鋼管混凝土邊框與墻板豎向接合面抗剪性能的試驗(yàn)研究

武立偉 陳建偉,2,* 蘇幼坡,2 陳海彬,2 高 林,2

(1. 河北聯(lián)合大學(xué)建筑工程學(xué)院,唐山 063009； 2. 河北省地震工程研究中心 唐山 063009)

1 引 言

鋼管混凝土邊框剪力墻結(jié)構(gòu)是一種新型鋼-混凝土組合剪力墻，即利用抗剪連接鍵將鋼管混凝土邊框和剪力墻進(jìn)行可靠連接，按照施工方式不同分為現(xiàn)澆式[1]和預(yù)制裝配式[2,3]。該組合結(jié)構(gòu)具有以下四個(gè)特點(diǎn)：①有效發(fā)揮鋼和混凝土材料各自的優(yōu)勢(shì)；②鋼管混凝土具有后期承載力高、抗剪性能及延性好等特點(diǎn)；③鋼管邊框的約束作用可以提高墻板的抗剪能力；④改變抗震防線(xiàn)較為單一的狀況，提高結(jié)構(gòu)整體抗震性能。

受力合理、方便施工的墻板節(jié)點(diǎn)和接縫設(shè)計(jì)是混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，是決定該結(jié)構(gòu)形式能否推廣應(yīng)用的重要影響因素。目前，關(guān)于鋼管混凝土邊框和墻體的豎向接合面抗剪性能的研究亟待深化。曹萬(wàn)林等[1,4]對(duì)采用強(qiáng)抗剪連接和弱抗剪連接的四片鋼管混凝土邊框剪力墻進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)研究，“強(qiáng)”和“弱”區(qū)別在于抗剪鍵的鋼板厚度和高度，并指出強(qiáng)抗剪連接的結(jié)構(gòu)整體工作性能良好；梁江浩等[5]對(duì)柱子內(nèi)壁焊接栓釘?shù)姆戒摴芑炷林M(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn)研究，試驗(yàn)表明，栓釘可以有效緩解鋼管屈曲，略微提高試件的峰值荷載，同時(shí)延性略微降低。羅永峰等[6]結(jié)合一個(gè)足尺鋼管節(jié)點(diǎn)模型試驗(yàn)，研究了加勁肋的厚度、尺寸、形狀對(duì)節(jié)點(diǎn)連接承載力、延性等性能的影響。聶建國(guó)等[7]研究了栓釘在鋼板-混凝土組合梁及組合抗彎加固中的性能，給出了栓釘抗剪承載力計(jì)算方法，與栓釘實(shí)際受力對(duì)比吻合較好。本文試驗(yàn)研究的鋼管混凝土和墻板豎向接合面原型來(lái)自預(yù)制鋼管混凝土邊框剪力墻結(jié)構(gòu)體系，該研究的目的是為了實(shí)現(xiàn)鋼管混凝土邊框和剪力墻豎向接合面的可靠連接，進(jìn)行了5個(gè)鋼管混凝土邊框與墻板豎向接合面試件的抗剪性能試驗(yàn)研究，分析各試件的破壞特征、承載力等，并對(duì)比分析了各試件的試驗(yàn)結(jié)果，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，提出了該豎向接合面的抗剪承載力建議公式和設(shè)計(jì)建議。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了5個(gè)鋼管混凝土邊框與墻板豎向接合面試件，鋼管混凝土邊框尺寸均相同，5個(gè)試件的主要參數(shù)如表1所示。鋼管選用120 mm×120 mm×4 mm的Q345級(jí)方鋼管，鋼管混凝土邊框的高度即豎向接合面高度為565 mm，鋼管內(nèi)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，為自密實(shí)混凝土，配合比為0.22∶1∶1.13∶1.2，聚羧酸減水劑含量為1%，澆筑混凝土?xí)r制作了邊長(zhǎng)為100 mm的立方體標(biāo)準(zhǔn)試塊同條件養(yǎng)護(hù)，考慮尺寸效應(yīng)及受力條件的換算后，混凝土立方體試塊抗壓強(qiáng)度分別為49.2 N/mm2，48.8 N/mm2，50.2 N/mm2，取平均值49.4 N/mm2；墻板為“L”形鋼筋混凝土墻體，每個(gè)試件墻體厚度為120 mm，墻體混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，為自密實(shí)混凝土，配合比為0.41∶1∶2.53∶2.75，聚羧酸減水劑含量為1%，墻體混凝土澆筑預(yù)留的立方體標(biāo)準(zhǔn)試塊抗壓強(qiáng)度如表1所示。鋼管管壁鋼材屈服強(qiáng)度為348 N/mm2，屈服應(yīng)變?yōu)? 430με，極限強(qiáng)度為452 N/mm2，彈性模量為182 GPa。

表1各試件主要參數(shù)

Table1Themainparametersofspecimens

試件編號(hào)連接方式截面配鋼率墻體混凝土試塊抗壓強(qiáng)度/MPaSP-6S單獨(dú)栓釘1.32%35.0SP-6S2P栓釘+銷(xiāo)鍵1.32%35.5SP-4S單獨(dú)栓釘0.88%35.3SP-4S3P栓釘+銷(xiāo)鍵0.88%34.0SP-3P單獨(dú)銷(xiāo)鍵—34.1

注：① 截面的配鋼率是指栓釘面積與豎向接合面面積的比值，不考慮銷(xiāo)鍵的面積；

② 試件編號(hào)中“6S2P”是指6個(gè)栓釘和2個(gè)銷(xiāo)鍵的組合連接方式，SP是指Shear Performance。

各試件主要變化參數(shù)：豎向接合面連接方式不同，即按栓釘和銷(xiāo)鍵的不同組合方式分為單獨(dú)栓釘、栓釘銷(xiāo)鍵組合、單獨(dú)銷(xiāo)鍵5組，每組一個(gè)試件，5個(gè)試件栓釘和銷(xiāo)鍵沿水平和豎向接合面均勻布置，布置方式的平面和立面圖如圖1所示，側(cè)面圖如圖2所示。栓釘和銷(xiāo)鍵的組合方式主要由栓釘承擔(dān)豎向直剪力，栓釘錨固頭可以提供一個(gè)側(cè)向拉力，可以有效防止鋼管與混凝土接合面分離，銷(xiāo)鍵可以為豎向接合面提供較大豎向抗剪承載力。

銷(xiāo)鍵為直徑20 mm的螺紋鋼筋加工而成，長(zhǎng)100 mm，豎向間距225 mm，焊接在鋼管壁上；栓釘為ML15標(biāo)準(zhǔn)尺寸，直徑13 mm，長(zhǎng)80 mm，在豎向接合面上的水平間距均為60 mm，豎向間距為200 mm或250 mm。各試件中的栓釘配置數(shù)量按照配鋼率1%設(shè)計(jì)，由于鋼管混凝土邊框?qū)挾刃。ㄡ斨睆竭x取不宜過(guò)大，以便和鋼管截面相稱(chēng)。

圖1 豎向接合面栓釘、銷(xiāo)鍵布置科圖(單位：mm)Fig.1 Stud and pin key distribution of vertical joint surface (Unit: mm)

圖2 豎向接合面?zhèn)让鎴DFig.2 Side view of vertical joints surface

2.2 加載設(shè)計(jì)

將試件固定在243.35 T電液伺服加載系統(tǒng)和支座之間，鋼管混凝土邊框上端放置一個(gè)120 mm×30 mm×15 mm的墊塊，使得上部作動(dòng)器荷載均勻傳遞給試件，以便使試件沿豎向接合面發(fā)生直剪破壞，鋼管混凝土邊框下端和“L”形墻體留有20 mm的縫隙，以便鋼管混凝土邊框沿豎向接合面自由滑移，加載試驗(yàn)裝置如3所示。

該系統(tǒng)豎向可施加350 kN的荷載，采用豎向單調(diào)加載，在試驗(yàn)加載過(guò)程中首先預(yù)加載10 kN，以觀測(cè)加載系統(tǒng)和試件的可靠性，確保數(shù)據(jù)采集正常。加載采取分級(jí)加載制度，并采集和觀測(cè)試件的變形與損傷情況，采用strainbook616高速動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，應(yīng)變片布置的位置如圖1所示。

加載分為兩個(gè)階段，第一階段采用荷載控制，本階段最終加載值為預(yù)估荷載的70%，該階段采取分級(jí)加載，依次加載至預(yù)估荷載的0.2倍、0.4倍、0.7倍，該計(jì)算荷載是將各試件主要參數(shù)代入ACI318-08[8]和我國(guó)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]相關(guān)公式中預(yù)估出來(lái)的，由于預(yù)估值比實(shí)際加載值偏大，個(gè)別試件(如SP-4S3P試件)未加至預(yù)估值的70%就進(jìn)入第二階段的位移控制加載，該階段每級(jí)位移控制值為1.4s0.7，s0.7為預(yù)估荷載70%時(shí)對(duì)應(yīng)的位移值，加載速率為0.5倍位移控制值，單位為mm/min，直至試件破壞，豎向接合面的上部和下部布置位移計(jì)如圖3所示，以測(cè)試豎向接合面的變形。

圖3 加載試驗(yàn)裝置圖Fig.3 Loading test device

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 破壞特征

各試件的破壞過(guò)程如下，典型試件的破壞形態(tài)如圖4所示。

SP-6S試件(6栓釘):當(dāng)加載至75 kN時(shí)接合面出現(xiàn)細(xì)微豎向裂縫，加載至120 kN時(shí)鋼筋混凝土墻體上與栓釘對(duì)應(yīng)位置開(kāi)始出現(xiàn)斜裂縫，加載至146 kN時(shí)接合面豎向裂縫貫通，通縫邊緣混凝土迸裂，試件發(fā)生破壞。

SP-6S2P試件(6栓釘+2銷(xiāo)鍵):當(dāng)加載至115 kN時(shí)接合面出現(xiàn)細(xì)微豎向裂縫，加載至175 kN時(shí)鋼筋混凝土墻體開(kāi)始出現(xiàn)斜裂縫，且斜裂縫隨著荷載的增加而延伸并加寬，加載至220 kN時(shí)接合面豎向裂縫與鋼筋混凝土墻體上的斜裂縫貫通，并發(fā)生破壞，如圖4(a)所示。

SP-4S試件(4栓釘): 當(dāng)加載至63 kN時(shí)接合面出現(xiàn)細(xì)微豎向裂縫，加載至90 kN時(shí)鋼筋混凝土墻體上與栓釘對(duì)應(yīng)位置開(kāi)始出現(xiàn)斜裂縫，加載至108 kN時(shí)接合面豎向裂縫貫通，通縫邊緣混凝土迸裂，且栓釘對(duì)應(yīng)位置混凝土出現(xiàn)大面積掀起，試件發(fā)生破壞如圖4(b)所示。

SP-4S3P試件(4栓釘+3銷(xiāo)鍵): 當(dāng)加載至84 kN時(shí)接合面出現(xiàn)細(xì)微豎向裂縫，加載至155 kN時(shí)鋼筋混凝土墻體開(kāi)始出現(xiàn)斜裂縫，且斜裂縫隨著荷載的增加而延伸并加寬，加載至207 kN時(shí)接合面豎向裂縫與鋼筋混凝土墻體上的斜裂縫貫通，并發(fā)生破壞。

SP-3P試件(3銷(xiāo)鍵): 當(dāng)加載至65 kN時(shí)接合面出現(xiàn)細(xì)微豎向裂縫，加載至87 kN時(shí)鋼筋混凝土墻體上與銷(xiāo)鍵對(duì)應(yīng)位置開(kāi)始出現(xiàn)斜裂縫，且斜裂縫向銷(xiāo)鍵間延伸，加載至109 kN時(shí)接合面豎向裂縫貫通，銷(xiāo)鍵間的混凝土形成拱形破壞面，每個(gè)銷(xiāo)鍵的影響范圍為200～300 mm，鋼管與鋼筋混凝土瞬間脫離，試件發(fā)生破壞，如圖4(c)所示。

圖4 試件破壞形態(tài)圖Fig.4 Failure modes of specimens

3.2 荷載—變形曲線(xiàn)及對(duì)比分析

實(shí)測(cè)所得5個(gè)試件的荷載與位移關(guān)系曲線(xiàn)對(duì)比圖如圖5(a)-圖5(f)所示，縱坐標(biāo)為實(shí)際加載值(單位：kN)，橫坐標(biāo)為兩個(gè)LVDT位移計(jì)記錄的豎向滑移平均值(單位：mm)。

由圖5(a)可見(jiàn)，同為6個(gè)栓釘，增加2個(gè)銷(xiāo)鍵后顯著提高抗剪承載力，可提高46%，初始剛度略微降低，延性相差不多。當(dāng)采用不同的栓釘個(gè)數(shù)時(shí)，從圖5(b)可以看出，增加栓釘個(gè)數(shù)可以有效提高承載力和延性，因此當(dāng)只選用栓釘抗剪時(shí)，要選擇合理的栓釘配鋼率，以保證截面具有足夠的抗剪承載力和延性。

SP-4S3P試件相對(duì)于SP-3P試件的抗剪承載力或延性的變化如圖5(c)所示，和圖5(a)相似，增加栓釘后承載力可提高101%。SP-4S3P試件配鋼率為0.88%，從圖5(d)可以得出其初始剛度和延性顯著提高。同樣，保證試件都有3個(gè)銷(xiāo)鍵，增加4個(gè)栓釘會(huì)顯著提高試件的抗剪承載力和延性。以上分析可得，采用栓釘和銷(xiāo)鍵的組合連接方式，可以有效改善截面的抗剪性能，從承載力或延性來(lái)說(shuō)，相對(duì)于單獨(dú)栓釘或單獨(dú)銷(xiāo)鍵都有不同程度的改善，因此建議工程應(yīng)用中考慮該組合形式連接。圖5(e)和圖5(f)反映出大致相同承載力情況下，栓釘對(duì)試件初始剛度的降低影響明顯。

圖5 各試件荷載—位移曲線(xiàn)對(duì)比圖Fig.5 Load-displacment diagram of specimens

4 抗剪承載力分析

各國(guó)的規(guī)范中有關(guān)于栓釘抗剪承載力的計(jì)算公式，但是對(duì)栓釘和銷(xiāo)鍵組合抗剪的計(jì)算公式未見(jiàn)報(bào)道，因此，在研究國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范基礎(chǔ)上，提出栓釘和銷(xiāo)鍵組合抗剪承載力計(jì)算公式：

(1)

式中，Ast為栓釘?shù)臋M截面面積；Ec為混凝土的彈性模量；fck為混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；l為抗剪銷(xiāo)鍵長(zhǎng)度；d為抗剪銷(xiāo)鍵高度；fc為混凝土抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度；α為局部承壓有效面積調(diào)整系數(shù)，建議取0.9。

按式(1)得出各試件的豎向接合面抗剪承載力計(jì)算值和實(shí)測(cè)值見(jiàn)表2，計(jì)算值和實(shí)測(cè)值吻合較好，試件SP-6S和SP-6S2P相對(duì)誤差略微偏大原因可能是式(1)中關(guān)于栓釘抗剪承載力計(jì)算的理論值偏大造成的。

表2試件抗剪承載力實(shí)測(cè)值和計(jì)算值

Table2Experimentalandcalculatedresultsofshearcapacity

試件編號(hào)實(shí)測(cè)值/kN計(jì)算值/kN相對(duì)誤差/%SP-6S150.6166.210.3SP-6S2P220.5239.210.4SP-4S108.3110.82.3SP-4S3P218.2226.63.8SP-3P109.7115.85.6

5 結(jié) 論

通過(guò)5個(gè)鋼管混凝土邊框和墻板豎向接合面的抗剪性能試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

(1) 從試驗(yàn)現(xiàn)象看，采用銷(xiāo)鍵和栓釘組合的豎向接合面連接方式，可以有效改善試件抗剪承載力和延性。在一定配鋼率范圍內(nèi)(限于文中僅考慮1.32%或0.88%)，隨著配鋼率的增加，鋼管與混凝土接合面的抗剪承載能力會(huì)相應(yīng)增強(qiáng)，同時(shí)改善鋼管混凝土邊框和墻板接合面的抗剪破壞的延性。

(2) 單獨(dú)銷(xiāo)鍵或銷(xiāo)鍵栓釘組合連接時(shí)，對(duì)增強(qiáng)鋼管與混凝土接合面的抗剪承載力方面具有良好的效果，并且單獨(dú)銷(xiāo)鍵的影響范圍在200～300 mm之間。

(3) 提出了該鋼管混凝土邊框和墻板豎向接合面采用栓釘和銷(xiāo)鍵組合連接的抗剪承載力理論計(jì)算公式，將各試件的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值作比較，吻合較好。

(4) 本文研究的栓釘和銷(xiāo)鍵組合連接方式具有較好的抗剪承載力和延性，可用于鋼管混凝土組合剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。

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