核電工程雙鋼板混凝土組合剪力墻鋼板屈曲性能研究

李曉虎，栗 蕾

(鄭州航空工業管理學院 土木建筑學院，河南 鄭州 450046)

雙鋼板混凝土組合剪力墻是一種新型的抗側力構件。核島結構雙鋼板混凝土剪力墻主要由外側的兩個鋼板和內部的混凝土組成，鋼板和混凝土之間主要靠鋼板內側的焊接栓釘連接，內部的混凝土不設置鋼筋。這種結構不僅具有良好的抗震性能和抗沖擊性能，而且雙鋼板混凝土剪力墻模塊化在實際工程中的應用能極大地提高施工效率。數據顯示[1]，將外側鋼板作為施工模板澆筑混凝土，能夠將施工周期降低25%。雙鋼板混凝土組合剪力墻優良的結構性能決定了這種結構在核電工程領域的應用會越來越廣泛。

1 研究現狀

20世紀80年代，日本學者[2]最先對鋼板混凝土組合剪力墻進行研究，在這之后還有很多學者對這種結構進行了大量的試驗和數值模擬工作[3-6]。但是對鋼板混凝土組合剪力墻的鋼板屈曲性能進行的研究比較少。

Takeuchi M[7]等通過對縮尺比為1∶5的鋼—混凝土組合結構進行試驗，研究了核電站廠房鋼—混凝土組合結構實施的可行性和防止鋼板發生屈曲的方法。研究表明：在鋼板發生屈曲之前，鋼板內外表面的應變變化情況比較相似，但是在鋼板發生屈曲后內外表面突然發生分離現象。裂紋表面位置處的峰值應力計算如下：

(1)

其中Trm為最大荷載值；ts為鋼板厚度。

聶建國[8]對12個鋼板混凝土剪力墻試件進行了研究，研究發現，通過設置合理的距厚比和加勁肋在一定程度上可以阻止鋼板發生屈曲。楊悅等[9]通過對10個鋼板混凝土板試件的低周往復試驗，研究了鋼板的屈曲行為，結果表明，栓釘的形式和間距對鋼板的屈曲性能有比較顯著的影響。又通過建立有限元分析模型，模擬了軸向壓力作用下鋼板的受力性能，結果表明有限元計算結果與試驗結果吻合較好。劉晶波等[10]通過對4片中低剪跨比的核電工程雙鋼板—混凝土剪力墻試件進行的面內擬靜力試驗，研究了距厚比、剪跨比等因素對組合剪力墻受剪性能的影響以及各個試件的破壞模式、受剪承載力等。試驗結果表明：距厚比對組合剪力墻鋼板局部屈曲和試件變形能力、延性等有較大影響，但對承載力影響不大；剪跨比越大，組合剪力墻的受剪承載力越小。汪士也等[11-13]對雙鋼板混凝土組合剪力墻進行了抗震性能試驗，研究了拉結件等因素對鋼板屈曲的影響，并采用開源軟件OpenSees建立了雙鋼板混凝土組合剪力墻的纖維—分層殼模型。

以上都是對雙鋼板混凝土組合剪力墻在軸向壓力作用下鋼板屈曲的研究。本文通過對9個縮尺比為1:5的剪力墻試件進行面內低周往復試驗，研究了在低周往復水平荷載作用下鋼板的屈曲性能和發生屈曲時的破壞形態，并采用能量法推導出計算鋼板的臨界屈曲系數和臨界承載力的公式。

2 試驗概況

2.1 方案設計

本試驗設計9個縮尺比為1:5的雙鋼板混凝土組合剪力墻試件，所有試件采用相同的幾何尺寸，主要由加載梁、剪力墻和基礎梁組成。試件3個部分的尺寸分別為1020mm×300mm×300mm，820mm×220mm×1850mm，1820mm×430mm×550mm,試件的尺寸如圖1所示。試驗研究參數主要包括鋼板厚度、栓釘間距、豎向荷載和抗剪連接方式。其中，鋼板厚度分別為4mm、6mm和8mm，栓釘間距分別為60mm、100mm、150mm和200mm，豎向荷載分別為0 kN和800 kN，抗剪連接形式為栓釘連接和加勁肋的設置。試件的方案設計參數如表1所示。

圖1 試件尺寸

表1 試件參數

2.2 材料性能

試驗中組合剪力墻的鋼板采用強度等級為Q345的鋼材，泊松比為0.3；采用混凝土的強度等級為C55，泊松比為0.2，混凝土的彈性模量為 3.25×104MPa。鋼板的材料性能參數如表2所示。

表2 鋼板的材料性能參數

2.3 試驗加載和測試

本試驗首先用地腳螺栓將SCSW試件固定在地面，然后在加載梁上施加800kN的豎向荷載，當豎向荷載加載達到穩定狀態，以每次循環增加50kN向加載梁施加水平荷載，并且在水平加載過程中保持豎向荷載不變，直至試件達到屈服點，此時加載梁的位移記為Δy。之后的加載采用位移控制的方法，每次加載的位移為1/8Δy，當水平荷載值將至極限荷載值的85%時，停止加載。試驗的加載裝置如圖2所示。

圖2 試驗加載裝置

為了研究鋼板的屈曲性能，需要在鋼板容易發生屈曲的位置貼應變花。通過測得相應位置的應變來計算得出鋼板的屈曲應力。其中x和y分別表示對應位置處鋼板在水平方向和豎向的應變。應變花的布置如圖3所示。

圖3 應變花測點布置

3 試驗現象及結果分析

3.1 試驗現象

在加載的初級階段，試件處于彈性狀態，從外觀看不出試件有明顯的變化。用錘子敲擊底部鋼板，有空洞聲。在距離基礎梁頂面以上50mm處靠近剪力墻側面邊界部位的鋼板最先發生鼓包現象，如圖4所示，這和應變花粘貼的位置比較接近。

圖4 試驗現象

在荷載的循環加載過程中，受拉側鋼板被拉平，受壓側鋼板發生鼓包現象。發生鼓包現象的鋼板部位范圍逐漸增大，剛開始由于栓釘和加勁肋的存在，鼓包的發生為局部，試件內部的混凝土逐漸被壓碎，墻體側面底部鋼板發生鼓起的位置出現水平裂縫。對于只有栓釘的試件，當栓釘失效以后，鋼板的鼓包連在一起。設置加勁肋的試件，由于加勁肋的作用，鋼板的鼓包不能連在一起成為一個整體，鋼板只能發生局部鼓起。最終，底部鋼板屈服，試件內底部混凝土被壓碎，鋼板焊縫處出現裂縫，混凝土碎塊從裂口流出，里邊有的栓釘被拉斷。從試件的破壞現象可以看出，只有栓釘的試件和設置了加勁肋的試件的破壞模式不同。圖5給出了具有代表性的試件SCSW1和SCSW8的破壞模式，其中圖5(e)為剪力墻在加載過程中栓釘被拉斷的現象，圖5(f)為隔斷表面鋼板后內部混凝土被壓碎的現象。

圖5 試件破壞模式

3.2 試驗結果分析

根據試驗結果，可以看出鋼板發生屈曲的部位在墻體底部靠近側面邊界的位置。因此，只需分析測點12或測點10的荷載—應變曲線。測點處鋼板發生屈曲時，相對應測點的荷載—應變曲線會出現拐點。由于各測點的應變花都有三個方向，根據測點的各個方向的荷載—應變曲線，首次出現拐點的位置確定為鋼板的屈曲發生點，相對應的荷載為屈曲荷載。

從測點的水平荷載—應變曲線發現，應變花在x，y，xy三個方向上，只有x方向有比較明顯的拐點，因此以x方向的水平荷載—應變曲線為準，確定拐點出現的位置。圖6(c)中測點的曲線中拐點的位置為正，不同于其他試件。原因可能是試件SCSW3鋼板鼓起的位置離應變花測點位置比較遠，測點處應變花測得的數據不能說明鋼板的屈曲，也不能通過此數據得出鋼板屈曲應力。根據栓釘與測點位置的間距可以看出，鼓起出現的位置大概位于栓釘和基礎頂面的中間。

圖6 各試件測點10(12)鋼板荷載—應變曲線

比較圖6(a)SCSW1、(b)SCSW2、(c)SCSW3可以發現，栓釘間距越小，拐點對應的應變就越小，其對應的荷載越大。

比較圖6(a)SCSW1、(h)SCSW8、(i)SCSW9可以發現，設置加勁肋的試件拐點處對應的應變比較小。

比較圖6(d)SCSW4、(e)SCSW5可以發現，有豎向荷載的試件拐點處所對應的應變比較小。

從圖6中可以看出，鋼板發生屈曲早于試件達到極限荷載。鋼板發生屈曲時的荷載和試件的極限荷載如表3所示。

表3 鋼板屈曲荷載和試件的極限荷載比較

續表3 鋼板屈曲荷載和試件的極限荷載比較

從表3中可以看出，鋼板發生屈曲時的荷載與試件的極限荷載比較接近，栓釘和加勁肋的設置在一定程度上延緩了鋼板屈曲發生的時間，提高了鋼板的屈曲荷載，組合剪力墻試件可以充分發揮鋼板的抗拉強度。

4 結 論

本文通過對試驗中鋼板的應變數據進行分析，研究了雙鋼板混凝土組合剪力墻在低周往復荷載作用下鋼板的屈曲行為，得出結論如下：

(1) 通過對試件加載結果的觀察和比較可以發現，低周往復荷載作用下雙鋼板混凝土組合剪力墻試件鋼板主要在靠近基礎梁的位置發生屈曲。

(2) 通過對組合剪力墻鋼板測點荷載—應變曲線以及試驗數據的比較分析可以發現，鋼板發生屈曲要先于試件達到極限荷載，并且鋼板發生屈曲的荷載與試件的極限荷載比較接近，說明組合剪力墻能夠充分發揮鋼板的抗拉強度。

(3) 栓釘和加勁肋的設置在一定程度上可以延緩鋼板的屈曲，提高鋼板的屈曲荷載。