采用異形剪力鍵的鋼空腹夾層板靜力試驗研究

摘 要：為了有效地提高鋼空腹夾層板剪力鍵的傳力效率，將傳統(tǒng)的方鋼管剪力鍵改為帶翼緣的十字型剪力鍵，又稱異形剪力鍵。對該結(jié)構(gòu)設計5.3 m×1.3 m×（0.2+0.1） m的縮尺模型進行靜力加載試驗，采集撓度和應變等數(shù)據(jù)。介紹使用大型有限元（finite element， FE）軟件ANSYS對該結(jié)構(gòu)進行模擬的建模方式。將試驗采集的數(shù)據(jù)與有限元計算結(jié)果進行對比，得到如下結(jié)論：試驗與有限元結(jié)果吻合度較高，可以在接下來的研究中采用文中所述有限元建模方式進行進一步的研究;相較方鋼管剪力鍵，異形剪力鍵的腹板與蓋板協(xié)同傳力，使得剪力鍵各部位受力更加合理、均勻，傳力效率更高。

關(guān)鍵詞：異形剪力鍵;鋼空腹夾層板;靜力試驗

中圖分類號：TU317.1

文獻標識碼： A

文章編號"1000-5269（2020）05-0108-06"""DOI：10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2020.05.17

貴州大學空間結(jié)構(gòu)研究中心馬克儉院士提出的鋼空腹夾層板盒式結(jié)構(gòu)[1]由于其良好的經(jīng)濟性和綜合力學性能，已經(jīng)廣泛應用于公用及工業(yè)建筑中[2-3]。

盒式結(jié)構(gòu)體系由鋼空腹夾層板和網(wǎng)格式墻架[4]組成。其中鋼空腹夾層板由上部的鋼筋混凝土板和下部由剪力鍵和上下肋共同組成的鋼架組成，混凝土板與鋼架之間一般采用栓釘作為抗剪連接件[5]。鋼空腹夾層板按照空間布局可分為正交正放[6-7]、正交斜放[8-9]和蜂窩型[10-11]等形式。

剪力鍵是鋼空腹夾層板的重要組成部分，其研究一直是重點和熱點。劉卓群[12]通過有限元分析得出設置外部加勁板可以有效降低剪力鍵的應力，提升鋼空腹夾層板的整體承載力。尚洪坤和白志強分別設計了全尺寸的剪力鍵試件，通過剪切試驗表明通過設置外部加勁板對剪力鍵的抗剪剛度有明顯的提升[13-14]。韋東陽在方鋼管剪力鍵內(nèi)部設置內(nèi)部加勁板（圖1（a）），通過有限元分析得出設置內(nèi)部加勁板能有效地降低剪力鍵的應力，方鋼管的受拉變形也有明顯改善，水平位移減小了50%[15]。

由于設置內(nèi)部加勁板的剪力鍵施工難度較大，對其構(gòu)造進行了優(yōu)化設計，提出了采用帶翼緣的十字型剪力鍵的鋼空腹夾層板結(jié)構(gòu)（簡稱異形剪力鍵），申請了國家專利并獲得了專利授權(quán)[16]。該異形剪力鍵與上下肋、蓋板的連接構(gòu)造如圖1（b）所示。

在之前的研究中，對未澆筑混凝土板的采用異形剪力鍵的鋼空腹夾層板進行了分級靜力加載試驗，通過與理論分析方法——擬交叉梁系法及有限元計算結(jié)果的對比得到：在彈性范圍內(nèi)3種方法均具有較高的精度[17]。 本文繼續(xù)在鋼空腹夾層板上部澆筑混凝土并構(gòu)成鋼空腹夾層板組合結(jié)構(gòu)，進行靜力加載試驗，測量撓度和應變等數(shù)據(jù)，與有限元的計算結(jié)果進行對比。

1"試驗概況

1.1"模型結(jié)構(gòu)設計

綜合考慮試驗場地、經(jīng)費、可供購買的型鋼及鋼空腹夾層板的構(gòu)造要求等因素，設計的試驗模型如圖2所示：網(wǎng)格尺寸為1 m×1 m，設計為長寬比為5∶1的單向受力體系，受力方向為5個網(wǎng)格，即整體網(wǎng)格尺寸為5 m×1 m，鋼筋混凝土板厚0.1 m，混凝土板超出剪力鍵中心線150 mm，超出剪力鍵邊緣為50 mm。即混凝土板尺寸為5.3 m×1.3 m×0.1 m。剪力鍵高0.2 m，剪力鍵截面尺寸如圖2（c）所示，翼緣厚7 mm，寬75 mm，腹板厚5 mm，寬150 mm，與上下兩塊□200 mm × 200 mm × 8 mm的鋼蓋板焊接為一個獨立的剪力鍵單元。剪力鍵單元之間采用長0.85 m，截面為T75 mm × 75 mm × 7 mm × 5 mm的T型鋼焊接成一個空間協(xié)同工作的鋼架。鋼架與混凝土板之間用Φ13的栓釘作為抗剪連接件，栓釘如圖2（d）所示間距為150 mm，采用單排布置[18]。在鋼架上支模、鋪設鋼筋并澆筑混凝土?？紤]到后續(xù)試驗的要求，鋼筋采用雙層雙向布筋，并在角部設置陽角放射筋，混凝土板挑出T型肋部分非受力方向設置分布筋，分布筋采用Φ4鐵絲代替鋼筋。將整個模型直接放置于Φ60的圓鋼上組成弧形支座?；炷猎O計強度為C25，按75～90"mm坍落度進行配比，重量配比為水泥∶砂∶石∶水=1∶1.92∶3∶0.6[19]。鋼筋選用HPB300級鋼筋，型鋼為Q235鋼。圖3為該模型的施工現(xiàn)場照片。

1.2"測點布置

由于結(jié)構(gòu)的對稱性，如圖4所示，僅在1/4結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)布置測點。其中A、B測點采用德國SICK公司AOD5-N1激光位移傳感器進行采集，兩測點位于剪力鍵蓋板中心的正下方;C、D、E測點采用WBD 型百分表式位移傳感器來測量結(jié)構(gòu)的位移，測點位于每一跨混凝土板底的中心點位置。應變

測量點1～2、9～12、19～22號位于異形剪力鍵的腹板上;其余應變片貼在T型肋的腹板上。所用的應變片均為120-5AA免焊接單向應變片，方向為結(jié)構(gòu)的長軸方向。

1.3"加載方案

本試驗采用鐵塊模擬均布荷載，每塊鐵塊20.4 kg，計為0.2 kN/塊，滿布共計5×16=80塊，合計16 kN。加載區(qū)域為5.3 m×1 m，等效荷載為3.0 kN/m2。加載前先將激光位移采集系統(tǒng)和應變采集系統(tǒng)平衡歸零后開始采集數(shù)據(jù)。加載過程如圖5所示，放置鐵塊后靜置30 min，停止數(shù)據(jù)采集后卸載，完成整個靜力加載試驗。

1.4"試驗結(jié)果及分析

在加載過程中，混凝土未發(fā)現(xiàn)開裂、破壞現(xiàn)象，鋼結(jié)構(gòu)上下肋和剪力鍵均未出現(xiàn)局部屈曲及焊縫開裂現(xiàn)象。在加載到設計荷載之前，應變和位移有規(guī)律地均勻增加，各測定的最大應變未超過所用材料的屈服應變，表明在設計荷載下，整個結(jié)構(gòu)均處于彈性工作階段。

2"有限單元法

該試驗選用大型有限元軟件ANSYS19.0進行建模計算。SHELL181單元模擬剪力鍵和T型肋，網(wǎng)格大小為12.5 mm，構(gòu)件之間焊接牢固，采用共節(jié)點的方式進行連接?；炷潦褂肧OLID65單元、鋼筋選用LINK180單元，混凝土和鋼筋的網(wǎng)格大小均為50 mm，兩者之間直接進行共節(jié)點建模?；炷涟迮c型鋼之間不考慮相對滑移，故實體單元與殼單元之間采用綁定接觸連接。鋼材和鋼筋均選用雙線性等向強化模型（bilinear isotropic， BISO），混凝土選用多線性等向強化模型（multilinear isotropic， MISO）進行建模[20]。

由于鋼空腹夾層板如圖6所示為直接放置在圓鋼上組成弧形支座，接觸僅為一條直線，模型的邊界條件為角部剪力鍵下蓋板的中線上施加一個UZ方向的約束，不約束平動和轉(zhuǎn)動。試驗設計為3.0 kN/m2的均布荷載，建模時直接將3.0 kN/m2的面荷載（pressure）施加到混凝土板的表面，有限元模型如圖7所示。

3"有限元與試驗結(jié)果對比

3.1"撓度

圖8為設計荷載作用下各測點撓度實測值的中位數(shù)和有限元理論值的比較，其中A、B點在十字形剪力鍵下蓋板的底部中心，C、D、E位于混凝土板下表面的中心點。所有測點兩者的誤差均在5%以內(nèi)，其中C點的誤差最大，為4.27%，B點最為接近，誤差為0.15%，說明實測值與有限元的擬合度很高。

3.2"應變

圖9為設計荷載作用下應變的試驗采集值的中位數(shù)與有限元計算值的對比圖。其中（a）、（b）圖為第一跨，（c）、（d）圖為第二跨，（e）、（f）圖為中間跨;1、9、2、10、11、19、12、20、21、22點在十字形剪力鍵的腹板上，其余點位于T型肋的腹板上（如前圖4所示）。由于粘貼應變片所用的膠水層厚度、鋼結(jié)構(gòu)表面拋光度等因素存在差異，試驗測得的數(shù)據(jù)和有限元結(jié)果之間有一定的誤差。通過對比可得，兩者的趨勢是一致的，總體認為有限元模型能較好地模擬整個結(jié)構(gòu)的應變情況。

綜合圖9可得，采用異形剪力鍵的鋼空腹夾層板應變較大的地方位于一、二跨T型上下肋腹板靠近剪力鍵的位置（3、7、4、8、13、17、14點），同時異形剪力鍵的腹板處也測試到了相應較大的應變，說明十字形剪力鍵的腹板也承擔了傳力的作用。

3.3"應力

圖10為設計荷載作用下的Mises應力云圖。從圖中可得到應力較大的地方主要集中在1、2跨T型上下肋靠近剪力鍵的腹板邊緣處，剪力鍵的十字型腹板內(nèi)部也有應力分布，這與試驗過程中采集到的應變通過計算后得到的應力分布規(guī)律一致。同時剪力鍵的下蓋板也有應力分布，可得采用異形剪力鍵的鋼空腹夾層板、鋼架兩跨之間力的傳遞是通過異形剪力鍵的腹板和蓋板同時進行的。采用傳統(tǒng)的方鋼管鋼空腹夾層板的剪力鍵節(jié)點域中方鋼管與上下肋接觸的部位會出現(xiàn)比較明顯的應力集中現(xiàn)象，而由于方鋼管的中空構(gòu)造，此處為結(jié)構(gòu)最薄弱的部位。此時方鋼管的側(cè)壁應力相對很小，而內(nèi)隔板（即蓋板）的應力較大，蓋板承擔了主要的力的傳遞任務[21]。而異形剪力鍵與上下肋接觸的部位后面設有腹板，有利于力的傳遞，相較方鋼管固有的中空結(jié)構(gòu)，應力集中現(xiàn)象大為降低。通過剪力鍵腹板與蓋板的協(xié)同傳力，使得剪力鍵各部位受力更加合理、均勻。

4"結(jié)論

對4點支撐5.3 m×1.3 m的采用異型剪力鍵的鋼空腹夾層板進行靜力試驗和有限元研究，得到以下結(jié)論：

（1） 試驗中采集的數(shù)據(jù)與有限元的計算結(jié)果相比較，兩者撓度的誤差小于5%，應變雖有一定誤差，但趨勢一致?？梢哉J為文中所述的有限元建模方法能較好地反映采用異形剪力鍵的鋼空腹夾層板結(jié)構(gòu)的撓度和應變、應力分布情況?？梢栽诮酉聛淼难芯恐胁捎梦闹兴龅挠邢拊慕７绞綄Σ煌缍取⒑奢d及不同截面尺寸的該新型結(jié)構(gòu)繼續(xù)進行參數(shù)化分析和研究。

（2）在加載過程中，混凝土未發(fā)現(xiàn)開裂、破壞現(xiàn)象，鋼結(jié)構(gòu)上下肋和剪力鍵均未出現(xiàn)局部屈曲及焊縫開裂的現(xiàn)象。在加載到設計荷載之前，應變和位移有規(guī)律地均勻增加，各測定的最大應變未超過所用材料的屈服應變，表明在設計荷載3.0 kN/m2的條件下，整個結(jié)構(gòu)均處于彈性工作階段。結(jié)構(gòu)的最大相對位移fmax/l=1/2 806<<1/300，結(jié)構(gòu)的最大應力43.0 N/m2lt;235 N/m2。表明該結(jié)構(gòu)具有較高的整體剛度和較高的安全儲備。

（3）與傳統(tǒng)方鋼管剪力鍵相較而言，異形剪力鍵的腹板與蓋板的協(xié)同傳力，使得剪力鍵各部位受力更加合理、均勻，傳力效率更高。

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（責任編輯：曾"晶）