鋼板-混凝土組合板在橫向集中荷載作用下的破壞模式分析*

吳麗麗 劉艷 姜宇鵬 張棟棟

（中國礦業(yè)大學（北京）深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室∥力學與建筑工程學院，北京 100083）

鋼板-混凝土組合板在橫向集中荷載作用下的破壞模式分析*

吳麗麗 劉艷 姜宇鵬 張棟棟

（中國礦業(yè)大學（北京）深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室∥力學與建筑工程學院，北京 100083）

采用ANSYS有限元與試驗相結合的方法，研究了板件截面抗彎承載力與抗剪承載力隨剪跨比變化的趨勢，分析了在跨中單點(兩點對稱)加載下剪跨比對板件破壞模式的影響規(guī)律.結果表明：鋼板剝離破壞僅發(fā)生在抗剪連接件不完全剪力連接時的板件；在跨中單點(兩點對稱)加載下，剪跨比小于7.5(7)時，截面抗彎承載力較抗剪承載力充足，試件發(fā)生剪切破壞；剪跨比在7.5(7)與10(9)之間時，截面抗彎與抗剪承載力均不足，試件發(fā)生彎剪破壞；剪跨比大于10(9)時，截面抗彎承載力較抗剪承載力不足，試件發(fā)生彎曲破壞.

鋼板-混凝土組合板；剪跨比；抗彎承載力；抗剪承載力；受彎性能；破壞模式

鋼板-混凝土組合板近幾年來在建筑及橋梁領域逐漸受到關注.它構造簡潔、施工快捷、無支模工序、易于滿足橋梁的平面形狀要求，抗裂性能及抗震性能較好，具有廣闊的應用前景.

國內外眾多學者對各種形式的鋼板-混凝土組合構件的抗彎性能進行了廣泛的研究.20世紀50年代，Casillas等［1］采用鋼板代替鋼筋混凝土板中的鋼筋，采用栓釘作為抗剪連接件來連接鋼板與混凝土，并對此種形式的構件進行了詳細的研究，實驗表明，鋼板與混凝土之間的微小滑移不影響兩者的共同工作，試驗中部分板件由于栓釘連接件受到的荷載過大產生較大的滑移而破壞.

聶建國等［2-4］對開口型與閉口型壓型鋼板（輕骨料）混凝土組合板的受力性能、動力性能、疲勞性能等進行了研究，并分析了鋼-混凝土組合板彈性局部和整體的剪切屈曲［5-6］，其相關結論為工程中組合板的設計提供了依據(jù)和參考.

左瑩、楊悅等［7-8］通過對不同類型的鋼板-混凝土組合板的試驗研究，分析了板件的受力性能和破壞形態(tài)的影響因素，并提出一些實用的理論計算公式.

馬曉偉和胡紅松等［9-10］對雙鋼板-混凝土剪力墻的變形能力進行了分析，并提出可用于雙鋼板-混凝土剪力墻壓彎承載力設計的數(shù)值模型及簡化計算公式.

此外，在鋼板夾心混凝土組合結構方面，Uy等［11-13］對鋼板夾心混凝土組合結構進行了試驗研究.

國內外學者的研究表明，不同截面及受力狀態(tài)下，組合板的破壞可能有4種主要模式：彎曲破壞、縱向剪切破壞、垂直剪切破壞和沖切破壞.

筆者所在課題組先后進行了兩批試驗，試驗觀測到鋼板-混凝土組合板在受彎狀態(tài)下的破壞模式主要有：鋼板剝離破壞（加載初期，栓釘滑移量較小，近似服從線性變化，加載中后期，隨著荷載的增加，滑移量迅速發(fā)展，曲線斜率不斷變小，直到栓釘由于滑移過大而被剪斷，鋼板剝離造成板件破壞）；彎剪破壞（彎曲破壞與剪切破壞的混合破壞，即在構件產生彎曲破壞特征后由于抗剪承載力不足，導致構件最終破壞）；剪切破壞（由于抗剪承載力不足，導致板件出現(xiàn)斜裂縫而破壞）；彎曲破壞（由于抗彎承載力不足，導致板頂加載處混凝土被壓潰，跨中板底鋼板受拉屈服，導致試件卸載而破壞）.

文中采用ANSYS有限元對簡支鋼板-混凝土組合板進行參數(shù)分析，通過變化試件的剪跨比，研究組合板截面抗彎承載力與抗剪承載力隨剪跨比變化的趨勢；通過分析板件的破壞模式，分別得出跨中單點加載及兩點對稱加載下，剪跨比對組合板破壞模式的影響規(guī)律，提出簡支組合板發(fā)生各種破壞形態(tài)的剪跨比閾值，并與試驗結果進行對比分析.

1 ANSYS有限元模型及數(shù)值計算

采用ANSYS有限元對簡支鋼板-混凝土組合板進行非線性數(shù)值模擬.組合板數(shù)值計算基本參數(shù)如表1和表2所示，模擬中固定組合板中混凝土厚度為100mm，鋼板厚度為6mm，栓釘均按完全剪力連接設置，通過變化試件跨度的方式變化剪跨比（板件剪跨比等于加載點至支座處的距離除以板件厚度），進行對比分析.

表1 單點加載下的組合板數(shù)值計算基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of composite slabs numerical calculation under single loading points

表2 兩點加載下的組合板數(shù)值計算基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of composite slabs numerical calculation under two loading points

1.1 ANSYS有限元模型

1.1.1 材料本構關系

混凝土的受壓本構關系采用Hongnestad［14］曲線，受拉本構關系采用簡化受拉模型曲線，本構關系曲線如圖1所示.

圖1 混凝土本構關系Fig.1 Constitutive relationship of concrete

鋼材采用Q235鋼，鋼板抗拉強度取自材性試驗結果，鋼材的彈性模量Es=206 GPa.鋼板本構關系采用理想彈塑性模型，如圖2所示.

圖2 鋼材本構關系Fig.2 Constitutive relationship of steel

為了考慮抗剪連接件滑移產生的影響，在定義栓釘抗剪連接件本構關系時，采用Ollgaard［15］在20世紀70年代提出的栓釘剪力-滑移模型，如圖3所示.

圖3 栓釘剪力-滑移曲線Fig.3 Shear-slip curve of stud

1.1.2 有限元加載模型

鋼板-混凝土組合板有限元加載模型如圖4所示，混凝土、鋼板、栓釘分別采用SOLID 65、SOLID 45與COMBIN 39彈簧單元模擬，彈簧單元連接底部的鋼板單元及上部的混凝土單元，在支座處及加載處設置彈性墊塊，以避免加載過程中由于應力集中造成試件破壞.采用力控制收斂準則，在墊板上的節(jié)點設置豎向位移約束，采用位移加載的方式.有限元求解方法使用非線性迭代法，將荷載分解為一系列增量，在每一增量步求解結束后，調節(jié)剛度矩陣以適應非線性響應.

圖4有限元加載模型Fig.4 Finite elementmodel of load

1.2 有限元計算結果及分析

1.2.1 組合板數(shù)值模擬結果

通過數(shù)值模擬，在兩種加載情況下，各板件處在極限狀態(tài)時剪跨段的剪力V和跨中最大彎矩M如表3和表4所示.

表3 單點加載模式下各板件在極限狀態(tài)時剪跨段的剪力和跨中最大彎矩Table 3 The shear and maximum bendingmoment of each slab in the limit state when the slab is cut under the single point of loading.

表4 兩點加載模式下各板件在極限狀態(tài)時剪跨段的剪力和跨中最大彎矩Table 4 The shear and maximum bendingmoment of each slab in the limit state when the slab is cut under the two point of loading

1.2.2 組合板數(shù)值模擬結果分析

由前期試驗結果可知，鋼板-混凝土組合板在受彎狀態(tài)下的受力性能類似鋼筋混凝土構件，將組合板底部鋼板看作鋼筋，參考鋼筋混凝土受彎構件正截面承載力計算公式，采用塑性設計理論研究組合板截面極限彎矩.計算中忽略混凝土的抗拉能力，鋼板-混凝土組合板應力采用等效截面應力分布.則混凝土受壓區(qū)高度為

組合板截面極限彎矩為

式中：As為鋼板截面面積；h為組合板高度；ts為鋼板厚度；fy為鋼板的屈服強度；為混凝土受壓區(qū)等效矩形應力圖系數(shù)；fc為混凝土軸心抗壓強度，fc=0.76 fcu；x為混凝土受壓區(qū)高度.

總而言之,預見性護理時妊高癥患者的可靠護理措施,對病情發(fā)展有預測性,能夠提前的針對性護理,減少母嬰并發(fā)癥,保障其安全,臨床中應該進行推廣使用。

由于目前尚無可依據(jù)的組合板截面抗剪承載力計算方法或公式，且其抗剪承載性能主要依靠混凝土板，所以暫且參考無腹筋鋼筋混凝土板斜截面抗剪承載力計算公式來計算鋼板-混凝土組合板斜截面抗剪承載力.則組合板截面抗剪承載力為

式中：βh為截面高度影響系數(shù)；b為組合板有效寬度；ft為混凝土軸心抗拉強度設計值；h0為組合板有效高度，當h0＜800mm時，取h0=800mm.

將表3和表4中的數(shù)值模擬結果V和M分別除以式（3）和式（2）做無量綱化處理，得出鋼板-混凝土組合板在單點和兩點對稱加載下，板件截面抗彎承載力與抗剪承載力的無綱量化結果，如圖5所示，圖中縱坐標ρ為極限狀態(tài)下V/Vu、M/Mu，橫坐標為剪跨比.

從圖5可以看出，在跨中單點和兩點對稱加載下，隨著剪跨比的增大，各板件在極限狀態(tài)時跨中最大彎矩變化幅度不大，且M/Mu總是大于1，這是因為Mu是將鋼板假想成鋼筋，參考鋼筋混凝土受彎構件正截面承載力公式計算的結果，而有限元計算結果M是將鋼板和混凝土板通過彈簧單元模擬栓釘?shù)倪B接作用，考慮了兩種材料的組合效應，考慮組合效應的有限元計算值必然會大于鋼筋混凝土受彎構件的計算結果.而隨著剪跨比的增大，剪力值下降幅度較大，參考無腹筋鋼筋混凝土板在集中荷載下的抗剪承載力公式，可知隨著剪跨比的增大，其抗剪承載力逐漸減小，正好與計算的結果吻合.

此外，由圖5可見，在跨中單點（兩點對稱）加載下，當λ＜7.5（λ＜7）時，，截面抗剪承載力不足，抗彎承載力較抗剪承載力充足，試件發(fā)生剪切破壞；當7.5＜λ＜10（7＜λ＜9）時，截面抗剪承載力不足，抗彎承載力較抗剪承載力不足，試件發(fā)生彎剪破壞；當λ＞10（λ＞9）時，截面抗剪承載力充足，抗彎承載力不足，試件發(fā)生彎曲破壞.

圖5 板件截面的無量綱化抗彎、抗剪承載力Fig.5 Flexural and shear dimensionless quantitative bearing capacity of slab sections

2 試驗設計及加載方式

筆者所在課題組先后對兩批鋼板-混凝土組合板抗彎性能進行了研究.共完成5組（共11塊板，其中S1J2板件同時用于4種參數(shù)的對比組中）靜力加載試驗，各組分別變化栓釘間距J、組合板厚度h、鋼板厚度ts、混凝土厚度bc、組合板長寬比a/b等參數(shù).板件中混凝土設計強度等級為C40，材性試驗測得混凝土立方體抗壓強度平均值為45.5MPa.鋼材為Q235鋼，材性試驗測得6、8和10mm鋼板的屈服強度分別為412.49、309.77、300.07MPa，極限強度分別為592.60、471.78、457.09MPa.

試件底面鋼板采用φ10栓釘剪力連接件與混凝土連接，栓釘在鋼板面均勻布置并施焊，板件規(guī)格尺寸見表5，板件測點布置圖如圖6所示，板件加工、加載示意圖如圖7所示.

表5 組合板試件規(guī)格尺寸Table 5 Parameters of composite slabs specimens

圖6 板件測點布置圖（單位：mm）Fig.6 Measuring points arrangement of Slabs（Unit：mm）

圖7 板件加工、加載示意圖（單位：mm）Fig.7 Slabs processing and loading diagram（Unit：mm）

3 有限元與試驗驗證

為確保數(shù)值模型的合理性，以試件SCCS1進行兩點加載數(shù)值模擬，并將數(shù)值計算的結果與試驗實測結果進行對比.鋼板-混凝土組合板的數(shù)值模擬結果和試驗實測得到的荷載-撓度曲線如圖8所示.

由圖8可見，組合板有限元模擬得到的荷載-撓度曲線與試驗實測結果基本吻合.

圖8 鋼板-混凝土組合板荷載-撓度曲線Fig.8 Load-deflection curves of steel plate-concrete composite slabs

鋼板-混凝土組合板SCCS1兩點加載有限元模擬結果和試驗中試件的破壞情況如圖9所示.

圖9 板件SCCS1數(shù)值模擬結果與試驗結果對比Fig.9 Compare of results between numerical simulation and experiment of Slabs SCCS1

由圖9（a）可見，在加載區(qū)混凝土應變達到了4.4×10-3，表示此處混凝土被壓潰；由圖9（b）可見，構件達到極限承載力時，加載處附近混凝土表面大量被掀起，混凝土被壓潰，構件出現(xiàn)大規(guī)模卸載并破壞，與有限元結果相符.

由以上結果可見，文中建立的有限元模型可以較好地模擬鋼板-混凝土組合板的承載能力和變形性能.

3.2 試驗構件破壞模式的驗證

根據(jù)加載方案，對各試件進行了試驗，結果如表6和表7所示.

表6跨中單點加載試驗結果Table 6 Test results of single point loading of themidspan

表7 跨中兩點加載試驗結果Table 7 Test results of two point loading of themidspan

從表6可以看出，在單點加載情況下，試件S1S3、S1B3、S1B2、S1S2的剪跨比均小于7.5，發(fā)生剪切破壞；試件S1T3剪跨比介于7.5與10之間，發(fā)生彎剪破壞.從表7可以看出，在兩點加載情況下，試件S1J1、S1J2、S1T2的剪跨比小于7，發(fā)生了剪切破壞；鋼板剝離破壞僅發(fā)生在抗剪連接件不完全剪力連接時的板件S1J3.本試驗中，試件SCCS1、SCCS2的剪跨比大于9，發(fā)生了彎曲破壞.通過與前期所有試驗結果對比，可知文中提出的單點或兩點加載情況下組合板破壞形態(tài)的剪跨比閾值結果與前期試驗結果吻合良好.

4 結論

通過變化試件的剪跨比，對鋼板-混凝土組合板進行了非線性有限元分析，通過對比極限狀態(tài)下鋼板-混凝土組合板截面抗彎、抗剪承載力，分析了簡支組合板的破壞模式，得到的主要結論如下：

（1）鋼板-混凝土組合板有限元模擬得到的極限承載力及變形性能與試驗實測得到的數(shù)據(jù)基本吻合，文中建立的有限元模型可以較好地模擬鋼板-混凝土組合板的承載能力和變形性能.

（2）鋼板剝離破壞僅發(fā)生在抗剪連接件不完全剪力連接時的板件，在完全剪力連接情況下，鋼板與混凝土截面抗剪承載力充足，兩種材料協(xié)同工作能力良好，能充分發(fā)揮兩種材料的性能.在這種情況下，鋼板剝離不會成為試件破壞的誘因.

（3）在跨中單點（兩點對稱）加載情況下，當λ＜7.5（λ＜7）時，截面抗剪承載力不足，抗彎承載力較抗剪承載力充足，試件發(fā)生剪切破壞；當7.5＜λ＜10（7＜λ＜9）時，截面抗剪承載力不足，抗彎承載力較抗剪承載力不足，試件發(fā)生彎剪破壞；當λ＞10（λ＞9）時，截面抗剪承載力充足，抗彎承載力不足，試件發(fā)生彎曲破壞.

（4）文中提出的單點或兩點加載情況下簡支組合板發(fā)生各種破壞形態(tài)的剪跨比閾值與前期試驗結果吻合良好，可為工程設計提供參考.

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Failure M odes Analysis of Steel Plate-Concrete Composite Slabs Under Transverse Concentrated Load

Wu Li-li Liu Yan Jiang Yu-peng Zhang Dong-dong
（State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering∥School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology（Beijing），Beijing 100083，China）

By combining the ANSYS-based finite elementmethod with the test，the changes of the flexural bearing capacity and shear bearing capacity of specimens with the shear-span ratio are analyzed，and the influence of the shear-span ratio on the failuremode of specimens is investigated respectively under single-point and two-point symmetric loading on themidspan.The results show that（1）the debonding failure of steel plates occurs onlywhen the shear connection are not complete；（2）under the single-point（two-point symmetric）loading on themidspan with a shear-span ratio of less than 7.5（7），the flexural bearing capacity of section ismore sufficient than the shear bearing capacity，so the shear failure of specimens occurs；（3）when the shear span ratio is between 7.5（7）and 10（9），neither the flexural bearing capacity of section nor the shear bearing capacity is sufficient，so the bending shear failure of specimens occurs；and（4）when the shear span ratio ismore than 10（9），the flexural bearing capacity of section ismore insufficient than the shear bearing capacity，so the bending failure of specimens occurs.

steel plate-concrete composite slab；shear-span ratio；flexural bearing capacity；shear bearing capacity；flexural behavior；failuremodes

TU 398.9；TU 317.1

10.3969/j.issn.1000-565X.2015.07.010

1000-565X（2015）07-0068-07

2014-10-28

國家自然科學基金資助項目（51278488）；北京高等學校青年英才計劃項目（YETP0942）

Foundation item：Supported by the National Natural Science Foundation of China（51278488）

吳麗麗（1977-），女，博士，副教授，主要從事鋼結構、鋼-混凝土組合結構等方面的研究.E-mail：jennywll@163.com