新型輕鋼鉚接桁架組合樓板試驗(yàn)研究

莫禹凡,潘志宏

(江蘇科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,鎮(zhèn)江 212003)

目前,壓型鋼板-混凝土組合板憑借其施工效率高,節(jié)能減材等優(yōu)勢(shì),被廣泛應(yīng)用于建筑工程。壓型鋼板在施工階段承擔(dān)施工荷載,在使用階段與混凝土組合在一起承擔(dān)使用荷載。但是這種組合板也存在厚度較大;壓型鋼板成本高;壓型鋼板與混凝土之間容易出現(xiàn)相對(duì)滑移等缺點(diǎn),因此對(duì)新型組合樓板體系的研究成為很多學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)。

針對(duì)新型組合樓板體系,耿志超[1]提出了一種以型鋼為骨架的新型鋼肋型鋼板-混凝土組合樓板,并利用有限元軟件對(duì)其受力性能進(jìn)行研究,提出了這種新型組合樓板的抗彎承載力和截面剛度計(jì)算公式。閆曉碩[2]提出了一種內(nèi)置聚苯乙烯泡沫板的型鋼-混凝土組合板,這兩種組合樓板都具有良好的力學(xué)性能。

現(xiàn)有新型組合樓板體系仍存在明顯不足,主要表現(xiàn)在:①型鋼與底部鋼板的連接采用焊接,鋼板薄的情況下容易出現(xiàn)焊縫,影響樓板的整體性能,鋼板厚的情況下會(huì)增加自重和成本;②有的組合樓板形式無(wú)法保證底部鋼板與型鋼、混凝土相互協(xié)調(diào),共同受力;③組合樓板現(xiàn)場(chǎng)的裝配化程度較低,無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)制樓板的模塊式組合。

冷彎薄壁型鋼因具有截面形狀靈活多樣、生產(chǎn)效率高、受力性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)在建筑工程中得到了廣泛應(yīng)用與推廣[3]。目前,冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)大多采用自攻螺釘連接,需要進(jìn)行夾緊、鉆孔等步驟,工序較為復(fù)雜,生產(chǎn)效率較低[4]。

鉚接作為裝配式建筑主要連接方式之一,相比于焊接與螺栓連接,具有工序周期短、抗剪剛度大等優(yōu)點(diǎn),被廣泛運(yùn)用于冷彎薄壁型鋼的連接[5]。鉚接技術(shù)原理是使用沖頭把鉚釘穿過(guò)需要鉚合的工件,對(duì)鉚釘兩端面施壓,形成鉚釘頭,使工件不能從鉚釘上脫出,從而將工件連接在一起[6]。惠旭龍等[7]開(kāi)展了鉚釘元件的純剪切失效試驗(yàn)研究,得到鉚釘?shù)氖лd荷與失效模式。謝志強(qiáng)等[8-9]提出了薄壁鋼板自沖鉚接受剪、受拉性能及承載力計(jì)算方法。譚慶浩等[10]提出了基于鎖鉚連接的冷彎薄壁型鋼組合樓板模塊,試驗(yàn)結(jié)果表明這種組合樓板模塊有較好的受彎性能,證明了鉚釘在冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用可行性。曾超等[11]利用ABAQUS研究多排鉚釘結(jié)構(gòu)的受載內(nèi)應(yīng)力與變形,結(jié)果表明采用適當(dāng)?shù)你T接參數(shù)可以極大地改善連接孔應(yīng)力集中及結(jié)構(gòu)疲勞特性。

由于鉚接在薄壁型鋼連接中兼具施工和受力的優(yōu)勢(shì),提出一種新型輕鋼鉚接桁架組合樓板并探討其受彎性能。該組合樓板的主要特點(diǎn)是采用輕鋼代替縱向鋼筋,采用鉚接方式替代傳統(tǒng)焊接,形成具有良好承載能力的組合板。為得到該組合樓板的抗彎性能,對(duì)3個(gè)組合樓板試件進(jìn)行了單調(diào)靜力加載試驗(yàn),分析配鋼率(鋼桁架的截面面積取樓板中和軸以下最小截面面積,忽略非開(kāi)孔處的影響[12])和鉚釘間距對(duì)其受彎性能的影響,為該組合樓板的進(jìn)一步研究和發(fā)展提供參考。

1 試件概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

為研究組合樓板的受彎性能,以配鋼率和鉚釘間距為參數(shù),設(shè)計(jì)了3塊組合樓板試件,試件主要參數(shù)如表1所示。

表1 試件主要參數(shù)Table 1 Main parameters of specimens

試件FL-2和FL-3與試件FL-1的構(gòu)造類似。以試件FL-1為例,試件FL-1的詳細(xì)構(gòu)造如圖1所示。

圖1 試件FL-1構(gòu)造Fig.1 Construction details of the specimen FL-1

試件主要由底部鋼板、輕鋼桁架、樓面板組成。其中,底部鋼板的鋼材等級(jí)為Q235,尺寸為3 000 mm(長(zhǎng))×800 mm(寬)×1.5 mm(高),底部鋼板與輕鋼桁架之間通過(guò)鉚釘連接,鉚釘規(guī)格為5.5 mm(直徑)×5.5 mm(長(zhǎng)度)。輕鋼桁架由兩根規(guī)格為C90×30×10×1.5 mm的C型鋼背靠背貼合在一起并用鉚釘連接,形成一個(gè)“H”形的組合截面。C型鋼中軸線下方開(kāi)有5個(gè)半徑為8 mm的孔洞,鋼筋沿短邊方向布置,并穿過(guò)C型鋼中的孔洞,其中鋼筋等級(jí)HRB335,半徑為8 mm。樓面板由底部鋼板上澆筑混凝土而成,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30,樓板高度為120 mm。型鋼構(gòu)造如圖2所示,所用材料力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如表2、表3所示。

圖2 型鋼構(gòu)造Fig.2 Steel structure

表2 混凝土性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of concrete

表3 鋼材材性試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of steel properties test

1.2 試驗(yàn)裝置和加載方案

試件按照三分點(diǎn)加載方式,采用液壓千斤頂進(jìn)行加載,樓板一端為固定鉸支座,另一端為滾動(dòng)鉸支座,試驗(yàn)裝置示意圖如圖3(a)所示,實(shí)物圖如圖3(b)所示。試驗(yàn)加載方案采用分級(jí)加載的方式,通過(guò)荷載控制進(jìn)行加載。在正式試驗(yàn)之前,先對(duì)組合樓板試件進(jìn)行預(yù)加載,預(yù)加載完成后卸載,然后再進(jìn)行正式加載,每級(jí)施加4 kN荷載,持荷3 min后采集試驗(yàn)數(shù)據(jù),當(dāng)荷載下降至峰值荷載的85%時(shí),停止加載。

圖3 試驗(yàn)加載裝置Fig.3 Test set-up

1.3 測(cè)點(diǎn)布置

位移測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。將試件長(zhǎng)邊跨度方向定為X軸,短邊跨度方向定為Y軸。以FL-1為例,位移計(jì)測(cè)點(diǎn)Y1～Y5布置在沿X軸方向的底部鋼板下面,用來(lái)測(cè)量支座及沿X軸方向的豎向撓度。Y3、Y6和Y7布置在沿Y軸方向的底部鋼板下面,用來(lái)測(cè)量沿Y軸方向的豎向撓度。在試件兩端各布置一塊量程為30 mm的百分表來(lái)測(cè)定底部鋼板與混凝土之間的相對(duì)滑移。

圖4 位移測(cè)點(diǎn)布置Fig.4 Arrangement of displacement measuring points

應(yīng)變片布置如圖5所示。應(yīng)變測(cè)點(diǎn)沿截面高度方向布置在冷彎薄壁桁架跨中截面以及底部鋼板下側(cè),應(yīng)變測(cè)點(diǎn)S1、S2和S6用來(lái)測(cè)量冷彎薄壁桁架的上下翼緣的應(yīng)變,測(cè)點(diǎn)S3、S4、S5用來(lái)測(cè)量腹板中間位置的應(yīng)變,測(cè)點(diǎn)S7用來(lái)測(cè)量底板跨中彎矩最大處的應(yīng)變。組合板跨中上表面沿寬度方向布置3個(gè)應(yīng)變片,跨中側(cè)面沿截面高度方向布置3個(gè)應(yīng)變片。

圖5 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置Fig.5 Arrangement of strain measuring points

在組合板側(cè)面涂刷一層白漆,以觀察裂縫開(kāi)展,在每一級(jí)荷載作用下,描繪裂縫開(kāi)展趨勢(shì)并記錄裂縫寬度。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

樓板受彎時(shí),試件FL-1與FL-2的破壞現(xiàn)象大致相同。以試件FL-2為例,在加載初期,試件保持彈性狀態(tài),組合板工作性能良好,試件表面無(wú)裂縫出現(xiàn)。當(dāng)荷載加至28 kN時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)斜裂縫,裂縫寬度隨荷載的增加而擴(kuò)大。荷載加到35 kN后,觀察到第一條正截面裂縫,并且裂縫在緩慢地開(kāi)展,跨中裂縫分布如圖6(a)所示。隨著荷載繼續(xù)增加,組合樓板出現(xiàn)較大的變形,樓板跨中撓度增加速度較快,同時(shí)底部鋼板與鋼桁架之間的鉚釘因抗剪承載力不足出現(xiàn)了連接破壞,如圖6(b)所示。在構(gòu)件破壞前,鋼桁架與底部鋼板有明顯滑移,如圖6(c)所示,板端混凝土與底部鋼板交界面也有明顯的滑移,如圖6(d)所示。構(gòu)件破壞后,測(cè)得最大相對(duì)滑移為26 mm(試件FL-1最大相對(duì)滑移為16 mm),這表明在鉚釘數(shù)量較少,抗剪強(qiáng)度較小的情況下,難以保證鋼桁架與底部鋼板共同工作。

圖6 試件FL-2破壞形態(tài)Fig.6 Failure modes of specimen FL-2

試件FL-3:當(dāng)荷載加至47 kN時(shí),出現(xiàn)第一條正截面裂縫,并且裂縫在緩慢地開(kāi)展。在荷載加載到67 kN以后,正截面裂縫加劇變寬,最大裂縫寬度為1.3 mm,跨中裂縫分布如圖7(a)所示。當(dāng)荷載加至79 kN時(shí),組合樓板上表面跨中位置處的混凝土受壓破壞,出現(xiàn)明顯的裂縫,如圖7(b)所示。試件破壞后,鋼桁架與底部鋼板沒(méi)有明顯滑移,如圖7(c)所示。構(gòu)件破壞后,測(cè)得最大相對(duì)滑移為3 mm,底部鋼板與鋼桁架之間連接的鉚釘也沒(méi)有出現(xiàn)連接破壞,這表明適當(dāng)?shù)販p少輕鋼桁架間距,提高配鋼率,可以很大程度上減小鋼桁架與底部鋼板之間的相對(duì)滑移,保證組合樓板有良好的組合作用。

圖7 試件FL-3破壞形態(tài)Fig.7 Failure modes of specimen FL-3

由于設(shè)計(jì)的鋼板和鋼桁架光面與混凝土之間的咬合力較小,不能保證良好的錨固,導(dǎo)致3塊組合板試件上表面在加載中期均出現(xiàn)了縱向裂縫,以試件FL-3為例,如圖8所示。

圖8 試件FL-3縱向裂縫Fig.8 Longitudinal crack of specimen FL-3

2.2 荷載-應(yīng)變曲線

3個(gè)組合樓板試件不同測(cè)點(diǎn)的荷載-應(yīng)變曲線如圖9所示,通過(guò)對(duì)比可知:輕鋼桁架形心軸以上截面(測(cè)點(diǎn)1～3)的應(yīng)變均為負(fù)值,形心軸及以下截面(測(cè)點(diǎn)4～6)的應(yīng)變?yōu)檎怠Ｕf(shuō)明樓板在受彎時(shí),輕鋼桁架的上翼緣和卷邊受壓,下翼緣、卷邊和毗鄰腹板受拉。

圖9 鋼桁架荷載-應(yīng)變曲線Fig.9 Load strain curve of steel truss

在正常使用狀態(tài)[根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[12],樓面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值取2.0 kN/m2,即荷載為12 kN]下,3個(gè)試件鋼桁架跨中截面上測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變均小于鋼材屈服應(yīng)力(271 N/mm2)及其對(duì)應(yīng)的應(yīng)變(1 318 με),說(shuō)明鋼桁架的跨中全截面處于彈性狀態(tài)。

對(duì)于試件FL-1與FL-2,到達(dá)極限荷載時(shí),測(cè)點(diǎn)1、2、5、6的應(yīng)變遠(yuǎn)大于鋼材屈服應(yīng)力,即鋼桁架的卷邊、上翼緣、下翼緣及毗鄰腹板均處于塑性狀態(tài)。試件FL-1底部鋼板跨中測(cè)點(diǎn)7的應(yīng)變比FL-2的要大,但是應(yīng)變始終小于鋼材屈服應(yīng)變。這表明減小鉚釘間距在一定程度上可以更好發(fā)揮底部鋼板的抗彎能力,但是在150 mm的鉚釘間距時(shí),僅靠鋼桁架與底部鋼板之間鉚釘?shù)目辜暨B接,容易出現(xiàn)相對(duì)滑移,難以充分利用鋼板強(qiáng)度。

試件FL-1、FL-2和FL-3跨中截面應(yīng)變變化規(guī)律基本相似。以試件FL-3為例,試件FL-3的跨中截面應(yīng)變變化規(guī)律如圖10所示,可以看出:試件處于彈性狀態(tài)時(shí),截面應(yīng)變沿截面高度基本呈線性分布,符合平截面假定。

圖10 FL-3截面應(yīng)變變化規(guī)律Fig.10 Change law of section strain of FL-3

2.3 荷載-撓度曲線

3個(gè)試件的荷載-撓度曲線如圖11所示。可以看出,荷載-撓度曲線可大致分為如下4個(gè)階段。

圖11 荷載-跨中撓度曲線Fig.11 Load versus mid-span deflection curves

(1)彈性階段。從開(kāi)始加載到樓板開(kāi)裂前,撓度隨荷載成正比增加,剛度較大。

(2)開(kāi)裂階段。隨著荷載的增加,樓板開(kāi)始出現(xiàn)裂縫,剛度逐漸減小。

(3)屈服階段。隨著荷載的進(jìn)一步增加,受拉區(qū)的鋼桁架首先屈服,此時(shí)底部鋼板仍然處于彈性狀態(tài),底部鋼板與混凝土交界處開(kāi)始出現(xiàn)相對(duì)滑移,鉚釘相繼出現(xiàn)連接破壞。板側(cè)面的裂縫不斷增多,擴(kuò)大并發(fā)展,組合板剛度進(jìn)一步減小。

(4)塑性階段。受拉區(qū)鋼桁架屈曲變形逐漸增大,底部鋼板與混凝土之間的相對(duì)滑移逐漸增大,部分鉚釘已破壞,喪失抗剪承載能力。受壓區(qū)的混凝土受壓破壞,開(kāi)始出現(xiàn)裂縫,組合板的剛度明顯下降。

以試件FL-2為例描述曲線。當(dāng)荷載處于0～20 kN時(shí),樓板變形大致呈線性變化,當(dāng)荷載處于20～46 kN時(shí),樓板的變形加快,當(dāng)載荷達(dá)到51 kN后,構(gòu)件的變形速度急劇增加。在構(gòu)件破壞前,隨著荷載的緩慢增長(zhǎng),樓板跨中撓度急劇增長(zhǎng),表現(xiàn)出良好的延性特征。

2.4 延性分析

延性是指組合樓板的某個(gè)截面從屈服開(kāi)始到達(dá)最大承載能力或到達(dá)以后而承載能力還沒(méi)有明顯下降期間的變形能力。極限荷載Pmax由荷載-撓度曲線上的峰值荷載確定,極限位移Δmax為峰值荷載所對(duì)應(yīng)的位移。試件的延性系數(shù)μ由極限位移Δu和屈服位移Δy之比確定,即μ=Δu/Δy,μ越大表明延性越好。組合樓板的彈性剛度K由屈服荷載Py和屈服位移Δy之比確定,即K=Py/Δy,K越大表明組合板強(qiáng)度越大。屈服荷載Py和屈服位移Δy由圖解法得出。

所有產(chǎn)婦入室后均持續(xù)心電監(jiān)護(hù),建立靜脈通路,輸注復(fù)方乳酸鈉,劑量為400ml左右,觀察患者采用腰硬聯(lián)合麻醉,取左側(cè)臥位,以L3~4間隙為穿刺點(diǎn)應(yīng)用AS-E/S型16號(hào)腰硬聯(lián)合麻醉穿刺針進(jìn)行穿刺。穿刺成功后羅哌卡因組以0.2ml/s的速度向蛛網(wǎng)膜下間隙注入0.75%布比卡因(國(guó)藥準(zhǔn)字H20123147)+10%葡萄糖注射液1m L,輸注完畢后留置硬膜外導(dǎo)管;術(shù)中根據(jù)病情酌情增減麻藥,若基礎(chǔ)血壓下降大于20%給予麻黃堿15mg并加快輸液速度;若心率小于60次/min則給予阿托品0.5 mg[2]。

試件延性系數(shù)如表4所示。通過(guò)對(duì)組合樓板試件的延性系數(shù)分析可得,試件FL-1和試件FL-3的延性系數(shù)均大于3,滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50009—2012)[13]的要求。這表明在一定范圍內(nèi),通過(guò)減小桁架間距和鉚釘間距可以讓組合樓板具有較好的變形能力,能更好地實(shí)現(xiàn)組合作用。

表4 試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results

試驗(yàn)過(guò)程中,試件FL-1和FL-2的鋼桁架與底部鋼板均發(fā)生了一定的相對(duì)滑移,但是從圖11中并沒(méi)有看到明顯的滑移點(diǎn),這是因?yàn)樵谄渌麠l件不變時(shí),鉚釘連接的延性隨著板厚的增加而減小,當(dāng)連接的鋼板總厚度不超過(guò)4 mm時(shí),鉚釘連接有較好的延性。鉚釘受剪切破壞時(shí),鉚釘?shù)耐炔繌南掳鍎冸x,鉚釘?shù)念^部與上板分離,具有延性破壞特征。

2.5 受彎性能影響因素分析

2.5.1 鉚釘間距的影響

鉚釘間距由150 mm增加到200 mm時(shí),試件的抗彎承載力、延性系數(shù)和剛度分別變化了-10.6%、-17.9%、-14.0%。由此可見(jiàn),組合樓板的抗彎承載力、延性系數(shù)和剛度均隨著鉚釘間距的增加而減小。

2.5.2 配鋼率的影響

配鋼率由0.253%增加到0.405%時(shí),試件的抗彎承載力、延性系數(shù)和剛度分別變化了37.8%、15.6%、39.9%。由此可見(jiàn),組合樓板的抗彎承載力、延性系數(shù)和剛度均隨著配鋼率的增大而增大,對(duì)抗彎承載力和剛度的影響幅度最大。

3 結(jié)論

提出一種新型輕鋼鉚接桁架組合樓板,并對(duì)3個(gè)組合樓板試件進(jìn)行了單調(diào)靜力加載試驗(yàn)研究,得到以下主要結(jié)論。

(1)組合樓板具有較大的剛度和抗彎承載力;2個(gè)樓板試件的延性系數(shù)約為3,滿足建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

(2)樓板處于彈性階段時(shí),截面應(yīng)變沿截面高度基本呈線性分布,符合平截面假定。

(3)配鋼率和鉚釘間距對(duì)組合樓板的受彎性能均有較大影響。剛度、抗彎承載力和延性隨鉚釘間距的增大而減小,隨配鋼率的增大而增大,其中配鋼率對(duì)剛度和抗彎承載力的影響最為顯著。

(4)當(dāng)樓板破壞時(shí),鉚釘?shù)钠茐默F(xiàn)象為鉚釘?shù)耐炔繌南掳鍎冸x,鉚釘?shù)念^部與上板分離,具有延性破壞特征,說(shuō)明通過(guò)鉚釘連接鋼桁架和底部鋼板的方式是可行的。

(5)減小鉚釘間距在一定程度上可以更好發(fā)揮底部鋼板的抗彎能力,但是在150 mm的鉚釘間距時(shí),僅靠鋼桁架與底部鋼板之間鉚釘?shù)目辜暨B接,容易出現(xiàn)相對(duì)滑移,難以充分利用鋼板強(qiáng)度,建議進(jìn)一步減少鉚釘間距或增加配鋼率,以期更好地實(shí)現(xiàn)組合作用。