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《土木工程學報》2016年第一期

摘要:

進行了4個應用于核電工程的鋼板混凝土組合墻軸壓試驗，試驗設計中主要考慮距厚比參數的不同。分析了構件的破壞機理、荷載－位移曲線、鋼板的荷載-屈曲曲線。分析結果表明:鋼板的屈曲對試件整體剛度影響不明顯，栓釘能有效地保證鋼板和混凝土協同工作;隨著距厚比變小，試件極限承載力有所提高，鋼板的屈曲應變變大。在試驗分析基礎上，給出了組合墻體的初始剛度和極限承載力的經驗公式，導出了適合鋼板彈性屈曲應變的理論公式。

關鍵詞:

鋼板混凝土;軸壓;試驗;屈曲分析;極限承載力

鋼板混凝土結構作為一種新型結構具有結構強度高、抗震性能好、施工方便快捷等特點，目前在礦山、燃油儲存、城市道路橋梁等許多領域均有應用。作為美國第三代先進壓水堆核電站AP1000設計中，鋼板混凝土結構大量用于反應堆廠房內部結構模塊和其他核安全相關結構模塊中。鋼板混凝土結構是在兩片鋼板中間填充混凝土，鋼板與混凝土之間用抗剪栓釘連接而成。混凝土對鋼板起到約束作用，能有效抑制鋼板的屈曲;而兩側鋼板能有效控制混凝土裂縫的發展和防止混凝土過早被壓碎，從而提高組合體的變形能力，使得其延性和耗能能力大幅提高。只有鋼板和混凝土兩種材料協同工作，組合結構的優勢才能發揮出來［1］。組合結構中鋼板局部失穩是導致鋼板與混凝土表面分離的重要原因。

國內外學者對組合結構中鋼板的局部穩定進行了一定研究。文獻［2］和［3］利用最小勢能原理，推導出組合結構中鋼板在豎向軸壓狀態下局部屈曲臨界荷載解析解，認為四個栓釘包圍的矩形鋼板理想的邊界條件為簡支邊，并給出了栓釘間距與鋼板厚度之比(簡稱距厚比，以B/t表示)的限值。文獻［4］和［5］通過軸壓試驗，研究組合結構中鋼板在彈性屈曲、彈塑性屈曲和塑性屈曲時的屈曲特性。基于有限差分法推導出鋼板屈曲的計算模型，并且計算結果能與試驗得到很好的吻合。文獻［6］和［7］研究了組合結構在受雙向軸壓時，鋼板的局部穩定問題、鋼板屈曲后的受力機理問題;以及在受到雙向軸壓及平面內剪力組合荷載時，鋼板局部穩定問題和鋼板屈曲后的受力機理問題。文獻［8］和［9］基于彈性薄板理論和勢能駐值原理，推導出鋼板混凝土板在軸向受壓狀態下的局部穩定時臨界荷載解析解，并能與有限元方法計算結果得到較好的吻合。但這些方法都是大多基于理論計算，并且不同的計算方法之間結果相差很大。為此，本文在已有研究成果基礎上，進行了鋼板混凝土組合墻軸壓試驗研究，提出了適合鋼板混凝土組合墻體單向受壓穩定分析的計算公式。

1試驗概況

1．1試驗試件試驗設計了4個組合墻體試件，如圖1所示，試件編號為SCW-1～SCW-4。試件尺寸1160mm×1100mm×230mm。試件墻體鋼板厚度為4．8mm;兩側鋼板厚度為8mm;上下鋼板厚度為8mm。試件所用栓釘為螺栓代替。墻體鋼板的螺栓直徑為8mm，長度為70mm。兩側鋼板的螺栓直徑為10mm，長度為90mm。在兩側鋼板設計較小的距厚比，目的是墻體鋼板的屈曲要先于兩側鋼板的屈曲。在試件的上下均設置了三角形加勁肋板，對上下部位的鋼板起約束作用。圖1給出了試件SCW-1的剖面圖詳圖，其余三個試件除了鋼板的距厚比不同之外，其余都相同。試件試驗時的實際模型如圖2所示。試件設計的變化參數為B/t，如表1所示。

1．2材料性能試驗墻體混凝土設計強度等級為C30，骨料的最大直徑為10mm的細石骨料。在混凝土試件澆筑的同時，制作6個150mm×150mm×150mm立方體試塊，與試件混凝土同等條件下養護。在試件加載前，實測混凝土立方體試塊的抗壓強度fcu。按照GB/T228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》［10］的規定取樣加工，對鋼板和螺栓的屈服強度fy，抗拉強度fu進行測試，材料試驗結果見表2。

1．3試驗裝置和加載制度采用北京工業大學結構試驗中心豎向大型40000kN多功能電液伺服加載試驗系統對試件施加軸向壓力，采用油壓傳感器采集荷載信號。在試件前后鋼板表面粘貼應變片，測量局部應形(如圖1所示);在試件上下鋼板之間布置位移計，測量試件豎向總變形。試驗加載裝置布置見圖3。加載方式采用單調豎向加載，加載緩慢進行，每級加載穩定后，觀察試件的損傷和變化情況，然后再進行下一級加載。首先施加1000kN荷載進行預壓，觀測加載裝置和所測點的變化是否工作正常，然后卸載至0kN。加載制度采用力和位移逐級加載，開始每次取1000kN為一級;荷載達到40%極限承載力計算值后，每次取500kN為一級;荷載超過80%極限承載力計算值后，按位移控制進行加載，每級按試件此時的位移緩慢勻速加載，直至試件最終破壞，則停止加載。

2試驗結果及分析

2．1破壞過程試件SCW-1:荷載加至300kN時，試件出現具有貫通趨勢的屈曲，并且鋼板用手敲有空聲;荷載加至5500kN時，鋼板屈曲形成完全貫通的屈曲;最后隨著豎向變形的增大和幾次巨響聲后，試件破壞，試驗結束。試件SCW-2:荷載加至400kN時，試件并未出現響聲，直接出現局部屈曲，并且試件上部漆皮開始開裂;荷載加至7000kN時，局部屈曲形成沿試件水平截面的貫通屈曲;試件曲線出現水平向抖動。最后，達到承載力后，試件突然破壞。試件SCW-3:荷載加至400kN時，試件出現輕微的響聲(鋼板和混凝土開始分離);荷載加至7500kN時，局部屈曲形成沿試件水平截面的貫通屈曲，隨著荷載的增加鋼板屈曲逐漸變大;隨著荷載繼續增加，試件不斷伴隨巨響，試件最終破壞。試件SCW-4:荷載加至450kN時，試件出現輕微的響聲;荷載加至8000kN時，試件出現一聲巨響;隨著荷載的增加，試件沒有發生貫通屈曲的現象;最后，試件加載結束。

2．2試驗現象分析圖4為4個試件的荷載-位移曲線，由圖可見，除了試件SCW-2之外，其余三個試件的加載曲線基本相同。對于SCW-2彈性范圍內的剛度小于其余三個試件的情況，通過進一步檢查試驗后的試件，發現是由于鋼板混凝土組合墻中的混凝土澆筑振搗不密實，組合墻體出現一些空洞，使得試件存在初始缺陷所致。在加載過程中，混凝土中的空洞被壓實，使得混凝土的豎向應變大于鋼板的豎向應變，并且鋼板與混凝土會出現滑移。在加載后期，滑移量增大，栓釘自身對提高試件整體承載力有一定的貢獻，使得極限承載力大于其他試件。(問題2)當栓釘被剪壞時，混凝土和鋼板發生分離，使得荷載-位移曲線存在過多的突變現象，試件最終發生脆性破壞。因此，建筑在組合結構施工中，盡量采用自密實混凝土或是保證混凝土振搗的密實性。(問題3)在軸壓力3MN以下，鋼板混凝土墻體整體剛度幾乎不變，與B/t無關;軸壓力超過3MN時，隨著B/t的變小，鋼板混凝土墻體極限承載力有變大的趨勢。這表明較小的B/t，能保證鋼板與混凝土協同受力，減緩鋼板屈曲的發生，提高組合結構的整體性能。除了SCW-2之外，試件鋼板發生屈曲或屈服時，鋼板混凝土組合墻的荷載-位移曲線沒有突變發生，這說明鋼板的局部屈曲或屈服對墻體整個剛度影響不大。圖5為試件典型的鋼板屈曲波形，圖6為去掉屈曲鋼板后混凝土的破壞情況。由圖6觀察可得，組合墻體在加載初期鋼板和混凝土一起變形，隨著荷載的增加，混凝土首先達到受壓破壞應變而被壓碎。在混凝土被壓碎的同時，鋼板豎向應變也會大量增加，繼而會產生鋼板屈曲。

3初始剛度和豎向承載力計算

3．1初始剛度組合墻體的初始剛度為試件在彈性加載范圍內，由鋼板和混凝土的軸壓剛度組合而成。初始剛度為結構設計的重要參數。

3．2軸壓承載力目前沒有關于鋼板混凝土極限承載力的設計規范，本文在試驗的基礎上，參照混凝土結構設計規范中正截面受壓承載力計算公式，提出了鋼板混凝土極限承載力的簡化算法，即鋼板和混凝土承載力的疊加。由表3可見，除了試件SCW-2之外，初始剛度的試驗值與計算值的比值為0．86-1．21，這個規律與文獻［4］基本符合，豎向極限承載力的試驗值與計算值的比值為0．93-1．13。初始剛度和極限承載力的試驗值與計算值相差不大，該公式具有一定的適用性。

4屈曲分析

4．1屈曲現象分析為了準確測量鋼板屈曲應變，若干個應變片被設置在鋼板外側(如圖1所示)。圖7為豎向荷載與鋼板應變關系。圖中的荷載值與應變值為若干個應變片，在鋼板發生屈曲時的平均值。若干個應變片取其平均值具有一定的統計意義。(問題1)如圖所示，鋼板屈曲前處于受壓力狀態，鋼板在彈性范圍內受力，而且鋼板剛度基本相同。隨著豎向荷載的增加，鋼板所受壓力逐漸增加，曲線突然出現一個拐點，鋼板由受壓突然呈現受拉，此時正是鋼板發生屈曲變化，這個突變點所對應的應變為鋼板的屈曲應變。由圖可見，隨著B/t的降低，鋼板屈曲應變和屈曲應力都會有所增加，這說明在鋼板厚度不變的情況下，表面焊接較多的栓釘，能夠增加鋼板與混凝土的協同工作能力，延緩鋼板屈曲的發生。

4．2屈曲理論分析經研究發現，對鋼板混凝土組合墻中，控制鋼板屈曲的關鍵因素是B/t。通過合理設置B/t，可以讓鋼板屈曲在屈服后發生。目前的研究主要以相鄰四個栓釘包圍的矩形鋼板區格為研究對象，以下是研究鋼板局部穩定的相關理論。

5結論

(1)除試件SCW-2存在初始缺陷之外，其余試件在加載初期，整體剛度幾乎沒有變化。隨著荷載的增加，B/t越小的試件，其極限承載力和屈曲應變會相應變大，這表明栓釘能較好的保證鋼板與混凝土的協同工作能力。(2)除SCW-2之外，試件鋼板的屈曲與屈服對試件的荷載-位移曲線沒有影響，試件整體剛度連續變化，但試件的延性較差，加載后期出現脆性破壞。(3)試驗結束后去掉鋼板發現，內部的混凝土首先被壓壞，而后是相應部位的鋼板發生屈曲。直到試件加載結束，只是初期發生破壞點的破壞程度繼續增大之外，而沒有新的破壞點發生。

作者：張有佳 李小軍 賀秋梅 閆曉京 單位：東北電力大學 中國地震局地球物理研究所