軸壓作用下鋼板混凝土連接栓釘受力性能試驗研究

王振清 常哲 張昊 揣君

摘 要：在新型地下糧倉中，防水、防潮是安全儲糧的一大難題，鋼板混凝土組合結(jié)構(gòu)可將防水與受力一體化。試驗表明，在合適的栓釘布置下鋼板與混凝土能共同工作，解決工程中的安全問題;在非主要受力方向上栓釘受力較為一致;用有限元模型模擬了鋼板混凝土板的變形，有限元模擬的結(jié)果與試驗結(jié)果接近。

關(guān)鍵詞：新型地下糧倉;鋼板混凝土;栓釘;有限元

Abstract：In the new underground granary， waterproof and moisture-proof is a major problem in safe grain storage. The stee-concrete composite structure can integrate waterproofing and stress. The test shows that the steel plate and the concrete can work together under the proper stud arrangement， which can solve the safety problem in the project; the stress of the stud is more consistent in the direction of non-main force; the deformation of the steel slab is simulated by the finite element model. The results of the finite element simulation are close to the experimental results.

Key words：New underground granary; Steel reinforced concrete; Stud; Finite element

中圖分類號：TU761.1+1

已建舊地下糧倉大多采用磚砌結(jié)構(gòu)，倉容較小，選址多在水位低，土質(zhì)可塑性較好的區(qū)域，地處偏遠(yuǎn)山區(qū)或城市郊區(qū)。新型地下糧倉具有能實現(xiàn)低溫儲糧、保持糧食品質(zhì)、抑制蟲害、節(jié)約土地和能源等優(yōu)點(diǎn)。但新型地下糧倉防水、防潮是一大技術(shù)難題，將單面鋼板混凝土組合結(jié)構(gòu)用于新型地下糧倉中，采用內(nèi)襯鋼板防水，將結(jié)構(gòu)防水與受力一體化，如圖1所示。在實際工程中單面鋼板混凝土組合板已經(jīng)廣泛應(yīng)用于組合加固和軌道橋梁[1-2]等方面，當(dāng)作為抗剪構(gòu)件時如何計算單面鋼板混凝土組合板中鋼板與混凝土分別承擔(dān)的剪力，且準(zhǔn)確地反映鋼板和混凝土材料性能以及界面的剪力連接程度等對組合板構(gòu)件產(chǎn)生的影響成為抗剪加固工程中亟需解決的問題[3]。

圖1 鋼板混凝土地下糧倉示意圖

單面鋼板混凝土組合結(jié)構(gòu)是由鋼材和混凝土兩種不同性質(zhì)的材料經(jīng)組合而成。是鋼和混凝土兩種材料的合理組合，充分發(fā)揮了鋼材抗拉強(qiáng)度高、塑性好和混凝土抗壓性能好的優(yōu)點(diǎn)。它構(gòu)造簡單，無需支模，具有良好的應(yīng)用前景，在建筑及地下糧倉中得到應(yīng)用[4-6]。

地下倉中防水防潮是難題，鋼板混凝土組合結(jié)構(gòu)將防水與受力一體化。圓形地下倉倉壁外側(cè)主要受水壓力與土壓力的作用，根據(jù)圓柱薄殼理論，其內(nèi)力主要為環(huán)向軸壓力，試驗研究選取計算單元，即用單塊鋼板混凝土試件來進(jìn)行軸向壓力作用下鋼板混凝土倉壁的受力性能試驗。實驗表明[7-9]，在軸向荷載作用下，組合結(jié)構(gòu)主要發(fā)生組合板整體失穩(wěn)和栓釘間距范圍內(nèi)鋼板失穩(wěn)現(xiàn)象。聶建國[10]等對鋼-混凝土組合板在單向受壓狀態(tài)下的穩(wěn)定性進(jìn)行了深入研究，推導(dǎo)得出組合板在軸向受壓狀態(tài)下混凝土板最小厚度和兩個方向栓釘最大間距的限制要求。吳麗麗[11]通過對四邊簡支鋼-混凝土組合板的彈性局部剪切屈曲進(jìn)行分析，得出栓釘?shù)淖畲箝g距是防止鋼板局部屈曲先于整體屈曲的一個非常關(guān)鍵因素，推導(dǎo)出四邊簡支板栓釘連接最大間距。張有佳[12-13]對雙面鋼板混凝土剪力墻進(jìn)行了軸壓受力性能有限元分析，采用實體單元模擬栓釘，在彈塑性階段栓釘根部受力最大，栓釘根部抗剪是其主要受力形式;當(dāng)試件達(dá)到極限荷載時，栓釘仍處于彈性階段。趙潔[14]對鋼板混凝土組合梁的非線性有限元分析，得出設(shè)計時可通過對栓釘?shù)目辜舫休d力進(jìn)行折減來保證鋼板-混凝土組合梁能夠達(dá)到彎曲破壞形態(tài)。綜上，國內(nèi)外對單面鋼板混凝土在受壓狀態(tài)下栓釘研究較少，本文主要研究在軸力作用栓釘?shù)牟贾檬欠窈线m及計算方法，為工程應(yīng)用提供服務(wù)。

1 材料與方法

1.1 試驗試件與材料

1.1.1 試驗試件

根據(jù)實際工程，內(nèi)徑25 m，倉壁（混凝土厚度300 mm，鋼板10 mm）;因弧度較小，以直代曲，按1∶1制作試件。試件尺寸長2.2 m，寬1 m，混凝土厚300 mm，鋼板厚10 mm，試驗中設(shè)計單面鋼板混凝土組合板試件，栓釘在水平方向上間距為150 mm，豎向上間距為200 mm;試件的幾何參數(shù)見圖2。

1.1.2 材料性能

試件所用鋼板的型號為Q345B，混凝土的強(qiáng)度等級為C40，共制作了3塊150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)試塊，在同等條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，對標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行抗壓實驗，其結(jié)果為41.3 Mpa。

1.2 試件加載及裝置

加載裝置采用長柱試驗機(jī)，加載示意圖如圖3a，圖3b為試驗加載裝置。

1.3 測點(diǎn)布置及測量

測點(diǎn)布置如圖4所示，試驗過程中采用動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)實時記錄加載過程中的應(yīng)變數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 栓釘應(yīng)變變化

2.1.1 栓釘附近、兩個栓釘間、四個栓釘間應(yīng)變變化

根據(jù)圖5軸力與應(yīng)變的關(guān)系圖可知，受壓方向栓釘附近、跨中及四個栓釘間的應(yīng)變值隨著軸壓力的增大，壓應(yīng)變也增大，且變化的趨勢基本一致，應(yīng)變值也比較接近，鋼板變形較為一致。這樣布置栓釘可很好的連接鋼板與混凝土，使其共同工作。

2.1.2 栓釘上應(yīng)變變化

如圖6所示，鋼板與混凝土組合板結(jié)構(gòu)在受到軸壓作用時，隨著軸壓力的增加可能會發(fā)生偏心受壓的現(xiàn)象，C4、C5栓釘上應(yīng)變?yōu)閴簯?yīng)變，應(yīng)變片在栓釘上是沿著栓釘?shù)姆较蛸N。隨著軸力的增大，鋼板混凝土發(fā)生壓彎變形，混凝土板的變形比鋼板的變形大，栓釘?shù)淖饔檬鞘逛摪迮c混凝土一起工作，在非主要受壓方向上栓釘變形較為一致。

圖5 栓釘附近、兩個栓釘間、四個栓釘間軸壓力與應(yīng)變關(guān)系圖

圖6 栓釘力與應(yīng)變關(guān)系圖

2.2 有限元模擬

2.2.1 基本參數(shù)

混凝土與鋼板采用ABAQUS中彈性模型，因為在實驗過程中經(jīng)過分析兩者仍處于彈性階段?；炷恋膹椥阅Ａ繛?.06×104 MPa，泊松比為0.2;鋼板的彈性模量為3.1×105 MPa，泊松比為0.3。使用ABAQUS中的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)，將每個網(wǎng)格劃分成規(guī)則的立方體，然后輸入網(wǎng)格密度，最后得到規(guī)則的六面體，可以得到較好的計算精度與速度。試件的頂端采用固結(jié)的形式。通過在相互作用中建立彈簧單元來模擬鋼板與混凝土之間的栓釘，鋼板與混凝土在栓釘處不分離，可一起協(xié)調(diào)工作，彈簧剛度取常量，有限元模型如圖7所示。

2.2.2 有限元分析與試驗對比

在沿加載方向上應(yīng)變實驗與有限元分析對比，如圖8所示。試件的數(shù)值模擬結(jié)果與實驗符合較好。在沿著加載方向上并未發(fā)生鋼板彈性局部屈曲的現(xiàn)象，這樣布置的栓釘間距可很好的滿足工程中的安全需要。

圖7 有限元模型圖

圖8 沿主要受力方向上應(yīng)變有限元與試驗對比圖

3 結(jié)語

在單鋼板-混凝土構(gòu)件軸心抗壓條件下，對鋼板混凝土連接栓釘及鋼板（兩栓釘間、四栓釘間）進(jìn)行了研究，并得出以下主要結(jié)論：①栓釘在鋼板混凝土組合結(jié)構(gòu)中主要作用為抗剪，在非加載方向上栓釘變形較為一致。②通過對四個栓釘、兩個栓釘間及栓釘附近受力試驗研究，在這種布置下的栓釘可以很好的連接鋼板與混凝土，使其共同工作。③通過有限元與試驗結(jié)果對比，利用有限元所選用的基本參數(shù)，可以較好的模擬出鋼板混凝土板的靜力加載過程。

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