韋芳芳　 杜金娥　 胡雪峰　 王永泉　 吳　京

(1河海大學土木與交通學院, 南京210098)(2河海大學水利水電學院, 南京210098)(3東南大學土木工程學院, 南京210096)

單面受火雙鋼板-混凝土組合剪力墻的耐火性能試驗研究

韋芳芳1杜金娥1胡雪峰1王永泉2吳京3

(1河海大學土木與交通學院, 南京210098)(2河海大學水利水電學院, 南京210098)(3東南大學土木工程學院, 南京210096)

摘要:為研究雙鋼板-混凝土組合剪力墻結(jié)構(gòu)的耐火性能,對 3榀采用不同剪力件連接(螺栓連接、栓釘連接、栓釘和剪力桿組合連接)的雙鋼板-混凝土組合剪力墻進行了軸壓力和單面ISO-834標準升溫作用下的耐火性能試驗,得到這種新型組合剪力墻結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的溫度場分布、軸向變形及破壞模式,并就不同剪力連接件對組合剪力墻耐火性能的影響進行了分析和比較.結(jié)果表明,剪力連接件能夠保證鋼板與混凝土共同工作;采用不同剪力連接件連接的組合剪力墻在火災(zāi)下的破壞模式是相同的,但不同剪力件對組合剪力墻耐火性能的影響不同,采用螺栓連接的組合剪力墻的耐火極限最短,采用栓釘和剪力桿組合連接的剪力墻耐火極限最長.

關(guān)鍵詞:雙鋼板-混凝土組合剪力墻;耐火極限;耐火性能;破壞模式

雙鋼板-混凝土組合剪力墻是在鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu),結(jié)合了鋼材與混凝土2種材料各自的優(yōu)點,與普通鋼筋混凝土剪力墻相比,其鋼板厚度和剪力墻厚度更小,剪力墻受剪承載力和延性更高,結(jié)構(gòu)整體抗震性能更優(yōu),可作為混凝土澆筑的模板,便于施工[1-4].

雙鋼板-混凝土組合剪力墻中鋼板與內(nèi)填混凝土之間可以通過栓釘、螺栓、剪力桿、加勁肋等方式連接,剪力件是組合剪力墻中鋼板和混凝土實現(xiàn)共同作用的關(guān)鍵,起著傳遞兩者之間的縱向剪力以及阻止鋼板掀起的作用.根據(jù)剪力件的不同，雙鋼板-混凝土組合剪力墻主要包括以下幾種形式:帶加勁肋的雙鋼板組合剪力墻[5]、剪力桿連接的Bi-Steel組合剪力墻[3]、有綴板拉結(jié)的雙鋼板-混凝土組合剪力墻[6]、栓釘連接的雙鋼板-混凝土組合剪力墻[7]、螺栓連接的雙鋼板-混凝土組合剪力墻[2]、栓釘和剪力桿組合連接的雙鋼板-混凝土組合剪力墻[8].前2種組合剪力墻主要承受海浪或移動冰雪等較大荷載作用,構(gòu)造復雜,加工困難,造價偏高,多用于核電站、海洋平臺等結(jié)構(gòu)[5，9],而且其構(gòu)造形式并不適用于高層結(jié)構(gòu)的剪力墻[1].后4種組合剪力墻的構(gòu)造相對簡單,適用于高層建筑.目前,世界上采用雙鋼板-混凝土組合剪力墻作為抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的建筑已有數(shù)十幢,主要分布在北美、日本等高烈度地區(qū).國內(nèi)采用該種形式的組合剪力墻結(jié)構(gòu)包括某千手觀音像主體結(jié)構(gòu)[10]、鹽城廣播電視塔筒體結(jié)構(gòu)[8]和廣州東塔主體結(jié)構(gòu)[1].

目前,關(guān)于這種新型雙鋼板-混凝土組合剪力墻結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的力學性能、溫度場以及破壞模式等的相關(guān)試驗和理論研究較少.本文結(jié)合實際高層建筑中的雙鋼板-混凝土組合剪力墻結(jié)構(gòu),制作設(shè)計了3榀不同剪力件連接(螺栓連接、栓釘連接、栓釘和剪力桿組合連接)的雙鋼板-混凝土組合剪力墻.其受火方式為單面受火,按照ISO-834國際標準升溫曲線進行升溫,達到耐火極限后,采用自然冷卻的降溫方式,測量不同試件的耐火極限、溫度場分布和變形,分析雙鋼板-混凝土組合剪力墻在軸壓力和火災(zāi)高溫共同作用下的耐火性能.

1試件

3榀雙鋼板-混凝土組合剪力墻試件的編號及具體參數(shù)見表1;剪力連接件形式見圖1,其間距滿足抗剪連接件的構(gòu)造要求,同時也滿足最大間距不超過300mm的要求.在端柱中布置一根直徑為20mm的HRB400鋼筋,剪力墻中分布筋均采用直徑為6mm的HPB235鋼筋,間距均為200mm,墻上下兩端焊接了尺寸為350mm×1 200mm×10mm的蓋板,對應(yīng)位置預(yù)留螺栓空洞以用于上下加載梁的連接.

表1　試件參數(shù)表

(a) 螺栓連接

(b) 栓釘連接

(c) 栓釘和剪力桿組合連接

火災(zāi)試驗在東南大學九龍湖校區(qū)土木工程火災(zāi)試驗室中進行,采用1/4水平試驗爐進行單面受火試驗,試驗壓力加載裝置采用預(yù)應(yīng)力自平衡裝置.圖2為位移計布置圖.本試驗中采用拉線式位移計來測量水平位移和豎向位移,通過耐高溫鋼絲引出.其中,豎向位移計的引線固定在墻體中部焊接的小鋼筋頭上,用于測量墻體撓度變化;水平位移計的引線固定在加載梁中部,用于測量軸向位移.

(a) 豎向位移計

本試驗中耐火極限的判定條件為:不能繼續(xù)承擔預(yù)加的軸向荷載,或者豎向壓縮變形達到12mm,或者變形速率達到3.6mm/min.

2試驗結(jié)果及分析

2.1破壞形態(tài)

3榀雙鋼板-混凝土組合剪力墻試件在軸壓力和單面ISO-834 標準升溫作用下的最終破壞形態(tài)見圖3.由圖可知,3榀雙鋼板-混凝土組合剪力墻試件均呈現(xiàn)向背火面彎曲的整體壓彎失穩(wěn)破壞形態(tài).受火面的外包鋼板發(fā)生皺褶現(xiàn)象,呈波浪形屈曲,剪力件連接處鋼板與混凝土保持緊密連接,剪力件處于波谷,表明剪力件能有效抑制受火面鋼板的平面外屈曲.剪力件之間的鋼板發(fā)生屈曲褶皺現(xiàn)象,試件在發(fā)生整體彎曲的同時還伴隨受火面鋼板的局部屈曲.端柱的側(cè)向變形基本與墻體整體變形一致.

(a) 試件CSW1,受火面

(c) 試件CSW2,受火面

(e) 試件CSW3,受火面

切割受火面鋼板后發(fā)現(xiàn),在試件CSW1中,混凝土墻體底部存在空洞,澆筑不密實,受火面混凝土沿剪力件分布著橫向的裂縫,同時在剪力件布置處應(yīng)力集中,出現(xiàn)向四周展開的裂縫(見圖4(a)).在試件CSW2中,混凝土墻體中下部被壓碎,剝落嚴重,露出粗骨料,少許分布筋外露(見圖4(b)).在試件CSW3中,栓釘和剪力桿布置處出現(xiàn)明顯的豎向裂縫(見圖4(c)).

(a) 試件CSW1

(b) 試件CSW2　

2.2溫度場

爐溫及各試件測點的實測溫度隨時間變化曲線如圖5所示.圖中,x表示測點與受火面的距離.由圖5(a)可知,各試件的實際升溫段曲線和規(guī)定的ISO-834標準升溫曲線基本一致,從而證明了本試驗中溫度場的有效性.由圖5(b)～(d)可知,受火面表面鋼板溫度上升先快后緩與爐溫的升溫規(guī)律相近.背火面鋼板溫度開始升溫較緩,熄火后仍平緩增長,但總體而言溫度較低.相比于鋼板,混凝土具有極好的吸熱能力和較小的導熱能力,因而具有熱惰性,溫度上升緩慢,靠近受火面的內(nèi)部混凝土溫度較高,距受火面越遠則內(nèi)部混凝土溫度越低,從而形成了一個沿混凝土厚度方向逐步遞減的溫度場.

2.3變形

3個試件的撓度-時間曲線和軸向位移-時間曲線如圖6所示.圖中,撓度以彎向受火面為正,軸向位移以拉伸為正.軸向位移出現(xiàn)突變的原因在于,受火過程中為了保證試件受到恒定的軸向荷載,需向千斤頂增壓或減壓,這一動作導致軸向位移測量被擾動.組合剪力墻的變形過程可以分為如下3個階段:① 在受火初期,受火面溫度遠高于背火面溫度,受火面墻體膨脹變形較大,導致試件向受火面撓曲;② 隨著受火時間的不斷增加,受火面溫度越來越高,靠近受火面的鋼材和混凝土強度逐漸降低,撓曲方向逐漸由受火面向背火面轉(zhuǎn)變,出現(xiàn)負撓度,并且逐漸增大;③ 在受火后期,撓曲變形迅速增加,達到耐火極限,墻體撓度出現(xiàn)突變并迅速增大.

(a) 爐溫

(b) 試件CSW1

(c) 試件CSW2

(d) 試件CSW3

2.4耐火性能

表2給出了各試件的火災(zāi)試驗結(jié)果.由表可知,試件按耐火極限由長到短排序為:栓釘和剪力桿組合連接的剪力墻、栓釘連接的剪力墻、螺栓連接的剪力墻.導致試件CSW1耐火極限最短的原因在于:外包鋼板上存在螺栓孔,孔洞面積約占墻體總面積的2.8%,澆筑混凝土時部分水泥砂漿從螺栓孔處被擠壓出來,導致混凝土澆筑不密實,混凝土承載力降低,且螺栓孔處的混凝土空洞使得螺栓桿和混凝土的黏結(jié)效果降低;此外,外包鋼板和內(nèi)部混凝土墻體主要通過螺母的咬合力連接,而螺母處于受火面,受熱膨脹后,螺母和螺栓桿的咬合力逐漸降低直至消失,導致受火面鋼板和內(nèi)部混凝土的連接效果變差,受火面鋼板過早地屈曲而后退出工作.試件CSW2采用栓釘連接,栓釘?shù)拇箢^留在混凝土墻體中,從而增加了約束力,更好地抑制了外包鋼板的屈曲.在試件CSW3中,剪力桿代替了一部分栓釘,直接連接2片鋼板,其約束能力比栓釘強,鋼板屈曲得到更有效的限制.由此可知,不同剪力件連接的鋼板的屈曲發(fā)展以及混凝土的約束作用是不同的,對墻體的耐火極限影響明顯.

(a) 撓度-時間曲線

(b) 軸向位移-時間曲線

表2　火災(zāi)試驗結(jié)果

注:最大撓度為達到耐火極限時的撓度值；最大撓高比為最大撓度與剪力墻高度的比值.

由表2還可看出,采用不同剪力件連接的雙鋼板-混凝土組合剪力墻在達到耐火極限時的最大撓度和最大撓高比差別較小,最大撓高比均為1/40左右.

3結(jié)論

1) 3榀雙鋼板-混凝土組合剪力墻試件的破壞形態(tài)均為向背火面彎曲的整體壓彎失穩(wěn)破壞,并且伴隨著受火面鋼板墻的局部屈曲.

2) 受火面的外包鋼板發(fā)生皺褶現(xiàn)象,呈現(xiàn)波浪形彎曲,剪力件處于波谷,表明剪力件能有效抑制受火面鋼板的平面外屈曲.

3) 受火面的混凝土裂縫主要是沿剪力件布置的橫向裂縫,同時在剪力件布置處產(chǎn)生應(yīng)力集中,在火災(zāi)和軸壓共同作用下形成了發(fā)散的裂縫.栓釘和剪力桿組合連接的墻體試件中存在明顯的豎向裂縫.

4) 受火面鋼板墻溫度上升先快后緩,與爐溫升溫規(guī)律相近;而背火面鋼板溫度開始升溫較緩,熄火后仍平緩增長,但總體而言溫度較低.靠近受火面的內(nèi)部混凝土溫度較高,距離受火面越遠,內(nèi)部混凝土溫度越低,從而形成了一個沿混凝土厚度方向逐步遞減的溫度場.

5) 采用不同剪力件連接的雙鋼板-混凝土組合剪力墻的耐火極限不同,試件耐火極限由長到短依次為:栓釘和剪力桿組合連接的剪力墻、栓釘連接的剪力墻、螺栓連接的剪力墻.然而,達到耐火極限時其最大撓高比基本一致.

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Experimentalresearchonfireperformanceofconcretefilleddouble-steel-platecompositewallexposedtoone-sidefire

WeiFangfang1DuJin’e1HuXuefeng1WangYongquan2WuJing3

(1CollegeofCivilandTransportationEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China) (2CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China) (3SchoolofCivilEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)

Abstract:In order to investigate the fire performance of the concrete filled double-steel-plate (CFDSP) composite wall, three specimens with different shear connectors (bolted connection, stud connection, stud and shear rod connection) were tested under the axial compressive force and one-side ISO-834 standard fire to obtain the temperature distribution, the axial deformation, and the failure modes of the CFDSP composite walls. And the influences of the different shear connectors on the fire performance of the CFDSP composite walls were analyzed and compared. The results show that connectors can ensure the interaction work between the double-steel-plate and the infilled concrete. The failure modes of the CFDSP composite walls with different shear connectors are the same. The different shear connectors result in different effects of the fire performance of the CFDSP composite walls. The fire endurance of the CFDSP composite wall with the bolted connector is the shortest, while that of the CFDSP composite wall with the stud and shear rod connector is the longest.

Key words:concrete filled double-steel-plate (CFDSP) composite wall;fire endurance;fire performance;failure mode

DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.011

收稿日期:2015-09-11.

作者簡介:韋芳芳(1978—),女,博士,副教授,fangfang.wei@139.com.

基金項目:國家自然科學基金資助項目(51409084)、江蘇省自然科學基金資助項目(BK20130845).

中圖分類號:TU392

文獻標志碼:A

文章編號:1001-0505(2016)03-0518-05

引用本文: 韋芳芳，杜金娥,胡雪峰,等.單面受火雙鋼板-混凝土組合剪力墻的耐火性能試驗研究[J].東南大學學報(自然科學版),2016,46(3):518-522.DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.011.