双钢板混凝土偏压构件受力性能试验研究

2021-12-07雷升祥李占先

石家庄铁道大学学报(自然科学版) 2021年4期

雷升祥,李占先,刘勇

(1.中国铁建股份有限公司，北京 100855；2.中铁十四局集团有限公司,山东济南 250000;3.石家庄铁道大学土木工程学院,河北石家庄 050043)

0 引言

随着地下空间开发利用规模及范围的不断扩大，复杂环境下建造的地下空间项目将越来越多，提出安全性高、对周边环境影响小的地下结构形式具有重要意义[1-5]。管幕预筑结构由钢管、钢板、钢筋混凝土、立柱组成，具有整体刚度大、地层变形控制能力强等优点，适用于修建地铁车站、下穿既有建筑等地表沉降控制要求严格的复杂环境下地下工程。施工时，先将钢管顶进，切割钢管两侧，用2块钢板将切割后相邻钢管焊接，上下2块钢板之间架设钢立柱，在所形成的空间内浇筑混凝土[6]，最终形成的典型结构形式如图1所示。将此类结构应用于地下工程中，不仅提高了结构可靠性，而且能够有效减少对既有建筑的影响、降低地表沉降，在地下工程中应用前景广阔[7-8]。目前,此类结构在国内已成功应用于沈阳新乐遗址地铁站和太原迎泽大街下穿火车站工程，但管幕预筑板系结构的设计方法目前尚未形成体系，以往的设计中按照传统钢筋混凝土结构进行设计，未考虑钢板的承载能力。在此类结构中，如能采取合理的措施，使钢板和混凝土之间具有足够的连接，形成组合作用，共同参与受力，可将结构构件的承载能力发挥到最大，进而减小截面尺寸，降低工程造价，获得最大经济效益。

图1 管幕预筑结构

管幕预筑结构中，当按照或接近合理拱轴线设计断面时(图1)，截面主要承受轴向力或者较小弯矩的作用，可以视为轴心受压构件，但受现场各种因素的影响，某些情况下实际工程中管幕预筑结构的设计断面与合理拱轴线相差较大，构件截面轴力有较大偏心距[9]，处于具有较大弯矩的偏压状态，管幕预筑结构本质上属于双钢板-混凝土组合结构。地上工程中，双钢板-混凝土组合构件主要为墙式构件或梁式构件，现有研究成果主要针对构件的受弯[10-11]、轴压[12-14]、压弯[15]及受剪性能[16]，对于偏压性能的研究鲜见报道，因此有必要对双钢板-混凝土组合偏压构件的受力机理和破坏模式进行深入研究，为形成合理的管幕预筑结构设计方法提供理论基础。

本论文设计完成了3根双钢板-混凝土组合构件偏压试验，探究偏压构件受力全过程力学性能，分析栓钉配置对试验构件的受力性能及破坏形式的影响，研究设置栓钉对构件极限承载力、界面滑移及截面应变分布规律等的作用，得出其受力机理。

1 试验概况

以偏心距和连接件布置为参数，设计制作3个具有相同尺寸的双钢板-混凝土组合偏压试件，根据实验室加载设备的量程，并结合现有偏压试验相关研究，初步选定试件的形状及相关参数取值如图2和表1所示，试件工作段长度为300 mm，上下两端均设置牛腿，加强牛腿处配筋，并在牛腿范围内，将钢板与混凝土用加密的栓钉连接，使得构件工作段各截面均处于全截面共同受力状态。连接件采用栓钉形式。

图2 试件设计(单位：mm)

表1 试件基本设计参数 mm

试件制作过程为：①按设计尺寸加工相对受拉及受压侧钢板；②在钢板指定位置焊接栓钉，并在测点位置粘贴应变片，安装顶底侧木模板，见图3(a)、图3(b)；③按试配出的混凝土配合比进行混凝土拌和，浇筑混凝土形成整体，并在标准条件下养护，粘贴混凝土应变片，见图3(c)、图3(d)。

图3 试件制作

位移计及应变片测点布置如图4所示，测量试验柱工作区段截面上的应变分布，在中间截面的混凝土上粘贴4个混凝土应变片，同样高度钢板的中间位置内、外两侧各粘贴1个应变片。加载装置如图5所示，图中矩形块为应变片，圆圈为位移计，受拉钢板及受压钢板两侧(内外)相同位置上均贴有应变片。

图4 位移计及应变片测点布置

图5 试验加载装置示意图(单位：mm)

采用非接触式光学3D应变测量系统测量界面滑移及跨中挠度。如图6所示，散斑点P0位置最靠近受拉侧，P1和P2点分别位于界面两侧且非常靠近界面的钢板和混凝土上，采用DIC技术，测量P0点的水平位移，所得结果即为构件的跨中挠度，测量P1和P2点水平位移和竖向位移，两点的竖向位移差即为滑移，水平位移差即为界面剥离。

图6 非接触式光学3D应变测量系统

2 试验结果及分析

2.1 试验现象及破坏形态分析

WSD试件加载至50 kN时，试件发出“噼啪”声响，上部牛腿受压侧钢板与混凝土之间出现微裂缝；至473 kN时，上部牛腿与工作段结合处下方的受压区出现竖向微裂缝，并快速向下发展；至520 kN时，试件受压区的竖向裂缝继续增加，受拉区混凝土没有明显变化;荷载继续增加，距离试件顶部300 mm的范围内受压侧钢板与混凝土接触面上出现少量起皮、脱落现象，此后，裂纹不断开展延伸；加载至670 kN时，试件整个工作区段受压侧钢板与混凝土交界面上混凝土不断脱落(图7(a))；至691 kN时，构件承载力下降，受压区混凝土并没有立刻压溃，这是由于钢板对混凝土有一定的约束作用，混凝土没有直接剥落，随着加载的进行，试件发出较大“噼啪”声，试件表面的混凝土逐步剥落；荷载下降到670 kN时停止加载，表现为明显的小偏心受压破坏特征。DSD试件与WSD试件破坏过程基本相似，均为脆性破坏，主要区别为DSD试件的裂缝总体上更为均匀，且宽度较小。

图7 试件破坏形式

SSD试件加载至150 kN(30%最大荷载)时，试件顶部牛腿范围内出现竖向微裂纹；加载至250 kN时，竖向微裂缝继续发展，上、下牛腿相同位置均出现竖向裂缝；加载至300 kN时，牛腿顶部混凝土保护层开始出现压酥迹象，此后竖向裂缝继续向下延伸(图7(b))；加载至377 kN时，上部垫板呈现两边向上凸起的趋势，下部垫板两侧则向下凸起；加载至425 kN时，上下垫板的变形已非常明显；加载至441 kN时，正面牛腿下部范围内混凝土压碎脱落；加载至448 kN时，背面裂缝加宽，周围混凝土压碎，无法继续增加荷载，试验结束。由于试件距厚比较小，因而DSD、WSD及SSD 3试件均未出现钢板屈曲的现象。

2.2 荷载-变形曲线

试件的荷载-侧向挠度曲线如图8(a)所示，侧向挠度值为3D应变测量系统中提取的试件柱中部散斑点的位移信息。从图8(a)中可以看出，加载初期，试件处于弹性工作阶段，达到50 kN后，试件开裂，进入带裂缝工作状态，刚度稍有降低，在521 kN和503 kN时，WSD试件与DSD试件受压侧钢板发生屈服。WSD试件在达到峰值荷载后，立即发生破坏，而DSD试件有一个较短的平台段，延性比WSD试件好。总体上，2个试件的开裂荷载、受压侧钢板屈服的荷载以及峰值荷载较为接近，刚度基本一致，均在达到峰值荷载后很快发生破坏，未出现明显的下降段，延性较差，呈现出脆性破坏的特征。图8(b)为偏心距为60 mm，两侧均布置了栓钉试件，由于该试件偏心距较大，且存在安装误差，在加载初期(侧向挠度1 mm之前)测得构件挠度偏大，导致初期刚度过小。

图8 试件的荷载-变形曲线

2.3 截面应变分布

为测得试件截面上的应变分布，在跨中截面距离对称轴不同高度上粘贴7个应变片。图9所示为跨中截面的应变分布图，图中最左及最右侧两点为相应一侧钢板内外两面上布置的测点(图4)。从截面应变图中可以看出，即使未布置连接件的受拉侧钢板上，应力也较大，设计中应充分考虑两侧钢板对承载力的贡献。试件中间核心混凝土上3个测点的应变分布完全符合平截面假定，截面应变分布斜率基本相同，受拉侧钢板上应变分布斜率与混凝土上应变分布斜率并不一致。在加载初期中，两者斜率差值较小，随着荷载等级的增大，斜率差值增加，说明界面滑移在增大。

图9 截面分布应变图

WSD试件的整个截面上，3部分材料的应变呈3段折线形分布(图9(a))，也就是在试件拉、压侧钢板与混凝土界面上，既不是完全组合，也不是完全叠合，而是一种介于组合及叠合之间的带有界面滑移的状态。DSD试件受压侧应变分布线的斜率基本与混凝土应变分布斜率相同，这主要因为DSD上受压侧钢板与混凝土的界面上设置有栓钉，有效地减小了界面滑移，但因受拉侧存在界面滑移，应变分布斜率与混凝土应变分布斜率不同，整个截面上应变分布规律呈2折线形分布(图9(b))。与WSD试件与DSD试件相比较，SSD试件由于设置了受拉侧连接件，因而更符合平截面假定(图9(c))。

2.4 荷载-界面滑移分析

WSD试件“相对受拉侧”钢板与混凝土界面上的荷载-滑移曲线如图10(a)所示，可以看出，加载初期，滑移量随荷载缓慢增加，加载至400 kN之前，滑移量仅为0.01 mm，此后滑移量增加较快，该结果与图9(a)所示截面应变分布中，受拉侧钢板上的应变略小于平截面假定值，且加载过程中钢板与混凝土应变差值随荷载的增大而增大的趋势一致。

图10(b)所示为偏心距为60 mm的SSD试件远离偏心距一侧(受拉侧)的荷载-滑移曲线。可以看出，试件加载至30 kN前，受拉侧钢板与混凝土之间的滑移在较小荷载作用下快速增大，这主要是因为SSD试件在远离轴力的一侧受拉，由于加载板无法传递拉力，荷载仅能直接作用在混凝土和受压钢板上，借助受拉侧钢板与混凝土之间的化学黏结力带动受拉侧钢板受力，另外传感器、加载板、试件之间存在间隙，因此加载初期滑移较大。随着荷载的增大，滑移刚度增大，这主要是因为随着化学黏结作用破坏，栓钉发挥抗剪作用。

图10 试件的荷载-滑移曲线

通过WSD试件与SSD试件相对受拉侧钢板与混凝土之间的滑移曲线对比可知，在端部约束为牛腿形式的双钢板混凝土偏压试件中，由于端部并不是刚臂，因而施加的偏心外荷载很难保证共同施加于整个截面上，无论是整个的加载过程中处于全截面受压的WSD试件，还是布置了栓钉的SSD试件，在“相对受拉侧”均产生了一定的界面滑移。SSD试件滑移量较WSD滑移量小50%以上，也说明了栓钉在试件中发挥了作用。此外，两试件均未出现界面剥离现象。