鋼管混凝土邊框與墻板豎向接合面抗剪性能的試驗研究

武立偉 陳建偉,2,* 蘇幼坡,2 陳海彬,2 高 林,2

(1. 河北聯(lián)合大學建筑工程學院,唐山 063009； 2. 河北省地震工程研究中心 唐山 063009)

1 引 言

鋼管混凝土邊框剪力墻結構是一種新型鋼-混凝土組合剪力墻，即利用抗剪連接鍵將鋼管混凝土邊框和剪力墻進行可靠連接，按照施工方式不同分為現(xiàn)澆式[1]和預制裝配式[2,3]。該組合結構具有以下四個特點：①有效發(fā)揮鋼和混凝土材料各自的優(yōu)勢；②鋼管混凝土具有后期承載力高、抗剪性能及延性好等特點；③鋼管邊框的約束作用可以提高墻板的抗剪能力；④改變抗震防線較為單一的狀況，提高結構整體抗震性能。

受力合理、方便施工的墻板節(jié)點和接縫設計是混凝土結構設計的關鍵技術，是決定該結構形式能否推廣應用的重要影響因素。目前，關于鋼管混凝土邊框和墻體的豎向接合面抗剪性能的研究亟待深化。曹萬林等[1,4]對采用強抗剪連接和弱抗剪連接的四片鋼管混凝土邊框剪力墻進行了擬靜力試驗研究，“強”和“弱”區(qū)別在于抗剪鍵的鋼板厚度和高度，并指出強抗剪連接的結構整體工作性能良好；梁江浩等[5]對柱子內(nèi)壁焊接栓釘?shù)姆戒摴芑炷林M行低周反復荷載試驗研究，試驗表明，栓釘可以有效緩解鋼管屈曲，略微提高試件的峰值荷載，同時延性略微降低。羅永峰等[6]結合一個足尺鋼管節(jié)點模型試驗，研究了加勁肋的厚度、尺寸、形狀對節(jié)點連接承載力、延性等性能的影響。聶建國等[7]研究了栓釘在鋼板-混凝土組合梁及組合抗彎加固中的性能，給出了栓釘抗剪承載力計算方法，與栓釘實際受力對比吻合較好。本文試驗研究的鋼管混凝土和墻板豎向接合面原型來自預制鋼管混凝土邊框剪力墻結構體系，該研究的目的是為了實現(xiàn)鋼管混凝土邊框和剪力墻豎向接合面的可靠連接，進行了5個鋼管混凝土邊框與墻板豎向接合面試件的抗剪性能試驗研究，分析各試件的破壞特征、承載力等，并對比分析了各試件的試驗結果，依據(jù)試驗結果，提出了該豎向接合面的抗剪承載力建議公式和設計建議。

2 試驗概況

2.1 試驗設計

設計了5個鋼管混凝土邊框與墻板豎向接合面試件，鋼管混凝土邊框尺寸均相同，5個試件的主要參數(shù)如表1所示。鋼管選用120 mm×120 mm×4 mm的Q345級方鋼管，鋼管混凝土邊框的高度即豎向接合面高度為565 mm，鋼管內(nèi)混凝土強度等級為C50，為自密實混凝土，配合比為0.22∶1∶1.13∶1.2，聚羧酸減水劑含量為1%，澆筑混凝土時制作了邊長為100 mm的立方體標準試塊同條件養(yǎng)護，考慮尺寸效應及受力條件的換算后，混凝土立方體試塊抗壓強度分別為49.2 N/mm2，48.8 N/mm2，50.2 N/mm2，取平均值49.4 N/mm2；墻板為“L”形鋼筋混凝土墻體，每個試件墻體厚度為120 mm，墻體混凝土強度等級為C30，為自密實混凝土，配合比為0.41∶1∶2.53∶2.75，聚羧酸減水劑含量為1%，墻體混凝土澆筑預留的立方體標準試塊抗壓強度如表1所示。鋼管管壁鋼材屈服強度為348 N/mm2，屈服應變?yōu)? 430με，極限強度為452 N/mm2，彈性模量為182 GPa。

表1各試件主要參數(shù)

Table1Themainparametersofspecimens

試件編號連接方式截面配鋼率墻體混凝土試塊抗壓強度/MPaSP-6S單獨栓釘1.32%35.0SP-6S2P栓釘+銷鍵1.32%35.5SP-4S單獨栓釘0.88%35.3SP-4S3P栓釘+銷鍵0.88%34.0SP-3P單獨銷鍵—34.1

注：① 截面的配鋼率是指栓釘面積與豎向接合面面積的比值，不考慮銷鍵的面積；

② 試件編號中“6S2P”是指6個栓釘和2個銷鍵的組合連接方式，SP是指Shear Performance。

各試件主要變化參數(shù)：豎向接合面連接方式不同，即按栓釘和銷鍵的不同組合方式分為單獨栓釘、栓釘銷鍵組合、單獨銷鍵5組，每組一個試件，5個試件栓釘和銷鍵沿水平和豎向接合面均勻布置，布置方式的平面和立面圖如圖1所示，側面圖如圖2所示。栓釘和銷鍵的組合方式主要由栓釘承擔豎向直剪力，栓釘錨固頭可以提供一個側向拉力，可以有效防止鋼管與混凝土接合面分離，銷鍵可以為豎向接合面提供較大豎向抗剪承載力。

銷鍵為直徑20 mm的螺紋鋼筋加工而成，長100 mm，豎向間距225 mm，焊接在鋼管壁上；栓釘為ML15標準尺寸，直徑13 mm，長80 mm，在豎向接合面上的水平間距均為60 mm，豎向間距為200 mm或250 mm。各試件中的栓釘配置數(shù)量按照配鋼率1%設計，由于鋼管混凝土邊框?qū)挾刃。ㄡ斨睆竭x取不宜過大，以便和鋼管截面相稱。

圖1 豎向接合面栓釘、銷鍵布置科圖(單位：mm)Fig.1 Stud and pin key distribution of vertical joint surface (Unit: mm)

圖2 豎向接合面?zhèn)让鎴DFig.2 Side view of vertical joints surface

2.2 加載設計

將試件固定在243.35 T電液伺服加載系統(tǒng)和支座之間，鋼管混凝土邊框上端放置一個120 mm×30 mm×15 mm的墊塊，使得上部作動器荷載均勻傳遞給試件，以便使試件沿豎向接合面發(fā)生直剪破壞，鋼管混凝土邊框下端和“L”形墻體留有20 mm的縫隙，以便鋼管混凝土邊框沿豎向接合面自由滑移，加載試驗裝置如3所示。

該系統(tǒng)豎向可施加350 kN的荷載，采用豎向單調(diào)加載，在試驗加載過程中首先預加載10 kN，以觀測加載系統(tǒng)和試件的可靠性，確保數(shù)據(jù)采集正常。加載采取分級加載制度，并采集和觀測試件的變形與損傷情況，采用strainbook616高速動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，應變片布置的位置如圖1所示。

加載分為兩個階段，第一階段采用荷載控制，本階段最終加載值為預估荷載的70%，該階段采取分級加載，依次加載至預估荷載的0.2倍、0.4倍、0.7倍，該計算荷載是將各試件主要參數(shù)代入ACI318-08[8]和我國《鋼結構設計規(guī)范》[9]相關公式中預估出來的，由于預估值比實際加載值偏大，個別試件(如SP-4S3P試件)未加至預估值的70%就進入第二階段的位移控制加載，該階段每級位移控制值為1.4s0.7，s0.7為預估荷載70%時對應的位移值，加載速率為0.5倍位移控制值，單位為mm/min，直至試件破壞，豎向接合面的上部和下部布置位移計如圖3所示，以測試豎向接合面的變形。

圖3 加載試驗裝置圖Fig.3 Loading test device

3 試驗結果及分析

3.1 破壞特征

各試件的破壞過程如下，典型試件的破壞形態(tài)如圖4所示。

SP-6S試件(6栓釘):當加載至75 kN時接合面出現(xiàn)細微豎向裂縫，加載至120 kN時鋼筋混凝土墻體上與栓釘對應位置開始出現(xiàn)斜裂縫，加載至146 kN時接合面豎向裂縫貫通，通縫邊緣混凝土迸裂，試件發(fā)生破壞。

SP-6S2P試件(6栓釘+2銷鍵):當加載至115 kN時接合面出現(xiàn)細微豎向裂縫，加載至175 kN時鋼筋混凝土墻體開始出現(xiàn)斜裂縫，且斜裂縫隨著荷載的增加而延伸并加寬，加載至220 kN時接合面豎向裂縫與鋼筋混凝土墻體上的斜裂縫貫通，并發(fā)生破壞，如圖4(a)所示。

SP-4S試件(4栓釘): 當加載至63 kN時接合面出現(xiàn)細微豎向裂縫，加載至90 kN時鋼筋混凝土墻體上與栓釘對應位置開始出現(xiàn)斜裂縫，加載至108 kN時接合面豎向裂縫貫通，通縫邊緣混凝土迸裂，且栓釘對應位置混凝土出現(xiàn)大面積掀起，試件發(fā)生破壞如圖4(b)所示。

SP-4S3P試件(4栓釘+3銷鍵): 當加載至84 kN時接合面出現(xiàn)細微豎向裂縫，加載至155 kN時鋼筋混凝土墻體開始出現(xiàn)斜裂縫，且斜裂縫隨著荷載的增加而延伸并加寬，加載至207 kN時接合面豎向裂縫與鋼筋混凝土墻體上的斜裂縫貫通，并發(fā)生破壞。

SP-3P試件(3銷鍵): 當加載至65 kN時接合面出現(xiàn)細微豎向裂縫，加載至87 kN時鋼筋混凝土墻體上與銷鍵對應位置開始出現(xiàn)斜裂縫，且斜裂縫向銷鍵間延伸，加載至109 kN時接合面豎向裂縫貫通，銷鍵間的混凝土形成拱形破壞面，每個銷鍵的影響范圍為200～300 mm，鋼管與鋼筋混凝土瞬間脫離，試件發(fā)生破壞，如圖4(c)所示。

圖4 試件破壞形態(tài)圖Fig.4 Failure modes of specimens

3.2 荷載—變形曲線及對比分析

實測所得5個試件的荷載與位移關系曲線對比圖如圖5(a)-圖5(f)所示，縱坐標為實際加載值(單位：kN)，橫坐標為兩個LVDT位移計記錄的豎向滑移平均值(單位：mm)。

由圖5(a)可見，同為6個栓釘，增加2個銷鍵后顯著提高抗剪承載力，可提高46%，初始剛度略微降低，延性相差不多。當采用不同的栓釘個數(shù)時，從圖5(b)可以看出，增加栓釘個數(shù)可以有效提高承載力和延性，因此當只選用栓釘抗剪時，要選擇合理的栓釘配鋼率，以保證截面具有足夠的抗剪承載力和延性。

SP-4S3P試件相對于SP-3P試件的抗剪承載力或延性的變化如圖5(c)所示，和圖5(a)相似，增加栓釘后承載力可提高101%。SP-4S3P試件配鋼率為0.88%，從圖5(d)可以得出其初始剛度和延性顯著提高。同樣，保證試件都有3個銷鍵，增加4個栓釘會顯著提高試件的抗剪承載力和延性。以上分析可得，采用栓釘和銷鍵的組合連接方式，可以有效改善截面的抗剪性能，從承載力或延性來說，相對于單獨栓釘或單獨銷鍵都有不同程度的改善，因此建議工程應用中考慮該組合形式連接。圖5(e)和圖5(f)反映出大致相同承載力情況下，栓釘對試件初始剛度的降低影響明顯。

圖5 各試件荷載—位移曲線對比圖Fig.5 Load-displacment diagram of specimens

4 抗剪承載力分析

各國的規(guī)范中有關于栓釘抗剪承載力的計算公式，但是對栓釘和銷鍵組合抗剪的計算公式未見報道，因此，在研究國內(nèi)外相關規(guī)范基礎上，提出栓釘和銷鍵組合抗剪承載力計算公式：

(1)

式中，Ast為栓釘?shù)臋M截面面積；Ec為混凝土的彈性模量；fck為混凝土圓柱體抗壓強度標準值；l為抗剪銷鍵長度；d為抗剪銷鍵高度；fc為混凝土抗壓設計強度；α為局部承壓有效面積調(diào)整系數(shù)，建議取0.9。

按式(1)得出各試件的豎向接合面抗剪承載力計算值和實測值見表2，計算值和實測值吻合較好，試件SP-6S和SP-6S2P相對誤差略微偏大原因可能是式(1)中關于栓釘抗剪承載力計算的理論值偏大造成的。

表2試件抗剪承載力實測值和計算值

Table2Experimentalandcalculatedresultsofshearcapacity

試件編號實測值/kN計算值/kN相對誤差/%SP-6S150.6166.210.3SP-6S2P220.5239.210.4SP-4S108.3110.82.3SP-4S3P218.2226.63.8SP-3P109.7115.85.6

5 結 論

通過5個鋼管混凝土邊框和墻板豎向接合面的抗剪性能試驗，得出以下結論：

(1) 從試驗現(xiàn)象看，采用銷鍵和栓釘組合的豎向接合面連接方式，可以有效改善試件抗剪承載力和延性。在一定配鋼率范圍內(nèi)(限于文中僅考慮1.32%或0.88%)，隨著配鋼率的增加，鋼管與混凝土接合面的抗剪承載能力會相應增強，同時改善鋼管混凝土邊框和墻板接合面的抗剪破壞的延性。

(2) 單獨銷鍵或銷鍵栓釘組合連接時，對增強鋼管與混凝土接合面的抗剪承載力方面具有良好的效果，并且單獨銷鍵的影響范圍在200～300 mm之間。

(3) 提出了該鋼管混凝土邊框和墻板豎向接合面采用栓釘和銷鍵組合連接的抗剪承載力理論計算公式，將各試件的計算值和實測值作比較，吻合較好。

(4) 本文研究的栓釘和銷鍵組合連接方式具有較好的抗剪承載力和延性，可用于鋼管混凝土組合剪力墻結構設計中。

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