鋼板磚砌體組合梁受剪性能試驗(yàn)研究

潘宇翔　曹雙寅　王錚　敬登虎　毛海斌

摘 要：鋼板磚砌體組合結(jié)構(gòu)是一種新型的托換改造技術(shù).為了掌握鋼板磚砌體組合梁的受剪性能，完成了6根組合梁的靜載試驗(yàn)，研究了鋼板厚度及螺栓間距對(duì)受剪承載力的影響，分析了組合梁受剪破壞的機(jī)理.試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼板與磚砌體兩者互為幫助、共同工作，剪壓區(qū)砌體與鋼板的破壞并無明顯先后順序.組合梁的破壞總是始于剪壓區(qū)鋼板的局部屈曲，受剪承載力的主要影響因素為側(cè)向鋼板的厚度，螺栓間距在一定范圍內(nèi)對(duì)承載力影響不大，但是螺栓的布置形式對(duì)鋼板的失穩(wěn)破壞形態(tài)及承載力起決定性作用.在實(shí)際工程中可以對(duì)梁兩側(cè)上端進(jìn)行加強(qiáng)約束從而提高梁的抗剪性能.此外，本文給出了組合梁抗剪極限承載力的計(jì)算公式.

關(guān)鍵詞：鋼板磚砌體；組合梁；受剪；局部屈曲

中圖分類號(hào)：TU398 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-2974（2016）03-0083-07

采用鋼板磚砌體組合結(jié)構(gòu)是一種新型的托換改造技術(shù)，主要適用于既有磚混房屋的大空間改造[1-4].相比于傳統(tǒng)的既有磚混房屋的大空間改造方法，該項(xiàng)技術(shù)具備以下優(yōu)點(diǎn)：充分利用原有砌體、施工方便可靠、工期短、基本不增加原結(jié)構(gòu)尺寸、不影響原建筑使用面積以及外觀效果好.文獻(xiàn)[5-6]提出了砌體的彈性模量模型及剪壓破壞的準(zhǔn)則，而本文作者所在課題組已對(duì)鋼板磚砌體組合梁的抗彎性能[7]、組合墻梁的靜載性能[8]以及組合框架的抗震性能[9]進(jìn)行了試驗(yàn)研究.目前，對(duì)于鋼板磚砌體組合梁的抗剪受力性能尚未有文獻(xiàn)報(bào)道.本文通過6根鋼板磚砌體組合梁的靜載試驗(yàn)對(duì)其受剪性能進(jìn)行研究，從而為其工程應(yīng)用和有關(guān)學(xué)術(shù)研究提供依據(jù)和參考.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件制作

本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了6根鋼板磚砌體組合梁，砌體幾何尺寸均為240 mm×400 mm×1 600 mm，為了盡量保證構(gòu)件的破壞發(fā)生在剪跨段，試件設(shè)計(jì)時(shí)取剪跨比為1，構(gòu)件長(zhǎng)度為1 600 mm，構(gòu)件寬度為常見砌體墻寬，高度取常見模數(shù)6 m的1/15.兩側(cè)及底面外包鋼板，黏結(jié)材料為灌注型結(jié)構(gòu)膠，側(cè)板與底板之間采用角焊縫連接.試驗(yàn)參數(shù)包括鋼板厚度與螺栓間距，鋼板厚度分別為3，5和6 mm 3種，螺栓間距分別為200和300 mm 2種，在試件的純彎段增設(shè)了加強(qiáng)角鋼，并在純彎段加密螺栓間距.鋼材采用Q235B，對(duì)拉螺栓采用M12.試件編號(hào)采用BX-X的形式，第1個(gè)X用來區(qū)分鋼板厚度，第2個(gè)X區(qū)分螺栓間距.具體構(gòu)件參數(shù)及示意圖分別見表1和圖1.

1.2 材料力學(xué)性能

將Q235B鋼板制成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件按現(xiàn)行GB/T 228.1-2010《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn).鋼板材料性能參數(shù)如表2所示，鋼材的彈性模量為205 GPa，磚砌體通過壓力機(jī)測(cè)定其抗壓強(qiáng)度為3.80 MPa，螺栓平均屈服強(qiáng)度為663.4 MPa，極限強(qiáng)度為834.4 MPa，延伸率為6.5%，螺栓內(nèi)徑為7 mm.灌注型結(jié)構(gòu)膠的拉伸強(qiáng)度為57.9 MPa，拉伸彈性模量為2 723 MPa，壓縮強(qiáng)度為122 MPa.

1.3 加載方式與裝置

試驗(yàn)采用250 t壓力試驗(yàn)機(jī)加載，采用剪跨比為1的四點(diǎn)加載方式，通過分配梁將荷載以兩點(diǎn)形式傳遞給組合梁.對(duì)于3 mm鋼板組合梁，400 kN之前以50 kN作為一個(gè)加載等級(jí)，之后以25 kN為一個(gè)加載等級(jí)，對(duì)于5 mm和6 mm鋼板組合梁，700 kN之前以50 kN為一個(gè)加載等級(jí)，之后以25 kN為一個(gè)加載等級(jí).每級(jí)荷載持續(xù)時(shí)間不少于3 min且待變形穩(wěn)定，當(dāng)荷載加不上去或構(gòu)件變形過大時(shí)（撓度超過跨度1/10時(shí)）卸載，停止試驗(yàn).試驗(yàn)裝置如圖2所示.

1.4 測(cè)點(diǎn)布置

為了研究剪壓區(qū)鋼板剪應(yīng)變發(fā)展情況，在控制截面（4個(gè)剪壓區(qū)）分別貼4個(gè)應(yīng)變花，應(yīng)變花沿加載點(diǎn)到支座呈45°直線布置.另在跨中及支座安裝位移傳感器測(cè)量試件在加載過程中的變形.

1.5 組合梁試驗(yàn)現(xiàn)象

加載初期，組合梁呈彈性狀態(tài).隨著荷載的增加，梁端部磚砌體出現(xiàn)多條豎向裂縫，由上至下裂縫寬度變細(xì).之后隨著荷載增加，端部裂縫變寬并逐漸貫通，并伴隨著噼啪清脆的斷裂聲；繼續(xù)加載，敲擊剪壓區(qū)鋼板有空鼓聲，但鋼板的局部屈曲肉眼很難看出；繼續(xù)加載，剪壓區(qū)鋼板發(fā)生可見的輕微屈曲，隨著側(cè)板頂面局部屈曲面積的不斷增大，破壞主要為砂漿與磚砌體之間的界面混合破壞[10]（見圖3），最終螺栓間側(cè)板發(fā)生局部屈曲失穩(wěn)，受壓區(qū)鋼板大面積退出工作，梁兩端向上翹起，承載力瞬間下降，最后由于變形過大而停止加載.部分梁剪壓區(qū)砌體裂縫發(fā)展充分，甚至端部砌體與跨中主體之間有錯(cuò)斷，具體加載特征見表3.

1.6 破壞形態(tài)

就局部破壞形式來看，組合梁抗剪破壞模式與其受彎破壞[7]形式相似.其中，試件B3-200由于應(yīng)力集中造成支座處局部發(fā)生破壞（見圖4），底部螺栓往下區(qū)域側(cè)板先發(fā)生局部屈曲并最終成褶皺形態(tài).試件B3-300與B5和B6的破壞形式均為剪壓區(qū)螺栓之間鋼板的局部屈曲失穩(wěn)破壞，屈曲波形從側(cè)板頂部發(fā)展到底部，上部由于沒有翼緣約束，屈曲程度較大，而下部由于翼緣底板的約束作用，屈曲變形較?。ㄒ妶D5）.螺栓間距相同的構(gòu)件，側(cè)板發(fā)生局部屈曲的位置和范圍大致接近，組合梁正反面的屈曲位置也基本對(duì)稱（見圖1）.圖1中，虛線表示砌體產(chǎn)生裂縫的走向，實(shí)線表示鋼板局部屈曲的范圍，S-1到S-4為剪壓區(qū)所布置的應(yīng)變花，括號(hào)內(nèi)為對(duì)稱位置處編號(hào).拆除外包鋼板之后，試件加載端外側(cè)砌體存在兩種破壞形態(tài)：試件B3-200剪壓區(qū)內(nèi)砌體裂縫發(fā)展充分，部分砌體甚至被壓碎成粉末狀；除試件B3-200外，其余梁端最外側(cè)存在根據(jù)螺栓布置所劃分的三角區(qū)域（見圖6），該部分砌體整體性相對(duì)較好，剪壓區(qū)砌體裂縫發(fā)展與普通鋼筋混凝土無腹筋梁斜壓破壞接近，梁腹被分割成幾個(gè)傾斜的壓柱體，壓柱體的形狀與螺栓布置有關(guān)，破壞時(shí)壓柱體頂端砌體部分被壓潰，對(duì)應(yīng)位置處側(cè)板局部屈曲失穩(wěn).二者破壞形態(tài)的主要區(qū)別在于剪壓區(qū)的破壞程度不同.

試件的局部屈曲都發(fā)生在組合梁的一端，這是由于不可避免的安裝誤差、試件制作誤差等偶然因素導(dǎo)致試件和加載點(diǎn)未能實(shí)現(xiàn)完全對(duì)稱.在彎矩和剪力共同作用下，鋼板應(yīng)變率先達(dá)到臨界屈曲應(yīng)力的一端發(fā)生局部屈曲；另一端側(cè)板應(yīng)變發(fā)展不充分，未達(dá)到臨界屈曲應(yīng)力，所以局部屈曲變形尚未發(fā)生.值得注意的是另一端在拆除鋼板后砌體側(cè)面斜裂縫幾乎沒有開展，砌體整體性較好（見圖7）.由于梁兩端荷載形式幾乎相同，該現(xiàn)象也證明了鋼板在沒有發(fā)生明顯屈曲之前，砌體并未承擔(dān)過多的剪力；只要砌體未明顯破壞，其作為剛性支承作用就一直存在[11].剪力主要是由側(cè)向鋼板承擔(dān)，剪壓區(qū)砌體與鋼板的破壞并無明顯先后順序，幾乎是同時(shí)發(fā)生.與屈曲端相比，未屈曲端主要的裂縫仍為梁端普遍性的豎向裂縫（見圖5），這是因?yàn)榱憾思葲]有端板也沒有螺栓的橫向約束，砌體在加載過程中主要承受著由兩面?zhèn)劝鍌鱽淼膫?cè)向拉力，豎向裂縫易于開展.

另外，在拆除鋼板時(shí)發(fā)現(xiàn)，除了局部屈曲位置，梁其余部分的鋼板與砌體之間均保持著很好的粘結(jié).

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 荷載撓度曲線

由荷載跨中撓度曲線（見圖8）可以看出，從開始加載到達(dá)到峰值荷載，跨中撓度和荷載基本接近于線性關(guān)系，只是在后期鋼板發(fā)生局部屈曲之后，剛度開始減小，試件的撓度明顯增大.6根構(gòu)件在100 kN左右都有一個(gè)短暫的剛度提高過程，原因是此時(shí)內(nèi)部砌體之間的縫隙和砂漿被逐漸壓實(shí).試件B3-300，B5-300和B6-300的鋼板厚度依次增加，但組合梁的初期剛度變化并不明顯，這主要是因?yàn)? mm，5 mm和6 mm組合梁截面的含鋼率分別為2.8%，4.7%和5.6%，含鋼率較低，鋼材對(duì)剛度的貢獻(xiàn)不大.對(duì)剛度影響較大的是組合梁的截面尺寸，而在這一點(diǎn)上3種含鋼率的組合梁幾乎相同，故三者相差不大.試件B5-200，B5-300與試件B6-200，B6-300只有螺栓間距不同，但此情況下螺栓間距對(duì)組合梁的剛度幾乎沒有影響.

2.2 峰值承載力及主要影響因素

2.2.1 鋼板厚度

試件B3-200由于應(yīng)力集中產(chǎn)生支座處局部破壞，因此試件B3-200的承載力暫不參與定量分析.

試件B3-300，B5-300，B5-200，B6-300和B6-200的峰值承載力分別為705，1 120，1 250，1 450和1 510 kN（見表3）.試件B3-300，B5-300與B6-300的螺栓間距均為300 mm，只是鋼板厚度不同，所以承載力的提高主要是側(cè)向鋼板厚度的增加所致.試件B5-300和B6-300的承載力分別比試件B3-300提高了58.9%和100.5%，其鋼板厚度分別提高了66.6%和100%；試件B5-200和B6-200螺栓間距均為200 mm，B6-200的峰值承載力比前者提高了20.8%，其鋼板厚度提高了20%，由此可見峰值承載力與鋼板厚度呈較高的線性關(guān)系（見圖9）.

2.2.2 螺栓間距

在加載初期，鋼板頂部測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)變隨荷載的增加基本呈線性關(guān)系，到了加載后期，局部屈曲位置的鋼板應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)明顯加快，這是由于剪跨段壓力帶砌體逐漸被壓壞退出共同工作，相應(yīng)位置的鋼板承擔(dān)了更多的外力，之后側(cè)板頂部發(fā)生局部屈曲.圖10反映了螺栓間距對(duì)局部屈曲位置鋼板壓應(yīng)變發(fā)展的影響，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)達(dá)到峰值承載力時(shí)，螺栓間距較小構(gòu)件的鋼板應(yīng)變發(fā)展更充分，這是因?yàn)楫?dāng)螺栓間距較小時(shí)，延緩了組合梁剪跨段鋼腹板的局部屈曲.

就承載力而言，試件B5-200峰值承載力比B5-300提高了11.6%，試件B6-200比B6-300提高了4.2%，考慮試驗(yàn)的離散性，相對(duì)于鋼板厚度的提高，螺栓間距對(duì)組合梁受剪承載力的提高非常有限.這主要由以下2個(gè)原因：螺栓間距改變了局部屈曲形態(tài)，理論上來說，螺栓間距的縮小能夠提高鋼板臨界屈曲荷載[12]，但同時(shí)壓力帶的寬度也有所減小，二者相互制約，故在一定范圍內(nèi)減小螺栓水平間距并不能有效提高抗剪承載力.另外，各構(gòu)件達(dá)到峰值承載力時(shí)，螺栓間距為200 mm的構(gòu)件撓度是螺栓間距為300 mm的構(gòu)件撓度的1.5倍，可見，當(dāng)鋼板厚度相同時(shí)，螺栓間距越小，組合梁構(gòu)件的延性越好.總體來說，合理的螺栓布置可以改善鋼板磚砌體組合梁的工作性能，但不能提高其峰值承載力.

2.3 破壞機(jī)理

加載點(diǎn)與支座間砌體形成“壓力帶”，該區(qū)域磚砌體發(fā)生橫向變形，上部開口且受螺栓約束較少的部分首先在梁的正截面上出現(xiàn)豎向裂縫.隨著荷載繼續(xù)增加，豎向裂縫由上至下不斷發(fā)展，砌體裂縫發(fā)展呈散開型（上大下?。?但最終破壞并不是由于豎向裂縫開展過大所造成.即使裂縫開展較多，鋼板發(fā)生了屈曲，只要磚砌體外層沒有脫落，其作為垂直于鋼板表面的粘結(jié)作用就依然存在（此時(shí)砌體剛性支承作用消失，膠體開始發(fā)揮粘結(jié)作用），為延緩鋼板發(fā)生局部屈曲及其屈曲后強(qiáng)度提供了重要保證，這點(diǎn)與鋼管混凝土有所區(qū)別[13].

最終破壞的原因是，由于鋼板持續(xù)的局部屈曲變形，磚砌體混合界面不斷被拉脫，從而逐漸失去粘結(jié)作用，原有鋼板屈曲后所承擔(dān)的部分荷載轉(zhuǎn)移到砌體壓力帶上，當(dāng)剪壓區(qū)砌體的主拉應(yīng)變達(dá)到極限拉應(yīng)變時(shí)，砌體出現(xiàn)垂直于主拉應(yīng)變方向的裂縫，最終發(fā)展到沿裂縫完全斷開，砌體壓力帶退出共同工作.此時(shí)荷載早已超越混合層在沒有支承作用下的穩(wěn)定極限荷載，組合梁承載力瞬間下降而破壞.

根據(jù)試驗(yàn)破壞現(xiàn)象及機(jī)理分析，在實(shí)際工程中，建議在組合梁的上端，樓板的下側(cè)也布置如純彎段相同的加強(qiáng)角鋼并采用螺栓對(duì)拉連接，這樣可以同時(shí)增強(qiáng)構(gòu)件的抗剪承載能力和提高構(gòu)件的延性.

3 極限承載力計(jì)算公式

根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞機(jī)理，將彎矩、剪力復(fù)合作用下鋼板局部屈曲的產(chǎn)生作為構(gòu)件的極限狀態(tài)，此時(shí)的峰值承載力作為極限承載力[14].其計(jì)算公式為：

4 結(jié) 論

本文通過鋼板磚砌體組合梁的靜載試驗(yàn)研究，探討了組合梁的受剪性能，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）基于本文構(gòu)造所制造的鋼板磚砌體組合梁，受剪作用下的破壞特征為剪跨段鋼板的局部屈曲和砌體的斜向裂縫.

2）鋼板的存在使磚砌體抗剪破壞大幅延遲，同時(shí)帶有粘結(jié)性能的內(nèi)部磚砌體剛性支承使鋼板的穩(wěn)定性得到極大的提高.鋼板與磚砌體兩者互為幫助、共同工作，剪壓區(qū)砌體與鋼板的破壞并無明顯先后順序.

3）側(cè)向鋼板厚度是影響組合梁抗剪承載力的關(guān)鍵因素，峰值承載力基本與鋼板厚度呈線性關(guān)系.

4）給出了按此類方法施工的鋼板磚砌體組合梁的抗剪極限承載力計(jì)算公式.

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