軸壓作用下鋼板混凝土連接栓釘受力性能試驗研究

王振清 常哲 張昊 揣君

摘 要：在新型地下糧倉中，防水、防潮是安全儲糧的一大難題，鋼板混凝土組合結構可將防水與受力一體化。試驗表明，在合適的栓釘布置下鋼板與混凝土能共同工作，解決工程中的安全問題;在非主要受力方向上栓釘受力較為一致;用有限元模型模擬了鋼板混凝土板的變形，有限元模擬的結果與試驗結果接近。

關鍵詞：新型地下糧倉;鋼板混凝土;栓釘;有限元

Abstract：In the new underground granary， waterproof and moisture-proof is a major problem in safe grain storage. The stee-concrete composite structure can integrate waterproofing and stress. The test shows that the steel plate and the concrete can work together under the proper stud arrangement， which can solve the safety problem in the project; the stress of the stud is more consistent in the direction of non-main force; the deformation of the steel slab is simulated by the finite element model. The results of the finite element simulation are close to the experimental results.

Key words：New underground granary; Steel reinforced concrete; Stud; Finite element

中圖分類號：TU761.1+1

已建舊地下糧倉大多采用磚砌結構，倉容較小，選址多在水位低，土質可塑性較好的區域，地處偏遠山區或城市郊區。新型地下糧倉具有能實現低溫儲糧、保持糧食品質、抑制蟲害、節約土地和能源等優點。但新型地下糧倉防水、防潮是一大技術難題，將單面鋼板混凝土組合結構用于新型地下糧倉中，采用內襯鋼板防水，將結構防水與受力一體化，如圖1所示。在實際工程中單面鋼板混凝土組合板已經廣泛應用于組合加固和軌道橋梁[1-2]等方面，當作為抗剪構件時如何計算單面鋼板混凝土組合板中鋼板與混凝土分別承擔的剪力，且準確地反映鋼板和混凝土材料性能以及界面的剪力連接程度等對組合板構件產生的影響成為抗剪加固工程中亟需解決的問題[3]。

圖1 鋼板混凝土地下糧倉示意圖

單面鋼板混凝土組合結構是由鋼材和混凝土兩種不同性質的材料經組合而成。是鋼和混凝土兩種材料的合理組合，充分發揮了鋼材抗拉強度高、塑性好和混凝土抗壓性能好的優點。它構造簡單，無需支模，具有良好的應用前景，在建筑及地下糧倉中得到應用[4-6]。

地下倉中防水防潮是難題，鋼板混凝土組合結構將防水與受力一體化。圓形地下倉倉壁外側主要受水壓力與土壓力的作用，根據圓柱薄殼理論，其內力主要為環向軸壓力，試驗研究選取計算單元，即用單塊鋼板混凝土試件來進行軸向壓力作用下鋼板混凝土倉壁的受力性能試驗。實驗表明[7-9]，在軸向荷載作用下，組合結構主要發生組合板整體失穩和栓釘間距范圍內鋼板失穩現象。聶建國[10]等對鋼-混凝土組合板在單向受壓狀態下的穩定性進行了深入研究，推導得出組合板在軸向受壓狀態下混凝土板最小厚度和兩個方向栓釘最大間距的限制要求。吳麗麗[11]通過對四邊簡支鋼-混凝土組合板的彈性局部剪切屈曲進行分析，得出栓釘的最大間距是防止鋼板局部屈曲先于整體屈曲的一個非常關鍵因素，推導出四邊簡支板栓釘連接最大間距。張有佳[12-13]對雙面鋼板混凝土剪力墻進行了軸壓受力性能有限元分析，采用實體單元模擬栓釘，在彈塑性階段栓釘根部受力最大，栓釘根部抗剪是其主要受力形式;當試件達到極限荷載時，栓釘仍處于彈性階段。趙潔[14]對鋼板混凝土組合梁的非線性有限元分析，得出設計時可通過對栓釘的抗剪承載力進行折減來保證鋼板-混凝土組合梁能夠達到彎曲破壞形態。綜上，國內外對單面鋼板混凝土在受壓狀態下栓釘研究較少，本文主要研究在軸力作用栓釘的布置是否合適及計算方法，為工程應用提供服務。

1 材料與方法

1.1 試驗試件與材料

1.1.1 試驗試件

根據實際工程，內徑25 m，倉壁（混凝土厚度300 mm，鋼板10 mm）;因弧度較小，以直代曲，按1∶1制作試件。試件尺寸長2.2 m，寬1 m，混凝土厚300 mm，鋼板厚10 mm，試驗中設計單面鋼板混凝土組合板試件，栓釘在水平方向上間距為150 mm，豎向上間距為200 mm;試件的幾何參數見圖2。

1.1.2 材料性能

試件所用鋼板的型號為Q345B，混凝土的強度等級為C40，共制作了3塊150 mm×150 mm×150 mm的標準試塊，在同等條件下進行養護，對標準試塊進行抗壓實驗，其結果為41.3 Mpa。

1.2 試件加載及裝置

加載裝置采用長柱試驗機，加載示意圖如圖3a，圖3b為試驗加載裝置。

1.3 測點布置及測量

測點布置如圖4所示，試驗過程中采用動態信號測試分析系統實時記錄加載過程中的應變數據。

2 結果與分析

2.1 栓釘應變變化

2.1.1 栓釘附近、兩個栓釘間、四個栓釘間應變變化

根據圖5軸力與應變的關系圖可知，受壓方向栓釘附近、跨中及四個栓釘間的應變值隨著軸壓力的增大，壓應變也增大，且變化的趨勢基本一致，應變值也比較接近，鋼板變形較為一致。這樣布置栓釘可很好的連接鋼板與混凝土，使其共同工作。

2.1.2 栓釘上應變變化

如圖6所示，鋼板與混凝土組合板結構在受到軸壓作用時，隨著軸壓力的增加可能會發生偏心受壓的現象，C4、C5栓釘上應變為壓應變，應變片在栓釘上是沿著栓釘的方向貼。隨著軸力的增大，鋼板混凝土發生壓彎變形，混凝土板的變形比鋼板的變形大，栓釘的作用是使鋼板與混凝土一起工作，在非主要受壓方向上栓釘變形較為一致。

圖5 栓釘附近、兩個栓釘間、四個栓釘間軸壓力與應變關系圖

圖6 栓釘力與應變關系圖

2.2 有限元模擬

2.2.1 基本參數

混凝土與鋼板采用ABAQUS中彈性模型，因為在實驗過程中經過分析兩者仍處于彈性階段。混凝土的彈性模量為2.06×104 MPa，泊松比為0.2;鋼板的彈性模量為3.1×105 MPa，泊松比為0.3。使用ABAQUS中的結構化網格劃分技術，將每個網格劃分成規則的立方體，然后輸入網格密度，最后得到規則的六面體，可以得到較好的計算精度與速度。試件的頂端采用固結的形式。通過在相互作用中建立彈簧單元來模擬鋼板與混凝土之間的栓釘，鋼板與混凝土在栓釘處不分離，可一起協調工作，彈簧剛度取常量，有限元模型如圖7所示。

2.2.2 有限元分析與試驗對比

在沿加載方向上應變實驗與有限元分析對比，如圖8所示。試件的數值模擬結果與實驗符合較好。在沿著加載方向上并未發生鋼板彈性局部屈曲的現象，這樣布置的栓釘間距可很好的滿足工程中的安全需要。

圖7 有限元模型圖

圖8 沿主要受力方向上應變有限元與試驗對比圖

3 結語

在單鋼板-混凝土構件軸心抗壓條件下，對鋼板混凝土連接栓釘及鋼板（兩栓釘間、四栓釘間）進行了研究，并得出以下主要結論：①栓釘在鋼板混凝土組合結構中主要作用為抗剪，在非加載方向上栓釘變形較為一致。②通過對四個栓釘、兩個栓釘間及栓釘附近受力試驗研究，在這種布置下的栓釘可以很好的連接鋼板與混凝土，使其共同工作。③通過有限元與試驗結果對比，利用有限元所選用的基本參數，可以較好的模擬出鋼板混凝土板的靜力加載過程。

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