王若冰, 李忠誠(chéng), 許海濤, 周 鋒

(1 核電安全監(jiān)控技術(shù)與裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳 518172；2 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092)

0 引言

鋼板混凝土(steel-plate composite,SC)結(jié)構(gòu)主要由內(nèi)嵌或外包的鋼板和混凝土構(gòu)成,具有承載力高、延性好、抗爆抗沖擊能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),抗震性能卓越[1],20世紀(jì)80年代由日本首先提出[2]。經(jīng)多年發(fā)展,多國(guó)已頒布其核電應(yīng)用的設(shè)計(jì)規(guī)范,包括美國(guó)的AISC N690[3]、日本的JEAG 4618[4]、韓國(guó)的KEPIC-SNG[5]和中國(guó)GB 51340[6]等。

我國(guó)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[7]對(duì)不同軸壓比、抗震等級(jí)的剪力墻構(gòu)件規(guī)定了不同的構(gòu)造要求,雖然加強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)區(qū)的強(qiáng)度,但無(wú)法應(yīng)用于SC結(jié)構(gòu)。為此,本文對(duì)SC-RC墻一字型節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能進(jìn)行研究,探究不同的連接構(gòu)造對(duì)節(jié)點(diǎn)性能影響。設(shè)計(jì)了4個(gè)懸挑梁試件,受力簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1,SC-RC連接面產(chǎn)生的內(nèi)力包括面外彎矩(HL1)和剪力(H),其數(shù)值與SC墻體和RC墻體最不利截面上的內(nèi)力相同。

圖1 一字型對(duì)接墻連接節(jié)點(diǎn)試件受力分析

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)研究對(duì)象為SC-RC一字型對(duì)接墻連接節(jié)點(diǎn),為探究墻體剪跨比L1/T對(duì)試件破壞模式的影響(L1為計(jì)算截面跨度,T為墻厚),設(shè)計(jì)了1600mm和3000mm兩種試件長(zhǎng)度,H1600試件剪跨比為1.08,傾向于發(fā)生剪切破壞;H3000試件剪跨比為2.25,傾向于發(fā)生彎曲破壞。對(duì)于H1600試件,RC墻體縱筋伸入SC墻體后牢固焊接于SC墻體端板,構(gòu)造D1和D2分別表示交界面有無(wú)抗剪鍵(2個(gè)輕工I10,伸入SC和RC長(zhǎng)度均為200mm)。對(duì)于H3000試件,構(gòu)造D3和D4分別表示RC墻體縱筋伸入SC墻體長(zhǎng)度40d=1280mm(d為鋼筋直徑)后在SC墻體內(nèi)有無(wú)設(shè)置錨固板,兩種構(gòu)造中SC墻體與RC墻體交界面均設(shè)置抗剪鍵。4個(gè)SC-RC一字型對(duì)接墻連接節(jié)點(diǎn)試件信息見(jiàn)表1,SC墻體截面構(gòu)造信息見(jiàn)表2,構(gòu)造見(jiàn)圖2。RC墻鋼筋由分布鋼筋和拉筋組成,分布鋼筋中的縱筋為432鋼筋,橫筋為間距200mm的32鋼筋,垂直分布的拉筋為間距200mm的14鋼筋。

表1 一字型對(duì)接墻連接節(jié)點(diǎn)試件

表2 一字型對(duì)接墻連接節(jié)點(diǎn)SC墻截面構(gòu)造信息

圖2 一字型對(duì)接墻連接節(jié)點(diǎn)試件示意圖

1.2 材料力學(xué)性能

試件材料采用C30普通混凝土,Q235B鋼板,HRB400鋼筋和SWRCH15/18A栓釘?；炷吝M(jìn)行軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),采用同濟(jì)大學(xué)建筑工程系“邦威”力學(xué)試驗(yàn)機(jī)加載,測(cè)得混凝土養(yǎng)護(hù)106d后立方體抗壓強(qiáng)度為34.7MPa,養(yǎng)護(hù)119d后立方體抗壓強(qiáng)度為34.8MPa;鋼部件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)材性單軸拉伸試驗(yàn),采用同濟(jì)大學(xué)建筑工程系“邦威”力學(xué)試驗(yàn)機(jī)加載,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3;SWRCH15/18A栓釘?shù)牟男栽囼?yàn)委托浙江國(guó)檢檢測(cè)技術(shù)股份有限公司進(jìn)行,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 鋼部件材性試驗(yàn)結(jié)果

表4 栓釘材性試驗(yàn)結(jié)果

1.3 加載方案

根據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》(JGJ 101—1996)[8],采用力-位移聯(lián)合控制的方式進(jìn)行滯回加載,每級(jí)3圈。采用同濟(jì)大學(xué)建工系試驗(yàn)室臺(tái)座系統(tǒng)進(jìn)行加載,加載裝置見(jiàn)圖3、4,試件加載端使用200t電液伺服作動(dòng)器施加豎向往復(fù)荷載,試驗(yàn)加載制度見(jiàn)圖5。

圖3 H1600系列試件裝配示意圖

圖4 H3000系列試件裝配示意圖

圖5 試驗(yàn)加載制度

試驗(yàn)前需進(jìn)行有限元預(yù)分析以及理論公式計(jì)算,預(yù)測(cè)單調(diào)加載時(shí)節(jié)點(diǎn)的峰值荷載Hn。有限元預(yù)分析中混凝土強(qiáng)度按照文獻(xiàn)[9]取值。首先用力控制,以0.25Hn為一級(jí),每一級(jí)循環(huán)2次直至0.75Hn。讀取0.75Hn級(jí)的第一次循環(huán)達(dá)到的最大位移δ0.75Hn,據(jù)此計(jì)算位移控制階段第一級(jí)的加載位移δn=1.33δ0.75Hn。此后以0.5δn的增量進(jìn)行位移加載,每一級(jí)循環(huán)3次。當(dāng)側(cè)向荷載降至峰值荷載的85%以后或試件變形導(dǎo)致豎向作動(dòng)器無(wú)法穩(wěn)定加載時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。

1.4 測(cè)試方案

試驗(yàn)中采用單向應(yīng)變片、應(yīng)變花、位移計(jì)來(lái)測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中的應(yīng)力、位移等關(guān)鍵數(shù)據(jù),以供后續(xù)計(jì)算分析。各試件的測(cè)點(diǎn)布置數(shù)量見(jiàn)表5,位移計(jì)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖6,各個(gè)位移計(jì)的布設(shè)位置、方向及用途見(jiàn)表6,應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖7,各個(gè)應(yīng)變片的布設(shè)位置、方向及用途見(jiàn)表7。

表5 各試件的測(cè)點(diǎn)布置數(shù)量

表6 各位移計(jì)的位置及用途

表7 應(yīng)變片的位置及用途

圖6 一字型對(duì)接墻連接節(jié)點(diǎn)試件位移計(jì)布置示意

2 試驗(yàn)現(xiàn)象和破壞機(jī)理分析

2.1 節(jié)點(diǎn)各工況綜合受力典型記錄

試件H1600-D1:SC-RC交界面上設(shè)置抗剪鍵。荷載較小時(shí),材料均處于彈性階段,混凝土未開(kāi)裂;當(dāng)荷載達(dá)220kN時(shí),SC-RC交界面附近RC墻出現(xiàn)彎曲裂紋;荷載增大至330kN,RC墻出現(xiàn)斜裂縫,支座段出現(xiàn)豎向裂縫;隨后,RC墻斜裂縫繼續(xù)發(fā)展,當(dāng)荷載加至約430kN時(shí),SC墻段出現(xiàn)彎剪裂紋;很快RC墻斜裂縫貫通,SC墻段斜裂縫明顯,支座段豎向裂縫增多,荷載達(dá)到峰值約620kN后開(kāi)始下降;加載端位移繼續(xù)增大,RC墻斜裂縫明顯拓寬,混凝土損傷較大;然后,RC墻混凝土雙向剪切破壞脫落,SC-RC交界面由于抗剪鍵的存在而相對(duì)完好,最終破壞狀態(tài)見(jiàn)圖8(a)。

相較試件H1600-D1,試件H1600-D2在SC-RC墻體交界面不設(shè)抗剪鍵。與試件H1600-D1類(lèi)似,荷載達(dá)220kN時(shí),交界面附近RC墻出現(xiàn)彎曲裂紋并沿交界面貫通;荷載增大至330kN,RC墻出現(xiàn)斜裂縫,支座段出現(xiàn)豎向裂縫;隨后,RC墻斜裂縫繼續(xù)發(fā)展,當(dāng)荷載加至約450kN時(shí),SC墻段出現(xiàn)彎曲裂紋;與試件H1600-D1類(lèi)似,荷載增大到500kN以上時(shí),試件H1600-D2的RC墻斜裂縫貫通拓寬,SC墻段斜裂縫明顯,不同之處在于,由于缺乏抗剪鍵,試件H1600-D2沿SC-RC交界面的豎向裂縫增多拓寬,荷載達(dá)到峰值約590kN后開(kāi)始下降,承載力相比試件H1600-D1略小;當(dāng)加載端位移繼續(xù)增大,RC墻斜裂縫明顯拓寬,交界面脫開(kāi),混凝土損傷較大;然后,交界面混凝土破壞嚴(yán)重,RC墻混凝土雙向剪壞掉落,最終破壞狀態(tài)見(jiàn)圖8(b)。

試件H3000-D3:RC墻體縱筋伸入SC墻體40d后焊接于內(nèi)設(shè)錨固板。荷載較小時(shí),混凝土未開(kāi)裂;當(dāng)荷載達(dá)到190kN時(shí),RC墻及中間支座段出現(xiàn)數(shù)道彎曲裂紋;荷載增大至285kN時(shí),RC墻彎剪裂縫增多擴(kuò)展,中間支座段豎向裂縫貫通,SC墻段出現(xiàn)彎曲裂紋;隨后,RC墻裂縫繼續(xù)發(fā)展,中間支座段裂縫較大,SC-RC交界面脫開(kāi),荷載變化不大;隨后,SC-RC交界面脫開(kāi)量明顯增大,RC墻變形明顯,交界面附近混凝土碎裂,大面積掉落,鋼筋裸露,荷載隨之大幅下降,可發(fā)現(xiàn)RC墻縱筋變形明顯,最終破壞狀態(tài)見(jiàn)圖8(c)。

相較于試件H3000-D3,試件H3000-D4 RC墻體縱筋伸入SC墻體40d后沒(méi)有設(shè)置錨固板構(gòu)造。與H3000-D3類(lèi)似,當(dāng)荷載達(dá)到190kN時(shí),RC墻及中間支座段出現(xiàn)數(shù)道彎曲裂紋;荷載增大至285kN時(shí),RC墻彎剪裂縫增多擴(kuò)展,中間支座段豎向裂縫貫通,SC墻段出現(xiàn)彎曲裂紋;隨后,加載端位移增加,但荷載下降不明顯,RC墻與SC墻裂縫繼續(xù)發(fā)展,中間支座段裂縫擴(kuò)大,SC-RC交界面脫開(kāi)量明顯增大,RC墻混凝土掉落,SC墻裂縫增多;滯回加載導(dǎo)致混凝土損傷逐漸累積,交界面附近RC墻混凝土碎裂拱出,破壞嚴(yán)重,荷載下降,最終破壞狀態(tài)見(jiàn)圖8(d)。

2.2 傳力機(jī)理和破壞模式

試件承受面外彎矩和剪力:SC墻體上下兩側(cè)鋼板承擔(dān)彎矩,混凝土及對(duì)拉槽鋼承擔(dān)剪力;RC墻體上下兩側(cè)縱筋承擔(dān)彎矩,混凝土及拉筋承擔(dān)剪力。試件變形包括彎曲和剪切兩部分。

隨著荷載的增大,RC墻體受拉側(cè)混凝土率先開(kāi)裂,此時(shí)縱筋拉應(yīng)變顯著增大,中性軸逐漸向受壓區(qū)偏移;同時(shí)剪力使RC墻體混凝土產(chǎn)生明顯的剪切斜裂縫。相較于RC墻體,SC混凝土開(kāi)裂程度明顯較輕,且開(kāi)裂時(shí)間較晚。隨著RC墻體混凝土裂縫的開(kāi)展,SC-RC連接區(qū)也出現(xiàn)了豎向裂縫。

最終,試件H1600-D1和H1600-D2中RC墻體的縱筋和拉筋均屈服,試件表現(xiàn)為彎剪破壞;試件H3000-D3和H3000-D4的RC墻體縱筋率先屈服,混凝土剪切斜裂縫開(kāi)展程度較H1600系列試件明顯減輕,試件表現(xiàn)為彎曲破壞。所有試件中,SC墻體均未發(fā)生破壞,SC-RC連接界面均未見(jiàn)錯(cuò)動(dòng),RC縱筋均未見(jiàn)拔出。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 荷載-應(yīng)變曲線(xiàn)

荷載-位移曲線(xiàn)上的縱坐標(biāo)為試件端部加載點(diǎn)荷載,讀取200t作動(dòng)器上傳感器的讀數(shù),記為P,正值表示壓力,負(fù)值表示拉力。橫坐標(biāo)為應(yīng)變變化量,應(yīng)變均為鋼構(gòu)件上應(yīng)變片的讀數(shù),拉應(yīng)變?yōu)檎?壓應(yīng)變?yōu)樨?fù)。應(yīng)變片量程有限,一般在彈性應(yīng)變范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定,必要時(shí)會(huì)選取彈性段的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)各試件的荷載-應(yīng)變曲線(xiàn),得到以下規(guī)律:1)彎矩作用下,由于混凝土拉壓性能不同,受拉一側(cè)鋼板或鋼筋應(yīng)變總是大于受壓另一側(cè)鋼板或鋼筋的應(yīng)變值;2)對(duì)于試件H3000,在RC鋼筋錨固范圍內(nèi)遠(yuǎn)離交界面的截面上,鋼板與鋼筋應(yīng)變相差不大,說(shuō)明該處應(yīng)變協(xié)調(diào),40d的錨固長(zhǎng)度滿(mǎn)足SC-RC一字墻型連接要求;3)RC拉筋與SC拉結(jié)構(gòu)件大多以受拉為正常工作狀態(tài),說(shuō)明它們通過(guò)阻止混凝土受剪后向外膨脹發(fā)揮抗剪作用;4)抗剪鍵在各試件中受力均不大,且主要產(chǎn)生垂直截面方向的正應(yīng)力,為截面提供了一部分抗彎承載力。抗剪鍵的抗剪功能主要通過(guò)銷(xiāo)栓作用實(shí)現(xiàn),在其長(zhǎng)度范圍內(nèi)可保持SC-RC交界面的相對(duì)完整性。

3.2 骨架曲線(xiàn)

由位移計(jì)測(cè)得試件加載端豎向位移,取試件加載端兩個(gè)豎向位移計(jì)(D1和D2)讀數(shù)的平均值記為Δ。提取4個(gè)面內(nèi)加載試件的骨架曲線(xiàn)見(jiàn)圖9,由圖9可知:

圖9 試件的骨架曲線(xiàn)

(1)試件H1600-D1加載端荷載-位移曲線(xiàn)與普通鋼筋混凝土梁相似。加載初期,試件H1600-D1滯回曲線(xiàn)基本為直線(xiàn),結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段;當(dāng)位移加至約22mm時(shí),滯回曲線(xiàn)出現(xiàn)拐點(diǎn),并進(jìn)入一個(gè)較為穩(wěn)定的平直段,這是RC墻鋼筋進(jìn)入屈服平臺(tái)造成的;隨后,滯回曲線(xiàn)逐漸下降,并呈現(xiàn)出捏縮滑移特點(diǎn),這是由于往復(fù)加載過(guò)程中混凝土所受剪力接近斜截面抗剪承載力,裂縫不斷張開(kāi)閉合導(dǎo)致?lián)p傷累積,混凝土逐漸退出工作,從而削弱了結(jié)構(gòu)的承載能力和耗能能力。

(2)試件H1600-D2和H1600-D1的荷載-位移曲線(xiàn)從形狀看非常相似,但相比試件H1600-D1,試件H1600-D2由于缺乏抗剪鍵,承載力稍低。

(3)隨荷載不斷增大,混凝土開(kāi)裂導(dǎo)致試件剛度不斷下降,骨架曲線(xiàn)斜率逐漸減小并在試件喪失承載力后轉(zhuǎn)為負(fù)值。

(4)試件在兩種不同方向水平荷載作用下的承載能力、變形能力基本相同,作動(dòng)器拉力作用下的水平承載力較作動(dòng)器推力作用的水平承載力略低。其主要原因可能是:同一級(jí)別水平荷載施加時(shí)均先施加推力,推力對(duì)墻體試件造成一定程度損傷后再反向施加拉力,因此相應(yīng)承載力會(huì)略微減小。

3.3 承載能力與延性指標(biāo)

骨架曲線(xiàn)特征點(diǎn)包括屈服點(diǎn)D、峰值點(diǎn)E和極限點(diǎn)F,圖中峰值點(diǎn)E可直接獲得,極限點(diǎn)F定義為骨架曲線(xiàn)承載力下降至85%峰值荷載對(duì)應(yīng)的點(diǎn)。試件屈服點(diǎn)可用圖10所示的作圖法確定[10]。一字型對(duì)接墻連接節(jié)點(diǎn)試件承載力見(jiàn)表8,延性指標(biāo)見(jiàn)表9。

表8 一字型對(duì)接墻連接節(jié)點(diǎn)試件承載力

表9 一字型對(duì)接墻連接節(jié)點(diǎn)試件延性指標(biāo)

圖10 作圖法確定骨架曲線(xiàn)的特征點(diǎn)

4 結(jié)論

(1)SC-RC一字型對(duì)接墻連接試件承受剪力和彎矩共同作用,SC墻體上下兩側(cè)鋼板承擔(dān)彎矩,混凝土及對(duì)拉槽鋼承擔(dān)剪力;RC墻體上下兩側(cè)縱筋承擔(dān)彎矩,混凝土及拉筋承擔(dān)剪力。

(2)試件均先后出現(xiàn)了RC墻體受拉側(cè)混凝土開(kāi)裂、RC墻體混凝土產(chǎn)生斜裂縫、SC混凝土輕微開(kāi)裂、SC-RC連接區(qū)產(chǎn)生豎向裂縫等現(xiàn)象。最終,H1600-D1和H1600-D2試件中RC墻體中縱筋和拉筋均屈服,試件表現(xiàn)為彎剪破壞;試件H3000-D3和H3000-D4試件RC墻體縱筋率先屈服,混凝土剪切斜裂縫開(kāi)展程度較H1600系列試件明顯減輕,試件表現(xiàn)為彎曲破壞。所有試件中,SC墻體均未發(fā)生破壞,SC-RC連接界面均未見(jiàn)錯(cuò)動(dòng),RC縱筋均未見(jiàn)拔出。

(3)各試件的荷載-位移曲線(xiàn)與普通鋼筋混凝土梁類(lèi)似,呈現(xiàn)出明顯的捏攏效應(yīng),滯回圈不夠飽滿(mǎn)。承載力方面,H1600試件高于H3000試件,配有抗剪鍵的H1600-D1試件略高于無(wú)抗剪鍵的H1600-D2試件,設(shè)置端錨措施的H3000-D3試件略高于未設(shè)端錨措施的H3000-D4試件;延性方面,H3000試件優(yōu)于H1600試件,無(wú)抗剪鍵的H1600-D2試件優(yōu)于配有抗剪鍵的H1600-D1試件,未設(shè)端錨措施的H3000-D4試件優(yōu)于設(shè)置端錨措施的H3000-D3試件。

(4)對(duì)于H1600試件,抗剪鍵構(gòu)造能有效保護(hù)SC-RC交界面,保持連接面的相對(duì)完整性,對(duì)提高連接強(qiáng)度效果有限;對(duì)于H3000試件,RC縱筋伸入SC的錨固長(zhǎng)度40d是足夠的,端錨措施可略微提高承載力。