雙鋼板混凝土偏壓構(gòu)件受力性能試驗(yàn)研究

雷升祥,李占先,劉 勇

(1.中國(guó)鐵建股份有限公司，北京 100855；2.中鐵十四局集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南 250000;3.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院,河北 石家莊 050043)

0 引言

隨著地下空間開(kāi)發(fā)利用規(guī)模及范圍的不斷擴(kuò)大，復(fù)雜環(huán)境下建造的地下空間項(xiàng)目將越來(lái)越多，提出安全性高、對(duì)周邊環(huán)境影響小的地下結(jié)構(gòu)形式具有重要意義[1-5]。管幕預(yù)筑結(jié)構(gòu)由鋼管、鋼板、鋼筋混凝土、立柱組成，具有整體剛度大、地層變形控制能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于修建地鐵車站、下穿既有建筑等地表沉降控制要求嚴(yán)格的復(fù)雜環(huán)境下地下工程。施工時(shí)，先將鋼管頂進(jìn)，切割鋼管兩側(cè)，用2塊鋼板將切割后相鄰鋼管焊接，上下2塊鋼板之間架設(shè)鋼立柱，在所形成的空間內(nèi)澆筑混凝土[6]，最終形成的典型結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。將此類結(jié)構(gòu)應(yīng)用于地下工程中，不僅提高了結(jié)構(gòu)可靠性，而且能夠有效減少對(duì)既有建筑的影響、降低地表沉降，在地下工程中應(yīng)用前景廣闊[7-8]。目前,此類結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)已成功應(yīng)用于沈陽(yáng)新樂(lè)遺址地鐵站和太原迎澤大街下穿火車站工程，但管幕預(yù)筑板系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法目前尚未形成體系，以往的設(shè)計(jì)中按照傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，未考慮鋼板的承載能力。在此類結(jié)構(gòu)中，如能采取合理的措施，使鋼板和混凝土之間具有足夠的連接，形成組合作用，共同參與受力，可將結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力發(fā)揮到最大，進(jìn)而減小截面尺寸，降低工程造價(jià)，獲得最大經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 管幕預(yù)筑結(jié)構(gòu)

管幕預(yù)筑結(jié)構(gòu)中，當(dāng)按照或接近合理拱軸線設(shè)計(jì)斷面時(shí)(圖1)，截面主要承受軸向力或者較小彎矩的作用，可以視為軸心受壓構(gòu)件，但受現(xiàn)場(chǎng)各種因素的影響，某些情況下實(shí)際工程中管幕預(yù)筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)斷面與合理拱軸線相差較大，構(gòu)件截面軸力有較大偏心距[9]，處于具有較大彎矩的偏壓狀態(tài)，管幕預(yù)筑結(jié)構(gòu)本質(zhì)上屬于雙鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)。地上工程中，雙鋼板-混凝土組合構(gòu)件主要為墻式構(gòu)件或梁式構(gòu)件，現(xiàn)有研究成果主要針對(duì)構(gòu)件的受彎[10-11]、軸壓[12-14]、壓彎[15]及受剪性能[16]，對(duì)于偏壓性能的研究鮮見(jiàn)報(bào)道，因此有必要對(duì)雙鋼板-混凝土組合偏壓構(gòu)件的受力機(jī)理和破壞模式進(jìn)行深入研究，為形成合理的管幕預(yù)筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法提供理論基礎(chǔ)。

本論文設(shè)計(jì)完成了3根雙鋼板-混凝土組合構(gòu)件偏壓試驗(yàn)，探究偏壓構(gòu)件受力全過(guò)程力學(xué)性能，分析栓釘配置對(duì)試驗(yàn)構(gòu)件的受力性能及破壞形式的影響，研究設(shè)置栓釘對(duì)構(gòu)件極限承載力、界面滑移及截面應(yīng)變分布規(guī)律等的作用，得出其受力機(jī)理。

1 試驗(yàn)概況

以偏心距和連接件布置為參數(shù)，設(shè)計(jì)制作3個(gè)具有相同尺寸的雙鋼板-混凝土組合偏壓試件，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室加載設(shè)備的量程，并結(jié)合現(xiàn)有偏壓試驗(yàn)相關(guān)研究，初步選定試件的形狀及相關(guān)參數(shù)取值如圖2和表1所示，試件工作段長(zhǎng)度為300 mm，上下兩端均設(shè)置牛腿，加強(qiáng)牛腿處配筋，并在牛腿范圍內(nèi)，將鋼板與混凝土用加密的栓釘連接，使得構(gòu)件工作段各截面均處于全截面共同受力狀態(tài)。連接件采用栓釘形式。

圖2 試件設(shè)計(jì)(單位：mm)

表1 試件基本設(shè)計(jì)參數(shù) mm

試件制作過(guò)程為：①按設(shè)計(jì)尺寸加工相對(duì)受拉及受壓側(cè)鋼板；②在鋼板指定位置焊接栓釘，并在測(cè)點(diǎn)位置粘貼應(yīng)變片，安裝頂?shù)讉?cè)木模板，見(jiàn)圖3(a)、圖3(b)；③按試配出的混凝土配合比進(jìn)行混凝土拌和，澆筑混凝土形成整體，并在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)，粘貼混凝土應(yīng)變片，見(jiàn)圖3(c)、圖3(d)。

圖3 試件制作

位移計(jì)及應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示，測(cè)量試驗(yàn)柱工作區(qū)段截面上的應(yīng)變分布，在中間截面的混凝土上粘貼4個(gè)混凝土應(yīng)變片，同樣高度鋼板的中間位置內(nèi)、外兩側(cè)各粘貼1個(gè)應(yīng)變片。加載裝置如圖5所示，圖中矩形塊為應(yīng)變片，圓圈為位移計(jì)，受拉鋼板及受壓鋼板兩側(cè)(內(nèi)外)相同位置上均貼有應(yīng)變片。

圖4 位移計(jì)及應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)布置

圖5 試驗(yàn)加載裝置示意圖(單位：mm)

采用非接觸式光學(xué)3D應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量界面滑移及跨中撓度。如圖6所示，散斑點(diǎn)P0位置最靠近受拉側(cè)，P1和P2點(diǎn)分別位于界面兩側(cè)且非?？拷缑娴匿摪搴突炷辽?，采用DIC技術(shù)，測(cè)量P0點(diǎn)的水平位移，所得結(jié)果即為構(gòu)件的跨中撓度，測(cè)量P1和P2點(diǎn)水平位移和豎向位移，兩點(diǎn)的豎向位移差即為滑移，水平位移差即為界面剝離。

圖6 非接觸式光學(xué)3D應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞形態(tài)分析

WSD試件加載至50 kN時(shí)，試件發(fā)出“噼啪”聲響，上部牛腿受壓側(cè)鋼板與混凝土之間出現(xiàn)微裂縫；至473 kN時(shí)，上部牛腿與工作段結(jié)合處下方的受壓區(qū)出現(xiàn)豎向微裂縫，并快速向下發(fā)展；至520 kN時(shí)，試件受壓區(qū)的豎向裂縫繼續(xù)增加，受拉區(qū)混凝土沒(méi)有明顯變化;荷載繼續(xù)增加，距離試件頂部300 mm的范圍內(nèi)受壓側(cè)鋼板與混凝土接觸面上出現(xiàn)少量起皮、脫落現(xiàn)象，此后，裂紋不斷開(kāi)展延伸；加載至670 kN時(shí)，試件整個(gè)工作區(qū)段受壓側(cè)鋼板與混凝土交界面上混凝土不斷脫落(圖7(a))；至691 kN時(shí)，構(gòu)件承載力下降，受壓區(qū)混凝土并沒(méi)有立刻壓潰，這是由于鋼板對(duì)混凝土有一定的約束作用，混凝土沒(méi)有直接剝落，隨著加載的進(jìn)行，試件發(fā)出較大“噼啪”聲，試件表面的混凝土逐步剝落；荷載下降到670 kN時(shí)停止加載，表現(xiàn)為明顯的小偏心受壓破壞特征。DSD試件與WSD試件破壞過(guò)程基本相似，均為脆性破壞，主要區(qū)別為DSD試件的裂縫總體上更為均勻，且寬度較小。

圖7 試件破壞形式

SSD試件加載至150 kN(30%最大荷載)時(shí)，試件頂部牛腿范圍內(nèi)出現(xiàn)豎向微裂紋；加載至250 kN時(shí)，豎向微裂縫繼續(xù)發(fā)展，上、下牛腿相同位置均出現(xiàn)豎向裂縫；加載至300 kN時(shí)，牛腿頂部混凝土保護(hù)層開(kāi)始出現(xiàn)壓酥跡象，此后豎向裂縫繼續(xù)向下延伸(圖7(b))；加載至377 kN時(shí)，上部墊板呈現(xiàn)兩邊向上凸起的趨勢(shì)，下部墊板兩側(cè)則向下凸起；加載至425 kN時(shí)，上下墊板的變形已非常明顯；加載至441 kN時(shí)，正面牛腿下部范圍內(nèi)混凝土壓碎脫落；加載至448 kN時(shí)，背面裂縫加寬，周圍混凝土壓碎，無(wú)法繼續(xù)增加荷載，試驗(yàn)結(jié)束。由于試件距厚比較小，因而DSD、WSD及SSD 3試件均未出現(xiàn)鋼板屈曲的現(xiàn)象。

2.2 荷載-變形曲線

試件的荷載-側(cè)向撓度曲線如圖8(a)所示，側(cè)向撓度值為3D應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)中提取的試件柱中部散斑點(diǎn)的位移信息。從圖8(a)中可以看出，加載初期，試件處于彈性工作階段，達(dá)到50 kN后，試件開(kāi)裂，進(jìn)入帶裂縫工作狀態(tài)，剛度稍有降低，在521 kN和503 kN時(shí)，WSD試件與DSD試件受壓側(cè)鋼板發(fā)生屈服。WSD試件在達(dá)到峰值荷載后，立即發(fā)生破壞，而DSD試件有一個(gè)較短的平臺(tái)段，延性比WSD試件好?？傮w上，2個(gè)試件的開(kāi)裂荷載、受壓側(cè)鋼板屈服的荷載以及峰值荷載較為接近，剛度基本一致，均在達(dá)到峰值荷載后很快發(fā)生破壞，未出現(xiàn)明顯的下降段，延性較差，呈現(xiàn)出脆性破壞的特征。圖8(b)為偏心距為60 mm，兩側(cè)均布置了栓釘試件，由于該試件偏心距較大，且存在安裝誤差，在加載初期(側(cè)向撓度1 mm之前)測(cè)得構(gòu)件撓度偏大，導(dǎo)致初期剛度過(guò)小。

圖8 試件的荷載-變形曲線

2.3 截面應(yīng)變分布

為測(cè)得試件截面上的應(yīng)變分布，在跨中截面距離對(duì)稱軸不同高度上粘貼7個(gè)應(yīng)變片。圖9所示為跨中截面的應(yīng)變分布圖，圖中最左及最右側(cè)兩點(diǎn)為相應(yīng)一側(cè)鋼板內(nèi)外兩面上布置的測(cè)點(diǎn)(圖4)。從截面應(yīng)變圖中可以看出，即使未布置連接件的受拉側(cè)鋼板上，應(yīng)力也較大，設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮兩側(cè)鋼板對(duì)承載力的貢獻(xiàn)。試件中間核心混凝土上3個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變分布完全符合平截面假定，截面應(yīng)變分布斜率基本相同，受拉側(cè)鋼板上應(yīng)變分布斜率與混凝土上應(yīng)變分布斜率并不一致。在加載初期中，兩者斜率差值較小，隨著荷載等級(jí)的增大，斜率差值增加，說(shuō)明界面滑移在增大。

圖9 截面分布應(yīng)變圖

WSD試件的整個(gè)截面上，3部分材料的應(yīng)變呈3段折線形分布(圖9(a))，也就是在試件拉、壓側(cè)鋼板與混凝土界面上，既不是完全組合，也不是完全疊合，而是一種介于組合及疊合之間的帶有界面滑移的狀態(tài)。DSD試件受壓側(cè)應(yīng)變分布線的斜率基本與混凝土應(yīng)變分布斜率相同，這主要因?yàn)镈SD上受壓側(cè)鋼板與混凝土的界面上設(shè)置有栓釘，有效地減小了界面滑移，但因受拉側(cè)存在界面滑移，應(yīng)變分布斜率與混凝土應(yīng)變分布斜率不同，整個(gè)截面上應(yīng)變分布規(guī)律呈2折線形分布(圖9(b))。與WSD試件與DSD試件相比較，SSD試件由于設(shè)置了受拉側(cè)連接件，因而更符合平截面假定(圖9(c))。

2.4 荷載-界面滑移分析

WSD試件“相對(duì)受拉側(cè)”鋼板與混凝土界面上的荷載-滑移曲線如圖10(a)所示，可以看出，加載初期，滑移量隨荷載緩慢增加，加載至400 kN之前，滑移量?jī)H為0.01 mm，此后滑移量增加較快，該結(jié)果與圖9(a)所示截面應(yīng)變分布中，受拉側(cè)鋼板上的應(yīng)變略小于平截面假定值，且加載過(guò)程中鋼板與混凝土應(yīng)變差值隨荷載的增大而增大的趨勢(shì)一致。

圖10(b)所示為偏心距為60 mm的SSD試件遠(yuǎn)離偏心距一側(cè)(受拉側(cè))的荷載-滑移曲線。可以看出，試件加載至30 kN前，受拉側(cè)鋼板與混凝土之間的滑移在較小荷載作用下快速增大，這主要是因?yàn)镾SD試件在遠(yuǎn)離軸力的一側(cè)受拉，由于加載板無(wú)法傳遞拉力，荷載僅能直接作用在混凝土和受壓鋼板上，借助受拉側(cè)鋼板與混凝土之間的化學(xué)黏結(jié)力帶動(dòng)受拉側(cè)鋼板受力，另外傳感器、加載板、試件之間存在間隙，因此加載初期滑移較大。隨著荷載的增大，滑移剛度增大，這主要是因?yàn)殡S著化學(xué)黏結(jié)作用破壞，栓釘發(fā)揮抗剪作用。

圖10 試件的荷載-滑移曲線

通過(guò)WSD試件與SSD試件相對(duì)受拉側(cè)鋼板與混凝土之間的滑移曲線對(duì)比可知，在端部約束為牛腿形式的雙鋼板混凝土偏壓試件中，由于端部并不是剛臂，因而施加的偏心外荷載很難保證共同施加于整個(gè)截面上，無(wú)論是整個(gè)的加載過(guò)程中處于全截面受壓的WSD試件，還是布置了栓釘?shù)腟SD試件，在“相對(duì)受拉側(cè)”均產(chǎn)生了一定的界面滑移。SSD試件滑移量較WSD滑移量小50%以上，也說(shuō)明了栓釘在試件中發(fā)揮了作用。此外，兩試件均未出現(xiàn)界面剝離現(xiàn)象。

3 結(jié)論

(1)偏心距比較小時(shí)，無(wú)栓釘試件與僅在受壓布置栓釘?shù)脑嚰茐倪^(guò)程基本一致：受壓側(cè)鋼板首先屈服，試件繼續(xù)承載，直至受壓側(cè)混凝土壓潰，試件發(fā)生破壞；破壞時(shí)，“相對(duì)受拉側(cè)”(遠(yuǎn)離軸向力的一側(cè))或受壓或受拉，但均未達(dá)屈服應(yīng)變，屬小偏心受壓破壞。

(2)通過(guò)對(duì)不同栓釘布置試件的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，雙鋼板混凝土偏壓構(gòu)件受拉側(cè)鋼板栓釘?shù)牟贾脤?duì)試件的承載力幾乎無(wú)影響，在不發(fā)生受壓屈曲前提下，即使相對(duì)受拉及受壓側(cè)均不布置栓釘，界面的滑移應(yīng)變也較小，兩側(cè)鋼板應(yīng)力均較大，設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮兩側(cè)鋼板對(duì)承載力的貢獻(xiàn)。