王元清,成鐘壽,石永久,奧曉磊

(1.清華大學(xué)土木工程系土木工程安全與耐久教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京10008;2.北京市建筑設(shè)計(jì)院,北京 100045)

壓型鋼板-混凝土組合板的承載力主要由兩材料截面滑移引起的縱向水平剪力來控制。但因?yàn)閮烧咧g的粘接作用相當(dāng)復(fù)雜,還沒有理想的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。因此目前的組合板設(shè)計(jì)方法都通過足尺試驗(yàn)或小塊推出試驗(yàn)獲得相關(guān)承載力。中國可以參考《鋼 混凝土組合樓蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程(YB 9238-92)》進(jìn)行組合板的承載性能計(jì)算,規(guī)范中縱向承載性能采用系數(shù)α,如式(1)所示:

但式(1)中的系數(shù)只適用于開口型壓型鋼板-混凝土組合板,目前大多數(shù)學(xué)者都采用歐美規(guī)范的m-k方法對(duì)閉口型壓型鋼板-混凝土組合板進(jìn)行研究。中國規(guī)范條文說明中也建議采用m-k方法對(duì)閉口型組合板進(jìn)行試驗(yàn)。

文獻(xiàn)[5]對(duì)12塊閉口型壓型鋼板Bardek進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明,組合板的破壞形狀與剪跨比有關(guān),對(duì)于承受均布荷載的組合板,長跨板通常由受彎控制,而短跨板通常由縱向受剪控制。

文獻(xiàn)[6-8]也對(duì)類似的閉口型壓型鋼板BondekⅡ進(jìn)行了試驗(yàn)研究,獲得了相應(yīng)的承載力計(jì)算系數(shù)m和k。由上述的研究成果可知,雖然壓型鋼板的形狀類似,但其承載性能及破壞特征有所不同。

文獻(xiàn)[9]對(duì)11塊閉口型壓型鋼板混凝土組合板YJ 660-720進(jìn)行了試驗(yàn)研究,獲得相應(yīng)的m、k系數(shù)。結(jié)果表明在組合板中設(shè)置的栓定能提高壓型鋼板和混凝土縱向剪切粘接承載力,在剪跨內(nèi)設(shè)置一定的箍鋼對(duì)承載力有效大的提高。

該文對(duì)百安力公司的新型壓型鋼板Econdek65-675進(jìn)行試驗(yàn),采用m-k方法驗(yàn)證組合板的承載性能。主要試驗(yàn)內(nèi)容包括,組合板的縱向剪切-粘結(jié)能力、試件板的剪跨比的影響、破壞形式、靜力荷載與預(yù)循環(huán)荷載作用下的撓度特征等。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)概要

試驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)試壓型鋼板組合樓板的剪切-粘結(jié)(縱向抗剪)性能,依據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)4中對(duì)組合樓板測(cè)試的相關(guān)規(guī)定,測(cè)量組合樓板極限承載力,通過數(shù)值處理得出計(jì)算組合樓板縱向剪切承載力的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)m和k。主要試驗(yàn)參數(shù)為組合板的厚度和剪跨。一共制作了18塊組合板試件,厚度分別為115mm、150mm、200mm共3組。對(duì)于同一種厚度組合板,各有不同長度的3塊短板試件和3塊長板試件。試件尺寸及試件參數(shù)如圖1和表1所示。

圖1 Econdeck壓型鋼板

表1 組合板各試件參數(shù)

1.2 試件與測(cè)點(diǎn)布置

在每塊組合板的加載位置處布設(shè)1.0mm厚垂直板肋的通長鋼板用作隔板,用以更清晰的定義剪跨,消除混凝土受拉區(qū)的拉力。鋼板高度為80mm,下端緊貼樓承板波谷,遇到板肋處作剪孔處理。然后放置面層鋼筋網(wǎng)Φ8@150mm×150mm,以模擬實(shí)際工程情況;最后澆筑C30混凝土,同時(shí)澆筑36個(gè)邊長150mm的正方體混凝土立方體,以測(cè)試混凝土的實(shí)際強(qiáng)度(圖2(a))。在組合樓板壓型鋼板的底部,布置了電阻應(yīng)變計(jì),測(cè)量壓型鋼板2個(gè)截面(跨中截面和加載點(diǎn)截面)在不同位置的應(yīng)力,用導(dǎo)線引到外面,接到應(yīng)變分析儀上讀取應(yīng)變值(圖2(b))。位移傳感器的測(cè)量點(diǎn)位于組合樓板跨中,測(cè)量跨中相對(duì)于地面的位移。在組合樓板的兩端部,分別裝上2個(gè)位移百分表,測(cè)量混凝土相對(duì)于壓型鋼板的位移(圖2(c))。

圖2 應(yīng)變片與端部位移計(jì)布置圖

1.3 加載方法

試驗(yàn)的加載方式如圖3所示,通過60 t高清度千斤頂施加荷載,傳感器的精度為0.5 kN,由荷載傳感器測(cè)量。荷載施加在板跨的2個(gè)L/4位置上,這樣獲得的剪力和彎矩等同均布荷載作用下的結(jié)果。

圖3 組合板試件示意圖

每組試件由3塊組合板組成,其施加方式如下:

1)第1試件:使用控制臺(tái)對(duì)樓板進(jìn)行加載。對(duì)試件逐漸加壓,根據(jù)破壞荷載量級(jí)每級(jí)10 kN或5 kN不等,每級(jí)停留時(shí)間為1min,在此時(shí)間內(nèi)撓度不再增加時(shí)進(jìn)行下一級(jí)加載。直至荷載傳感器的數(shù)值不再增加時(shí)停止加載。當(dāng)千斤頂傳感器的數(shù)值達(dá)到最大值(W t)時(shí),記下板端最大縱向滑移S。

2)第2、3試件:先采用0.2 Wt到0.6 Wt加載幅度對(duì)樓板循環(huán)加載,循環(huán)次數(shù)為5 000次。然后對(duì)樓板進(jìn)行逐級(jí)加壓,使用第1試件的方法,記錄W和S。第3試件,方法同第2試件。每組試件測(cè)試完畢后,用萬能壓力機(jī)測(cè)試混凝土立方體的強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 破壞特征

試驗(yàn)結(jié)果表明在3組試件的加載處都出現(xiàn)了混凝土樓板厚度方向的裂縫,通常短跨多斜向發(fā)展,長跨多豎向發(fā)展。A組和B組試件在加載處出現(xiàn)壓型鋼板壓曲,向外凸出的現(xiàn)象(圖4(a)),但C組試件中壓型鋼板沒有明顯的壓曲。各組試驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)了如下的破壞特征;

1)對(duì)于A組試件:不論長短跨,均出現(xiàn)不同程度的壓型鋼板與混凝土剝離,短跨樓板在端部出現(xiàn)非常明顯的外翻(圖4(b)),混凝土樓板完全顯露;長短跨板均出現(xiàn)一定量的滑移,滑移程度相近,但短跨端部的滑移兩側(cè)較為接近,長跨其中一側(cè)會(huì)明顯偏大。

2)對(duì)于B組試件:樓板端部側(cè)面從壓型鋼板肋處延伸出斜向裂縫,延伸至樓板上表面,端部壓型鋼板有一定外翻,但整體的屈曲和脫離還是集中在跨中部位;短跨兩端滑移出現(xiàn)一定的不對(duì)稱,長跨兩端滑移嚴(yán)重不對(duì)稱,破壞時(shí)其中一側(cè)滑移量明顯較另一側(cè)小(圖4(c))。

3)對(duì)于C組試件:混凝土樓板的若干裂縫出現(xiàn)在加載處,開始時(shí)豎向發(fā)展,后期斜向發(fā)展;短跨加載處壓型鋼板沒有明顯凸曲,破壞主要集中在跨中。長跨破壞主要集中在加載處,并且只是在一側(cè),另一側(cè)變化不明顯;厚板較薄板破壞滑移大,短跨板兩側(cè)滑移較為相近,而長跨板差別明顯(圖4(d))。

2.2 荷載與端部滑移的特征

圖5為3組試件荷載與樓板端部滑移的關(guān)系曲線,從圖中可以看出以下特征(圖中所列的端部滑移值取左右兩端滑移值的較大值);

1)隨著板厚增大,樓板的脆性特征趨于明顯。如果最終荷載沒有超過滑移為0.1mm時(shí)荷載的10%,則判斷它為脆性。根據(jù)這個(gè)原則,可以判定B2-C-2、C2-C-1、C1-S 3塊試件為脆性。

圖4 試件板的破壞特征

圖5 荷載與端部滑移特征曲線

2)從滑移量上看,厚度越大最終滑移量越大,長跨試件要明顯大于短跨試件。

2.3 荷載與跨中撓度的關(guān)系

圖6為3組試件荷載與樓板跨中撓度的關(guān)系,從圖中可以看出;

1)隨著混凝土板厚度的增加,剪跨對(duì)樓板荷載的影響越小,在 200mm試件中長短跨差異相對(duì)較小。

2)循環(huán)加載后,試件留有一定的殘余撓度,這是因?yàn)檠h(huán)加載后在鋼板和混凝土板之間化學(xué)粘接力消失了,剪跨比大的試件表現(xiàn)得更為突出。

圖6 不同試件荷載-端部滑移關(guān)系曲線比較

3 承載力分析

3.1 縱向剪切承載力

縱向剪切性能一般采用 EurocodE4[15]或ASCE[16]的m-k方法。利用試驗(yàn)結(jié)果及組合板幾何參數(shù)進(jìn)行線性回歸分析可以得到2方法的m、k值。計(jì)算方法見式(2)和圖7;

圖7m、k計(jì)算方法示意圖

計(jì)算m、k值時(shí),由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散型,EC4和ASCE分別采用10%、15%的折減系數(shù),結(jié)果可見表4。

表4 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)(m、k)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上面的對(duì)比結(jié)果可以得到如下結(jié)論:

1)從表4可知,試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合時(shí),隨著混凝土板厚度的增加,其偏差越大,A組和B組的擬合結(jié)果較好,但C組結(jié)果的離散性很大,C組試件的相關(guān)系數(shù)已經(jīng)超過了可靠離散范圍。

2)從圖8可知,歐洲規(guī)范對(duì)各組試件呈現(xiàn)了9.2%的誤差,根據(jù)ASCE規(guī)范的計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)了12.3%的誤差。與ASCE計(jì)算結(jié)果相比,歐洲規(guī)范計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確。采用歐洲規(guī)范的縱向承載力計(jì)算公式對(duì) Econdek65-675的縱向剪切承載能力如下;

式中1.25為安全系數(shù)。

圖8 實(shí)測(cè)極限結(jié)果跟理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3.2 與其他類似組合板對(duì)比

對(duì)其他類似的閉口型或縮口型壓型鋼板的m、k值如表5所示。

表5 對(duì)不同壓型鋼板-組合樓板的m和k值

從表5可以看出;

1)與已在實(shí)際工程中使用的其他組合板相比,試驗(yàn)中采用的Econdek具有類似的m、k值,具有較可靠的縱向剪切承載性能,可以應(yīng)用到實(shí)際工程中。

2)隨著壓型鋼板截面的變化,m、k值也會(huì)有所改變。即使同樣截面尺寸的組合板進(jìn)行試驗(yàn),其m、k值也會(huì)有不同的結(jié)果。如表5中的參考文獻(xiàn)[6-8]都采用了同一種壓型鋼板BondekⅡ,可是其m、k值有較大的不同。這可認(rèn)為,文獻(xiàn)[6-7]中的試件數(shù)量大于6,而在文獻(xiàn)[6]試驗(yàn)組合板中只采用3m跨度的4塊試件。

3)Econdek65-625的m、k值與Bardek壓型鋼板類似,但與參考文獻(xiàn)[6-8]的 BondekⅡ相比有較大的差別。可以認(rèn)為BondekⅡ上布置的壓痕影響了組合板的極限承載力。

4 結(jié)論

1)試驗(yàn)結(jié)果表明,由于板端部沒有布置栓釘?shù)瓤辜魳?gòu)件,在所有的試件中都發(fā)生了縱向剪切破壞。在施工中,為保證2種材料的組合作用,應(yīng)布置如栓釘?shù)鹊亩瞬窟B接件。

2)通過承載力試驗(yàn)得到了組合板的縱向剪切承載力曲線及相關(guān)系數(shù)m和k,并且得到了Econdek65-625的縱向剪切承載力計(jì)算公式。

3)與類似的組合板相比,現(xiàn)行的m-k方法由于試驗(yàn)條件、試件數(shù)量和剪跨比等試驗(yàn)參數(shù)的不同,在結(jié)果上會(huì)有較大的偏差。為節(jié)約新型壓型鋼板試驗(yàn)成本、減少實(shí)行錯(cuò)誤等,中國需要統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法和更正確的理論模型。

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