地下糧倉鋼-混組合倉壁豎向節(jié)點受彎性能分析

張 昊，元玲玲，孟慶婷，揣 君，諶 磊，王宏愷

地下糧倉鋼-混組合倉壁豎向節(jié)點受彎性能分析

張 昊1，元玲玲1，孟慶婷2※，揣 君2，諶 磊1，王宏愷1

（1. 河南工業(yè)大學土木工程學院，鄭州 450001；2. 河南工業(yè)大學設計研究院，鄭州 450001）

裝配式鋼-混組合地下糧倉具有節(jié)能、低損、保障糧食品質的優(yōu)點，但鋼-混組合倉壁豎向節(jié)點的結構形式和力學性能仍是制約其廣泛推廣應用的關鍵難題。為此，該研究提出一種適用于裝配式鋼-混組合倉壁的新型節(jié)點，利用兩點對稱加載受彎試驗研究其在彈塑性階段的受彎性能，并與無節(jié)點鋼-混組合倉壁試件進行對比，分析了各試件在荷載作用下的破壞形態(tài)、內力和變形規(guī)律。結果表明：各試件的位移與應變均隨著彎矩的增加而增加，整體呈現(xiàn)上部受壓，下部受拉的受力形態(tài)；相較于無節(jié)點試件和無梯形傳力鋼板試件，新型節(jié)點試件剛度顯著增加，抗彎承載力分別提高了15%和17%；相較于無梯形傳力鋼板試件，新型節(jié)點試件屈服荷載提高了29%；傳力鋼板和內防水鋼板拉應變均隨跨中彎矩增大而線性增大，在新型組合節(jié)點中兩者可共同發(fā)揮抗拉作用。研究結果可為裝配式地下糧倉和類似地下結構受彎性能分析提供參考。

力學性能；受彎試驗；豎向節(jié)點；地下糧倉；鋼-混組合倉壁；裝配式

0 引 言

地下糧倉是建于地表以下的用于貯存糧食的容器，其不僅充分利用了地下空間，而且可以提供天然的低溫環(huán)境。相較于地上糧倉，它在節(jié)能、節(jié)地、綠色環(huán)保、抑制蟲害、提升糧食品質等方面具有顯著優(yōu)勢，符合國家低碳環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展的要求。目前不少學者已對大直徑現(xiàn)澆鋼筋混凝土地下糧倉進行了研究，在結構受力[1-4]、結構抗浮[5-6]、基坑支護[7]等方面取得了較多成果。然而其推廣應用還面臨著高標準的防水防潮、深基坑的濕作業(yè)環(huán)境施工周期長、基坑支護費用高等難題，為此少數(shù)學者進行了裝配式鋼板-混凝土組合地下糧倉的研究。王振清等[8]首次提出了一種裝配式鋼板混凝土組合地下糧倉，該倉型將裝配式技術與鋼板-混凝土組合技術相結合，實現(xiàn)了結構與防水、基坑支護和抗浮一體化，解決了防水防潮、基坑支護和抗浮難題，縮短了工期，降低了投資成本。由于裝配式地下糧倉是一種新型結構體系，目前其節(jié)點連接研究還較少；目前國內外學者對地下管廊[9-10]、地鐵車站[11-13]等類似裝配式地下結構的連接節(jié)點進行了大量研究，但由于其結構形式、受力狀態(tài)、節(jié)點連接方式，特別是防水防潮要求等均與現(xiàn)有裝配式地下糧倉不同。為此，王振清等[14-17]針對內包鋼板的裝配式鋼板-混凝土組合地下糧倉，提出一種梯形干式連接節(jié)點，研究了應用該節(jié)點形式地下糧倉的建筑結構方案與整體力學性能，并對裝配式組合構件進行了軸壓試驗，同時與非線性有限元結果對比分析，證明了裝配式鋼板-混凝土組合結構有良好的力學性能；揣君等[18-19]對該節(jié)點形式的裝配式組合倉壁進行了彈性范圍內的應力計算公式推導和有限元模擬計算，并對足尺試件開展了受彎和抗壓試驗，證明有節(jié)點的裝配式組合倉壁可等效于無節(jié)點倉壁設計計算。

針對裝配式鋼板-混凝土組合倉壁提出的梯形干式連接節(jié)點[14]，構造簡單，受力性能好，鋼板可實現(xiàn)承力、防水、保護混凝土一材多用，同時，此節(jié)點連接的工字鋼可作為基坑開挖的鋼樁，實現(xiàn)裝配與基坑開挖一體化施工。但此節(jié)點處鋼板焊縫過多，施工難度大，用鋼量大，成本較高。為此，在總結研究成果的基礎上，提出一種基于梯形傳力鋼板連接的新型節(jié)點形式，該節(jié)點不僅受力和防水性能好，而且能大大減少焊縫數(shù)量，節(jié)約施工成本。本研究對鋼板-混凝土組合倉壁足尺試件進行了兩點對稱加載受彎試驗，分析節(jié)點及足尺試件在加載過程中的破壞形態(tài)、內力和變形規(guī)律。

1 試件設計及測點布置

1.1 試件設計與制作

為研究新型節(jié)點的受彎性能，以傳力鋼板為主要參數(shù)設計不同節(jié)點連接形式的鋼板-混凝土組合試件SCCW1和SCCW2，并與無節(jié)點試件SCCW3進行對比，詳見表1。試件設計總尺寸為2 200 mm×1 000 mm×310 mm，其中混凝土的厚度為300 mm，內側鋼板的厚度為10 mm。SCCW3試件的總尺寸、混凝土和內側鋼板的厚度與材料均與有節(jié)點試件設計相同。SCCW2和SCCW3試件詳圖，如圖1所示。

表1 試件設計

鋼板-混凝土組合構件由混凝土、內側鋼板、U型鋼板、鋼筋網(wǎng)和栓釘組成，如圖1b所示。按照《組合結構設計規(guī)范》[20]，并考慮到施工的經(jīng)濟性與構件的受力性能，采用的混凝土等級為C40；鋼板均為Q345B，其中U型鋼板厚度為16 mm；鋼筋網(wǎng)采用8@150進行布置；栓釘采用ML15圓柱頭栓釘，其中焊接在內側鋼板上的栓釘直徑為19 mm，焊接在U型鋼板上的栓釘直徑為13 mm。節(jié)點由U型鋼板、外防水鋼板、內防水鋼板和梯形傳力鋼板組成的“喇叭口”形式。其中外防水鋼板厚度為21 mm，內防水鋼板和傳力鋼板厚度均為10 mm，節(jié)點詳圖如圖1c所示。參考文獻[14]中結構設計方案，節(jié)點中的外防水鋼板可視為工字鋼的翼緣板，在實際施工中，工字鋼可作為基坑支護結構的鋼樁，鋼樁與倉壁預制塊拼裝連接形成倉壁，從而實現(xiàn)基坑與倉壁一體化施工。

1.2 抗剪加固部件設計與制作

為防止構件發(fā)生受剪破壞，對試件兩邊采用鋼板抗剪加固措施，如圖2所示。在滿足試件受力情況下，抗剪加固部件采用Q345B鋼板，其厚度為20 mm；上下鋼板由側向帶肋構件采用直徑為30 mm的六角頭短螺栓連接，螺栓強度等級為8.8。上鋼板與試件之間鋪設一層薄沙來平整接觸面，以達到較好的傳力效果?？辜艏庸滩考鐖D2所示。

1.3 試件測點布置

為了監(jiān)控與收集加載過程中試件的應變、位移數(shù)據(jù)，在進行兩點對稱加載試驗之前，需對混凝土和鋼板易變形位置布置應變片和位移計。

有節(jié)點試件以SCCW2試件為例，根據(jù)試件受力特點和材料變形特征，在側面混凝土上共布置24個10 cm的應變片，編號為C1～C24，如圖3a所示，另一側混凝土上應變片編號為C13～C24。鋼板上共布置30個1 cm的應變片，其中，傳力鋼板上應變片編號為L1～L6，如圖3a所示，另一側傳力鋼板上應變片編號為L4～L6；U型鋼板上應變片編號為U1～U6、Y7～Y9和Y13～Y15，外防水鋼板上應變片編號為Y1～Y3，內防水鋼板上應變片編號為Y10～Y12，內側鋼板上應變片編號為Y4～Y6和Y16～Y18，如圖3b、3c所示。此外，在試件下方共布置7個位移計測點，編號為W1～W7，其中W3、W4和W5為跨中測點，如圖 3c所示。SCCW1試件除了沒有布置L1～L6應變片外，其他相應的測點布置與編號均和SCCW2試件相同。

SCCW3試件在加載面混凝土上布置5個應變片，編號為C1～C5，如圖4a所示；側面混凝土上布置18個應變片，編號為C6～C23，如圖4b所示；內側鋼板布置15個應變片，編號為Y1～Y15，7個位移計測點，編號為W1～W7，如圖4c所示。

2 試件受彎性能試驗

2.1 材料性能試驗

2.1.1 鋼板拉伸性能

試驗參照GB/T 1040—2006《金屬材料拉伸試驗》[21]對10 mm、16 mm厚度的Q345B鋼板各制作3個啞鈴型試樣，并通過拉伸試驗測定了其屈服強度。厚度為10 mm的鋼板屈服強度為330 MPa，厚度為16 mm的鋼板屈服強度為343 MPa，彈性模量均為2.06×105MPa。

2.1.2 混凝土抗壓強度

根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結構設計規(guī)范》[22]，在試件澆筑混凝土過程中，同時制作6個150 mm×150 mm× 150 mm混凝土標準試塊。在標準條件下養(yǎng)護28 d后進行混凝土抗壓試驗，混凝土抗壓強度平均值為41.7 MPa。

2.2 兩點對稱加載試驗

試驗采用河南工業(yè)大學500 t自平衡反力加載系統(tǒng)和DH3816N靜態(tài)應變測試系統(tǒng)協(xié)同完成。其中，反力加載精度為0.1 t，應變采集儀量程為-0.02～0.02，精度為1×10-6。依照規(guī)范GB/T 50152—2012《混凝土結構試驗方法標準》[23]進行試驗加載布置，如圖5所示。試驗采用手動逐級加壓方式。首先，在彈性范圍內進行預加載，檢查加載系統(tǒng)是否穩(wěn)定，加載設備、數(shù)據(jù)采集儀是否正常工作。預加載完成后，進行正式加載，開始時單點荷載增幅值為100 kN，待混凝土出現(xiàn)裂縫后，單點荷載增幅值變?yōu)?0 kN，每級均保壓5 min。加載過程中進行應變、位移的采集與分析，觀察混凝土裂縫的發(fā)展規(guī)律，并對松開的螺栓進行擰緊處理，以確保抗剪加固部件的正常工作，直至試件破壞。以SCCW2試件為例，加載試驗示意圖如圖5所示。

3 試驗結果分析

3.1 破壞過程及形態(tài)

試驗采用兩點對稱加載試驗，在兩個加載區(qū)域之間為純彎段，單點荷載在各試件純彎段區(qū)產(chǎn)生的彎矩由公式（1）進行計算[24]。

式中表示單點加載的荷載值，kN；表示加載點與支座之間的距離，m。

SCCW1試件在加載過程中，當彎矩為693 kN·m時，內防水鋼板進入屈服狀態(tài)，節(jié)點附近出現(xiàn)細小裂縫，試件兩端出現(xiàn)較長裂縫；加至957 kN·m時，加載區(qū)域正下方內側鋼板發(fā)生明顯變形，節(jié)點附近裂縫向左右兩側延伸，寬度加大，加載區(qū)域混凝土局部受壓破壞，如圖6a所示。SCCW2試件在加載過程中，當彎矩為891 kN·m時，傳力鋼板進入屈服狀態(tài)，節(jié)點附近與左、右兩端均產(chǎn)生裂縫；加至1 089 kN·m時，加載區(qū)域混凝土局部被壓壞，同時伴有荷載下降現(xiàn)象；加至1 122 kN·m時，傳力鋼板彎曲，如圖6b所示。SCCW3試件在加載過程中，當彎矩加至975 kN·m時，跨中內側鋼板進入屈服狀態(tài)，受拉區(qū)出現(xiàn)多條垂直裂縫，如圖6c所示。

分析破壞過程可知，與SCCW3相比，SCCW2試件的承載力提高15%，這說明節(jié)點可有效提高試件的抗彎承載力；與SCCW1試件相比，SCCW2試件的承載力提高17%，屈服荷載提高了29%，這說明傳力鋼板可有效提高試件的抗彎承載力；SCCW1試件破壞形態(tài)為內側鋼板明顯變形，而SCCW2試件破壞形態(tài)為傳力鋼板失穩(wěn)彎曲，這說明傳力鋼板改變了試件的破壞形態(tài)。

3.2 位移-彎矩關系

如圖7所示，SCCW1試件在加載過程中跨中位移隨彎矩的增大而增大，當彎矩達到693 kN·m后，位移增長速度逐漸加快直至加載區(qū)混凝土發(fā)生局部破壞，在W5處產(chǎn)生最大位移48.06 mm。這主要是因為內側鋼板屈服和節(jié)點出現(xiàn)的裂縫減小了試件的剛度。SCCW2試件位移整體上隨彎矩的增大而增大，當彎矩達891 kN·m后，傳力鋼板屈服，位移增速稍微加快；當彎矩達到1 089 kN·m后出現(xiàn)卸載現(xiàn)象，但位移仍在增加，在W3處產(chǎn)生最大位移21.69 mm；分析破壞過程可知，位移增長加快是由于傳力鋼板屈服導致構件剛度減小，而卸載現(xiàn)象是由于傳力鋼板彎曲所導致。SCCW3試件在加載過程中跨中位移隨彎矩的增大而增大，當彎矩達到625 kN·m后，位移增加明顯加快，在W4處產(chǎn)生最大位移138.72 mm；分析其原因可知，當彎矩為625 kN·m時，受拉區(qū)出現(xiàn)裂縫導致構件剛度減小，隨后裂縫穩(wěn)定發(fā)展直至加載結束。

3.3 應變-彎矩關系

3.3.1 SCCW1試件應變-彎矩關系

側面混凝土上部測點應變?yōu)樨撝担f明其承受壓力作用，發(fā)生破壞時，在C4測點處產(chǎn)生最大壓應變值 0.000 5；下部測點應變?yōu)檎担f明其承受拉力作用，在C6測點處產(chǎn)生最大拉應變值0.000 3；中部測點由于在試件截面的中性軸附近，受力不太明顯，如圖8a所示。U型鋼板上側受壓，在U1測點處產(chǎn)生最大壓應變值0.0021；U型鋼板下側受拉，在Y9測點處產(chǎn)生最大拉應變值0.006 5，且U型鋼板下側拉應變值較大，如圖8b所示。內側鋼板與內防水鋼板均受拉，分別在Y6、Y11處產(chǎn)生最大拉應變值0.005 9和0.002 5，如圖8c所示。

圖7 各試件上不同測點的位移-彎矩曲線

內側鋼板與內防水鋼板厚度相同，但內防水鋼板拉應變增長趨勢較為平緩，分析原因為，內側鋼板處是鋼板-混凝土組合結構，內防水鋼板處只是鋼板結構，兩者傳力機理不同，且鋼板之間由焊縫連接，傳力有所削弱。內側鋼板與U型鋼板同為組合結構，但U型鋼板應變增長趨勢較為緩慢，這主要是由于U型鋼板較厚，受力性能好。

3.3.2 SCCW2試件應變-彎矩關系

SCCW2試件的混凝土、鋼板應變分布與SCCW1試件幾乎相同，整體呈現(xiàn)上部受壓，下部受拉的受力形態(tài)。側面混凝土在C4測點處產(chǎn)生最大壓應變值0.000 5，在C6測點處產(chǎn)生最大拉應變值0.000 6，如圖 9a所示；U型鋼板在U2測點處產(chǎn)生最大壓應變值0.000 5，在Y13測點處產(chǎn)生最大拉應變值0.003 3，如圖9b所示；內側鋼板與內防水鋼板分別在Y18、Y10處產(chǎn)生最大拉應變值0.002 3和0.000 9，如圖9c所示；傳力鋼板呈上壓下拉的受力形態(tài)，在L4測點處產(chǎn)生最大壓應變值0.002 8，在L3測點處產(chǎn)生最大拉應變值0.001 0，如圖9d所示。

傳力鋼板測點L2與L5分別在兩塊傳力鋼板的相同位置，但當單點荷載達到726 kN·m后，測點L5應變值逐漸增加，而L2仍保持平穩(wěn)狀態(tài)，這說明L5所在傳力鋼板要先于L2所在傳力鋼板進入屈服階段。傳力鋼板和內防水鋼板應變均隨著彎矩增加而呈線性增加，當傳力鋼板屈服時，內防水鋼板Y10應變和傳力鋼板L6應變均為0.000 8，這說明傳力鋼板有效發(fā)揮了其抗拉作用。

3.3.3 SCCW3試件應變-彎矩關系

SCCW3試件同樣呈上壓下拉受力形態(tài)，且各處應變?yōu)榫€性趨勢增長，增長曲線對比有節(jié)點試件較為平滑規(guī)整，這是由于SCCW3試件結構簡單，試件各處受力均勻。側面混凝土在C9測點處產(chǎn)生最大壓應變值0.001 4，在C20測點處產(chǎn)生最大拉應變值0.001 8，如圖10a所示；加載面混凝土整體受壓，在C5測點處產(chǎn)生最大壓應變值0.001 9，如圖10b所示；內側鋼板在Y9測點產(chǎn)生最大拉應變值0.001 8，如圖 10c所示。

3.4 試件結果對比

各試件跨中位移相應測點的平均值與相應彎矩的關系如圖11a所示。在試件加載過程中，當跨中彎矩相同時，SCCW1試件和SCCW2試件對比SCCW3試件位移較小，當彎矩達到625 kN·m時，SCCW3試件位移值已經(jīng)是SCCW1試件的1.7倍，是SCCW2試件的6.3倍，此后SCCW3試件位移增長更快，說明節(jié)點有利于提高試件剛度；SCCW2試件對比SCCW1試件位移變化較小，且SCCW2試件屈服荷載值是SCCW1試件的1.29倍，這說明傳力鋼板有效提高了試件剛度和承載力。

各試件鋼板側跨中應變測點的平均值與相應彎矩的關系如圖11b所示。由圖11a和圖11b可知，在相同彎矩情況下，相比SCCW3試件，SCCW1試件位移較小，而應變較大，這是由于SCCW3試件跨中截面下邊緣受拉是由鋼板與混凝土組合結構承擔，而SCCW1試件僅有內防水鋼板承擔；相比SCCW2試件，SCCW1試件的內防水鋼板應變明顯大于前者，這是由于傳力鋼板有效分擔了內防水鋼板的拉力。

4 結 論

本文針對裝配式鋼板-混凝土組合試件提出了基于梯形傳力鋼板連接的新型節(jié)點，并利用兩點加載試驗研究了各試件在彈塑性階段的受彎性能。研究結論如下：

1）相較于SCCW1試件和SCCW3試件，新型節(jié)點試件剛度顯著增加，抗彎承載力分別提高了17%和15%，說明節(jié)點有效提高試件抗彎承載力；相較于SCCW1試件，新型節(jié)點試件屈服荷載提高了29%，說明傳力鋼板有效改善了節(jié)點的受力性能。

2）傳力鋼板和內防水鋼板應變均為線性增加，當傳力鋼板屈服時，傳力鋼板所承擔的拉應力與內防水鋼板相同，這說明在新型組合節(jié)點中傳力鋼板可有效與內防水鋼板共同發(fā)揮抗拉作用。

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Flexural performance of the vertical joints of steel plate-concrete composite wall for underground granary

Zhang Hao1, Yuan Lingling1, Meng Qingting2※, Chuai Jun2, Chen Lei1, Wang Hongkai1

(1.,,450001,;2.,450001,)

The underground granary with the prefabricated steel plate-concrete composite has presented the many advantages of energy conservation, loss reduction, and high grain quality, particularly for the requirements of low-carbon environmental protection and sustainable development. However, there are only limited reports on the vertical joints in the prefabricated steel plate-concrete composite wall. In this research, a new type of joint was proposed suitable for the precast steel plate-concrete composite wall in an underground granary. Four groups of steel plates were composed of the U-shaped, external/internal waterproof, and trapezoidal load-transfer steel plate. When the external waterproof steel plate of the new joint was used as the flange plate of the I-steel pile in the foundation pit supporting structure, the steel pile was assembled and connected with the precast block of the underground granary wall, further to realize the integrated construction of foundation pit and granary wall. Three types of precast steel plate-concrete composite specimens were designed to fabricate, including a new joint, non-trapezoidal load-transfer steel plate, and no joint. A two-point symmetrical loading flexural test was conducted to investigate the flexural performance of the precast steel plate-concrete composites in the elastic-plastic stage. An analysis was made on the failure modes, internal forces, and deformation behavior in each specimen under loads. The results indicated that there was a different development of crack and deformation in each specimen under the loading. Most cracks in the two specimens with joints appeared in the compression zone near the joints and the loading zone. By contrast, most cracks with non-joint appeared in the tension zone at the connection between the internal steel plate and concrete. There was the smallest deformation of the specimen with the new joint, and the largest that with no joint. The displacement and strain of each specimen increased with the increasing bending moment. Overall, the upper part of the specimen was in a compression state, whereas, the lower part was in a tension state. Specifically, the inflexibility of the new joint specimen increased significantly, where the flexural capacity increased by 15%, compared with the non-joint specimen. The stiffness and bearing capacity of prefabricated specimens were improved via the increasing concrete strength and the appropriate material parameters of the steel plate. Furthermore, the inflexibility of the new joint specimen increased remarkably, where the flexural capacity increased by 17%, and the yield load increased by 29%, indicating that the trapezoidal load-transfer steel plate effectively improved the joint performance, compared with the non-load-transfer steel plate joint. The mid-span tensile strains of the trapezoidal load-transfer and internal waterproof steel plate increased linearly with the increment of bending moment, where the tensile deformation was consistent, indicating that both of them played a tensile role in the new joint. The findings can provide a strong reference to design the flexural performance of prefabricated underground granaries and similar underground structures.

mechanical property; flexural test; vertical joint; underground granary; steel plate-concrete composite wall; prefabricated

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.24.005

TU57

A

1002-6819(2021)-24-0038-08

2021-11-03

2021-12-14

河南省科技攻關項目（202102110122）；省屬高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金項目（2016QNJH23）；河南工業(yè)大學高層次人才科研啟動基金項目（2018BS077）

張昊，副教授，研究方向為儲倉結構和綠色儲糧體系。Email：zzbright@163.com

孟慶婷，助理工程師，研究方向為儲倉結構和綠色儲糧體系。Email：mengqingting111686@163.com

張昊，元玲玲，孟慶婷，等. 地下糧倉鋼-混組合倉壁豎向節(jié)點受彎性能分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2021，37(24)：38-45. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.24.005 http://www.tcsae.org

Zhang Hao, Yuan Lingling, Meng Qingting, et al. Flexural performance of the vertical joints of steel plate-concrete composite wall for underground granary[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(24): 38-45. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.24.005 http://www.tcsae.org