理论。

5结论

(1)除试件SCW-2存在初始缺陷之外,其余试件在加载初期,整体刚度几乎没有变化。随着荷载的增加,B/t越小的试件,其极限承载力和屈曲应变会相应变大,这表明栓钉能较好的保证钢板与混凝土的协同工作能力。(2)除SCW-2之外,试件钢板的屈曲与屈服对试件的荷载-位移曲线没有影响,试件整体刚度连续变化,但试件的延性较差,加载后期出现脆性破坏。(3)试验结束后去掉钢板发现,内部的混凝土首先被压坏,而后是相应部位的钢板发生屈曲。直到试件加载结束,只是初期发生破坏点的破坏程度继续增大之外,而没有新的破坏点发生。

作者:张有佳 李小军 贺秋梅 闫晓京 单位:东北电力大学 中国地震局地球物理研究所

土木工程学报责任编辑:杨雪    阅读:人次
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