核電工程雙鋼板混凝土組合剪力墻鋼板屈曲性能研究

李曉虎，栗 蕾

(鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 土木建筑學(xué)院，河南 鄭州 450046)

雙鋼板混凝土組合剪力墻是一種新型的抗側(cè)力構(gòu)件。核島結(jié)構(gòu)雙鋼板混凝土剪力墻主要由外側(cè)的兩個鋼板和內(nèi)部的混凝土組成，鋼板和混凝土之間主要靠鋼板內(nèi)側(cè)的焊接栓釘連接，內(nèi)部的混凝土不設(shè)置鋼筋。這種結(jié)構(gòu)不僅具有良好的抗震性能和抗沖擊性能，而且雙鋼板混凝土剪力墻模塊化在實際工程中的應(yīng)用能極大地提高施工效率。數(shù)據(jù)顯示[1]，將外側(cè)鋼板作為施工模板澆筑混凝土，能夠?qū)⑹┕ぶ芷诮档?5%。雙鋼板混凝土組合剪力墻優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能決定了這種結(jié)構(gòu)在核電工程領(lǐng)域的應(yīng)用會越來越廣泛。

1 研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代，日本學(xué)者[2]最先對鋼板混凝土組合剪力墻進(jìn)行研究，在這之后還有很多學(xué)者對這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的試驗和數(shù)值模擬工作[3-6]。但是對鋼板混凝土組合剪力墻的鋼板屈曲性能進(jìn)行的研究比較少。

Takeuchi M[7]等通過對縮尺比為1∶5的鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗，研究了核電站廠房鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)實施的可行性和防止鋼板發(fā)生屈曲的方法。研究表明：在鋼板發(fā)生屈曲之前，鋼板內(nèi)外表面的應(yīng)變變化情況比較相似，但是在鋼板發(fā)生屈曲后內(nèi)外表面突然發(fā)生分離現(xiàn)象。裂紋表面位置處的峰值應(yīng)力計算如下：

(1)

其中Trm為最大荷載值；ts為鋼板厚度。

聶建國[8]對12個鋼板混凝土剪力墻試件進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)，通過設(shè)置合理的距厚比和加勁肋在一定程度上可以阻止鋼板發(fā)生屈曲。楊悅等[9]通過對10個鋼板混凝土板試件的低周往復(fù)試驗，研究了鋼板的屈曲行為，結(jié)果表明，栓釘?shù)男问胶烷g距對鋼板的屈曲性能有比較顯著的影響。又通過建立有限元分析模型，模擬了軸向壓力作用下鋼板的受力性能，結(jié)果表明有限元計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好。劉晶波等[10]通過對4片中低剪跨比的核電工程雙鋼板—混凝土剪力墻試件進(jìn)行的面內(nèi)擬靜力試驗，研究了距厚比、剪跨比等因素對組合剪力墻受剪性能的影響以及各個試件的破壞模式、受剪承載力等。試驗結(jié)果表明：距厚比對組合剪力墻鋼板局部屈曲和試件變形能力、延性等有較大影響，但對承載力影響不大；剪跨比越大，組合剪力墻的受剪承載力越小。汪士也等[11-13]對雙鋼板混凝土組合剪力墻進(jìn)行了抗震性能試驗，研究了拉結(jié)件等因素對鋼板屈曲的影響，并采用開源軟件OpenSees建立了雙鋼板混凝土組合剪力墻的纖維—分層殼模型。

以上都是對雙鋼板混凝土組合剪力墻在軸向壓力作用下鋼板屈曲的研究。本文通過對9個縮尺比為1:5的剪力墻試件進(jìn)行面內(nèi)低周往復(fù)試驗，研究了在低周往復(fù)水平荷載作用下鋼板的屈曲性能和發(fā)生屈曲時的破壞形態(tài)，并采用能量法推導(dǎo)出計算鋼板的臨界屈曲系數(shù)和臨界承載力的公式。

2 試驗概況

2.1 方案設(shè)計

本試驗設(shè)計9個縮尺比為1:5的雙鋼板混凝土組合剪力墻試件，所有試件采用相同的幾何尺寸，主要由加載梁、剪力墻和基礎(chǔ)梁組成。試件3個部分的尺寸分別為1020mm×300mm×300mm，820mm×220mm×1850mm，1820mm×430mm×550mm,試件的尺寸如圖1所示。試驗研究參數(shù)主要包括鋼板厚度、栓釘間距、豎向荷載和抗剪連接方式。其中，鋼板厚度分別為4mm、6mm和8mm，栓釘間距分別為60mm、100mm、150mm和200mm，豎向荷載分別為0 kN和800 kN，抗剪連接形式為栓釘連接和加勁肋的設(shè)置。試件的方案設(shè)計參數(shù)如表1所示。

圖1 試件尺寸

表1 試件參數(shù)

2.2 材料性能

試驗中組合剪力墻的鋼板采用強度等級為Q345的鋼材，泊松比為0.3；采用混凝土的強度等級為C55，泊松比為0.2，混凝土的彈性模量為 3.25×104MPa。鋼板的材料性能參數(shù)如表2所示。

表2 鋼板的材料性能參數(shù)

2.3 試驗加載和測試

本試驗首先用地腳螺栓將SCSW試件固定在地面，然后在加載梁上施加800kN的豎向荷載，當(dāng)豎向荷載加載達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，以每次循環(huán)增加50kN向加載梁施加水平荷載，并且在水平加載過程中保持豎向荷載不變，直至試件達(dá)到屈服點，此時加載梁的位移記為Δy。之后的加載采用位移控制的方法，每次加載的位移為1/8Δy，當(dāng)水平荷載值將至極限荷載值的85%時，停止加載。試驗的加載裝置如圖2所示。

圖2 試驗加載裝置

為了研究鋼板的屈曲性能，需要在鋼板容易發(fā)生屈曲的位置貼應(yīng)變花。通過測得相應(yīng)位置的應(yīng)變來計算得出鋼板的屈曲應(yīng)力。其中x和y分別表示對應(yīng)位置處鋼板在水平方向和豎向的應(yīng)變。應(yīng)變花的布置如圖3所示。

圖3 應(yīng)變花測點布置

3 試驗現(xiàn)象及結(jié)果分析

3.1 試驗現(xiàn)象

在加載的初級階段，試件處于彈性狀態(tài)，從外觀看不出試件有明顯的變化。用錘子敲擊底部鋼板，有空洞聲。在距離基礎(chǔ)梁頂面以上50mm處靠近剪力墻側(cè)面邊界部位的鋼板最先發(fā)生鼓包現(xiàn)象，如圖4所示，這和應(yīng)變花粘貼的位置比較接近。

圖4 試驗現(xiàn)象

在荷載的循環(huán)加載過程中，受拉側(cè)鋼板被拉平，受壓側(cè)鋼板發(fā)生鼓包現(xiàn)象。發(fā)生鼓包現(xiàn)象的鋼板部位范圍逐漸增大，剛開始由于栓釘和加勁肋的存在，鼓包的發(fā)生為局部，試件內(nèi)部的混凝土逐漸被壓碎，墻體側(cè)面底部鋼板發(fā)生鼓起的位置出現(xiàn)水平裂縫。對于只有栓釘?shù)脑嚰?，?dāng)栓釘失效以后，鋼板的鼓包連在一起。設(shè)置加勁肋的試件，由于加勁肋的作用，鋼板的鼓包不能連在一起成為一個整體，鋼板只能發(fā)生局部鼓起。最終，底部鋼板屈服，試件內(nèi)底部混凝土被壓碎，鋼板焊縫處出現(xiàn)裂縫，混凝土碎塊從裂口流出，里邊有的栓釘被拉斷。從試件的破壞現(xiàn)象可以看出，只有栓釘?shù)脑嚰驮O(shè)置了加勁肋的試件的破壞模式不同。圖5給出了具有代表性的試件SCSW1和SCSW8的破壞模式，其中圖5(e)為剪力墻在加載過程中栓釘被拉斷的現(xiàn)象，圖5(f)為隔斷表面鋼板后內(nèi)部混凝土被壓碎的現(xiàn)象。

圖5 試件破壞模式

3.2 試驗結(jié)果分析

根據(jù)試驗結(jié)果，可以看出鋼板發(fā)生屈曲的部位在墻體底部靠近側(cè)面邊界的位置。因此，只需分析測點12或測點10的荷載—應(yīng)變曲線。測點處鋼板發(fā)生屈曲時，相對應(yīng)測點的荷載—應(yīng)變曲線會出現(xiàn)拐點。由于各測點的應(yīng)變花都有三個方向，根據(jù)測點的各個方向的荷載—應(yīng)變曲線，首次出現(xiàn)拐點的位置確定為鋼板的屈曲發(fā)生點，相對應(yīng)的荷載為屈曲荷載。

從測點的水平荷載—應(yīng)變曲線發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變花在x，y，xy三個方向上，只有x方向有比較明顯的拐點，因此以x方向的水平荷載—應(yīng)變曲線為準(zhǔn)，確定拐點出現(xiàn)的位置。圖6(c)中測點的曲線中拐點的位置為正，不同于其他試件。原因可能是試件SCSW3鋼板鼓起的位置離應(yīng)變花測點位置比較遠(yuǎn)，測點處應(yīng)變花測得的數(shù)據(jù)不能說明鋼板的屈曲，也不能通過此數(shù)據(jù)得出鋼板屈曲應(yīng)力。根據(jù)栓釘與測點位置的間距可以看出，鼓起出現(xiàn)的位置大概位于栓釘和基礎(chǔ)頂面的中間。

圖6 各試件測點10(12)鋼板荷載—應(yīng)變曲線

比較圖6(a)SCSW1、(b)SCSW2、(c)SCSW3可以發(fā)現(xiàn)，栓釘間距越小，拐點對應(yīng)的應(yīng)變就越小，其對應(yīng)的荷載越大。

比較圖6(a)SCSW1、(h)SCSW8、(i)SCSW9可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)置加勁肋的試件拐點處對應(yīng)的應(yīng)變比較小。

比較圖6(d)SCSW4、(e)SCSW5可以發(fā)現(xiàn)，有豎向荷載的試件拐點處所對應(yīng)的應(yīng)變比較小。

從圖6中可以看出，鋼板發(fā)生屈曲早于試件達(dá)到極限荷載。鋼板發(fā)生屈曲時的荷載和試件的極限荷載如表3所示。

表3 鋼板屈曲荷載和試件的極限荷載比較

續(xù)表3 鋼板屈曲荷載和試件的極限荷載比較

從表3中可以看出，鋼板發(fā)生屈曲時的荷載與試件的極限荷載比較接近，栓釘和加勁肋的設(shè)置在一定程度上延緩了鋼板屈曲發(fā)生的時間，提高了鋼板的屈曲荷載，組合剪力墻試件可以充分發(fā)揮鋼板的抗拉強度。

4 結(jié) 論

本文通過對試驗中鋼板的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究了雙鋼板混凝土組合剪力墻在低周往復(fù)荷載作用下鋼板的屈曲行為，得出結(jié)論如下：

(1) 通過對試件加載結(jié)果的觀察和比較可以發(fā)現(xiàn)，低周往復(fù)荷載作用下雙鋼板混凝土組合剪力墻試件鋼板主要在靠近基礎(chǔ)梁的位置發(fā)生屈曲。

(2) 通過對組合剪力墻鋼板測點荷載—應(yīng)變曲線以及試驗數(shù)據(jù)的比較分析可以發(fā)現(xiàn)，鋼板發(fā)生屈曲要先于試件達(dá)到極限荷載，并且鋼板發(fā)生屈曲的荷載與試件的極限荷載比較接近，說明組合剪力墻能夠充分發(fā)揮鋼板的抗拉強度。

(3) 栓釘和加勁肋的設(shè)置在一定程度上可以延緩鋼板的屈曲，提高鋼板的屈曲荷載。