閉口型組合樓板縱向剪切承載性能的試驗研究

王元清,成鐘壽,石永久,奧曉磊

(1.清華大學土木工程系土木工程安全與耐久教育部重點實驗室,北京10008;2.北京市建筑設計院,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。但因為兩者之間的粘接作用相當復雜,還沒有理想的設計計算方法。因此目前的組合板設計方法都通過足尺試驗或小塊推出試驗獲得相關承載力。中國可以參考《鋼 混凝土組合樓蓋結構設計與施工規程(YB 9238-92)》進行組合板的承載性能計算,規范中縱向承載性能采用系數α,如式(1)所示:

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

文獻[5]對12塊閉口型壓型鋼板Bardek進行了試驗研究。結果表明,組合板的破壞形狀與剪跨比有關,對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[6-8]也對類似的閉口型壓型鋼板BondekⅡ進行了試驗研究,獲得了相應的承載力計算系數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[9]對11塊閉口型壓型鋼板混凝土組合板YJ 660-720進行了試驗研究,獲得相應的m、k系數。結果表明在組合板中設置的栓定能提高壓型鋼板和混凝土縱向剪切粘接承載力,在剪跨內設置一定的箍鋼對承載力有效大的提高。

該文對百安力公司的新型壓型鋼板Econdek65-675進行試驗,采用m-k方法驗證組合板的承載性能。主要試驗內容包括,組合板的縱向剪切-粘結能力、試件板的剪跨比的影響、破壞形式、靜力荷載與預循環荷載作用下的撓度特征等。

1 試驗研究

1.1 試驗概要

試驗目的是測試壓型鋼板組合樓板的剪切-粘結(縱向抗剪)性能,依據歐洲標準4中對組合樓板測試的相關規定,測量組合樓板極限承載力,通過數值處理得出計算組合樓板縱向剪切承載力的經驗系數m和k。主要試驗參數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

1.2 試件與測點布置

在每塊組合板的加載位置處布設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Φ8@150mm×150mm,以模擬實際工程情況;最后澆筑C30混凝土,同時澆筑36個邊長150mm的正方體混凝土立方體,以測試混凝土的實際強度(圖2(a))。在組合樓板壓型鋼板的底部,布置了電阻應變計,測量壓型鋼板2個截面(跨中截面和加載點截面)在不同位置的應力,用導線引到外面,接到應變分析儀上讀取應變值(圖2(b))。位移傳感器的測量點位于組合樓板跨中,測量跨中相對于地面的位移。在組合樓板的兩端部,分別裝上2個位移百分表,測量混凝土相對于壓型鋼板的位移(圖2(c))。

圖2 應變片與端部位移計布置圖

1.3 加載方法

試驗的加載方式如圖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,由荷載傳感器測量。荷載施加在板跨的2個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:使用控制臺對樓板進行加載。對試件逐漸加壓,根據破壞荷載量級每級10 kN或5 kN不等,每級停留時間為1min,在此時間內撓度不再增加時進行下一級加載。直至荷載傳感器的數值不再增加時停止加載。當千斤頂傳感器的數值達到最大值(W t)時,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加載幅度對樓板循環加載,循環次數為5 000次。然后對樓板進行逐級加壓,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。每組試件測試完畢后,用萬能壓力機測試混凝土立方體的強度。

2 試驗結果及分析

2.1 破壞特征

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

1)對于A組試件:不論長短跨,均出現不同程度的壓型鋼板與混凝土剝離,短跨樓板在端部出現非常明顯的外翻(圖4(b)),混凝土樓板完全顯露;長短跨板均出現一定量的滑移,滑移程度相近,但短跨端部的滑移兩側較為接近,長跨其中一側會明顯偏大。

2)對于B組試件:樓板端部側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;短跨兩端滑移出現一定的不對稱,長跨兩端滑移嚴重不對稱,破壞時其中一側滑移量明顯較另一側小(圖4(c))。

3)對于C組試件:混凝土樓板的若干裂縫出現在加載處,開始時豎向發展,后期斜向發展;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,另一側變化不明顯;厚板較薄板破壞滑移大,短跨板兩側滑移較為相近,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時荷載的10%,則判斷它為脆性。根據這個原則,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系

圖6為3組試件荷載與樓板跨中撓度的關系,從圖中可以看出;

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

2)循環加載后,試件留有一定的殘余撓度,這是因為循環加載后在鋼板和混凝土板之間化學粘接力消失了,剪跨比大的試件表現得更為突出。

圖6 不同試件荷載-端部滑移關系曲線比較

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。利用試驗結果及組合板幾何參數進行線性回歸分析可以得到2方法的m、k值。計算方法見式(2)和圖7;

圖7m、k計算方法示意圖

計算m、k值時,由于試驗數據的離散型,EC4和ASCE分別采用10%、15%的折減系數,結果可見表4。

表4 經驗系數(m、k)計算結果

根據上面的對比結果可以得到如下結論:

1)從表4可知,試驗數據擬合時,隨著混凝土板厚度的增加,其偏差越大,A組和B組的擬合結果較好,但C組結果的離散性很大,C組試件的相關系數已經超過了可靠離散范圍。

2)從圖8可知,歐洲規范對各組試件呈現了9.2%的誤差,根據ASCE規范的計算結果呈現了12.3%的誤差。與ASCE計算結果相比,歐洲規范計算結果較為準確。采用歐洲規范的縱向承載力計算公式對 Econdek65-675的縱向剪切承載能力如下;

式中1.25為安全系數。

圖8 實測極限結果跟理論計算結果對比

3.2 與其他類似組合板對比

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

2)隨著壓型鋼板截面的變化,m、k值也會有所改變。即使同樣截面尺寸的組合板進行試驗,其m、k值也會有不同的結果。如表5中的參考文獻[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。這可認為,文獻[6-7]中的試件數量大于6,而在文獻[6]試驗組合板中只采用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[6-8]的 BondekⅡ相比有較大的差別?？梢哉J為BondekⅡ上布置的壓痕影響了組合板的極限承載力。

4 結論

1)試驗結果表明,由于板端部沒有布置栓釘等抗剪構件,在所有的試件中都發生了縱向剪切破壞。在施工中,為保證2種材料的組合作用,應布置如栓釘等的端部連接件。

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

3)與類似的組合板相比,現行的m-k方法由于試驗條件、試件數量和剪跨比等試驗參數的不同,在結果上會有較大的偏差。為節約新型壓型鋼板試驗成本、減少實行錯誤等,中國需要統一標準的試驗方法和更正確的理論模型。

[1]REDZUAN ABDULLAH,W SAMUEL EASTERLING.Determination of compositEslab strength using a new elemental testmethod[J].Structural Engineering,2007,133(9):1268-1277.

[2]ROGER PJOHSON.Models for thElongitudinal shear resistancEof compositEslabs,and thEusEof nonstandard test data[C]//5th International ConferencEon CompositEConstruction in Steel and ConcretEV,South Africa,2006:157-165.

[3]MARCIUKAITIS G,JONAITIS B,VALIVONIS J.Analysis of deflection of com positEslabs with profiled sheeting uPto thEultimatemoment[J].Constructional Steel Research,2006,62:820-830.

[4]REDZUAN ABDULLAH,Experimental evaluation and analyticalmodeling of shear bond in compositEslabs[D].Blacksburg:Univ.of Virginia,2004.

[5]聶建國,易衛華.閉口型壓型鋼板-混凝土組合板的縱向受剪性能[J].工業建筑,2003,33(12).NIEJIAN-GUO,YI WEI-HUA.Longitudinal shearing behavior of closed profiled sheeting concretEcompositEslab[J].Industrial Construction,2003,33(12):15-18.

[6]楊文平,楊勇.閉口型壓型鋼板-混凝土組合板承載力試驗研究[J].建筑科學,2008,24(5):37-42.YANG WEN-PING,YANG YONG.Experimental study on bearing capacity of compositEslabs with closed profiled steel sheeting[J].Building Science,2008,24(5):37-42.

[7]黃亮.縮口型壓型鋼板-混凝土組合樓板的試驗研究[D].北京:清華大學,2005.

[8]左瑩.壓型鋼板-混凝土組合板的研究[D].北京:清華大學,2007.

[9]康眾舉,張興虎,史慶軒,等.閉口型壓型鋼板-混凝土組合樓板剪切粘結承載力試驗研究[J].浙江建筑,2007,24(4):15-18.

[10]劉莉媛,施剛,石永久,等.壓型鋼板-混凝土組合板的受力性能及其計算[C]//鋼結構工程研究(七)-中國鋼結構協會結構穩定與疲勞分會2008年學術交流會論文集,沈陽,2008:174-180.

[11]MARIMUTHU V,SEETHARAMAN S,ARUL JAYACHANDRAN S,et al.Experimental studies on compositEdeckslabs to determinEthEshear-bond characteristic(m-k)values of thEembossed profiled sheet[J].Contructional Steel Research,2007,63:791-803.

[12]JEONG YOUN-JU,KIM HYEONG-YEOL,KOO HYUN-BON.Longitudinal shear resistancEof steelconcretEcompositEslabs with perfobond shear connectors[J].Constructional Steel Research,2009,65:81-88.

[13]KIM Y J,CHAI H S,KIM W J.A study of thEexperimental for thEshear bond strength of deckplatEcomositEslabs[C]//60thYear Anniversary of ArchitecturEInstitutEof Korea,South Korea,2005,25(1):237-240.

[14]成鐘壽,王元清,石永久.中韓壓型鋼板-混凝土組合樓板規程比較[J].低溫建筑技術,2010(2):10-12.SUNG JS,WANG Y Q,SHI Y J.Comparison on thEdesign codEof compositEsteel deckslab in china and south korea[J].Low TemperaturEArchitecturETechnology,2010(2):10-12.

[15]Eurocode4,Design of CompositESteel and ConcretEStructures,Part 1.1,General Rules and Rules for Buildings.ENv1994-1-1[S].1994.

[16]ANSI/ASCE3-19,American Society of Civil Engineer Standard for thEStructual Design of CompositESlabs[S].1992.