轻钢泡沫混凝土组合板承载能力研究

刘殿忠，徐传梁，初旭超，刘婉娟

吉林建筑大学 土木工程学院，长春 130118

0 引言

新型组合楼板系统采用冷弯薄壁C型钢与横向钢板带连接形成钢骨架,浇筑泡沫混凝土后形成单向组合楼板[1-4].由于其重量轻和优良的耐火性能,这种新型组合楼板系统可在多层建筑中应用,目前这种新型组合楼板体系的抗弯承载能力和破坏机理尚不清晰[5-6].因此,本文对采用冷弯薄壁C型钢组合楼板进行全尺寸弯曲试验,进一步研究这种组合楼板的破坏机理和抗弯承载力.同时,利用ABAQUS软件建模分析,研究了不同设计参数对组合楼板结构性能的影响.

1 抗弯试验

四点抗弯试验在吉林建筑大学土木工程实验中心进行,其测试设置和测试过程如下.

1.1 试件设计

设计制作了2个试件,如图1所示.其编号为B-1和B-2,除B-2组合板在下部钢板带上设置了栓钉外,2个试件的其它参数均相同.栓钉直径为13 mm,长度为60 mm. C型钢纵向放置,作为主骨架,横向由钢板带连接.泡沫混凝土浇筑后形成单向组合板.组合板尺寸为3 000 mm×1 000 mm×150 mm,钢材采用Q235B,泡沫混凝土[7-8]的密度为1 200 kg/m3,抗压强度为17.8 MPa.C型钢截面尺寸为C 100 mm×50 mm×20 mm×2.0 mm,间距180 mm.横向钢板带为50 mm×2.0 mm,间距200 mm.

(a)B-1 (b)B-2图1 C型钢与泡沫混凝土组合楼板Fig.1 Foam concrete composite floor slabs with C-channel embedment

1.2 试验装置

图2为组合板的四点弯曲试验装置.一端采用固定铰支座,另一端采用滚柱支座.MTS测试系统与电液伺服系统用于垂直加载.MTS测试系统中的传感器可以直接将压力传感数据传输到计算机系统,并可以通过计算机控制加载速率、切换加载方式、改变加载和位移.

图2 组合板弯曲试验装置Fig.2 Composite slab bending test device

1.3 仪表布置

在测试过程中,粘贴在C型钢上的应变片预埋在试件内不同位置,用于监测C型钢的应变变化.同时在泡沫混凝土上表面也相应布置了应变片,以便测量泡沫混凝土的应变变化情况.位移传感器分别安装在跨中、加载点和支座处,其位置情况如图3所示,同时使用裂缝测量仪用于记录组合板裂缝开展情况.

图3 加载点及仪器布置情况Fig.3 Loading point and instrument layout

1.4 加载程序

利用MTS测试系统,在加载过程中采用载荷-位移联合控制方法.试验开始由荷载增量控制加载级别,加载速度为2 kN/min,出现裂缝后,加载速度调整为1 kN/min,直到试件出现较大的非弹性变形为止.当试件出现较明显的塑性变形后,更改加载方式,由跨中竖向位移的增量来控制加载级别.以跨中挠度增加5 mm为一级,直到试件的荷载-挠度曲线出现了下降段,纯弯段受压区混凝土被压碎,方可停止加载.

1.5 测试结果与讨论

试验可分为3个阶段:弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段.在加载初期,C型钢和泡沫混凝土的应力和应变较小.随着荷载的增加,当荷载达到极限荷载的15 %左右时出现裂纹.当荷载进一步增大时,复合楼板进入弹塑性阶段,纯弯曲区弯曲裂缝数量增加,裂缝宽度变宽,部分裂缝通过C型钢传播.此时,组合板受拉区拉力被C型钢下翼缘完全抵抗.除纯弯曲区出现裂缝外,当荷载达到极限荷载的50 %时,剪跨区段也出现竖向裂缝.C型钢上翼缘处于受压状态,下翼缘处于拉伸状态,C型钢下翼缘在拉伸状态下开始屈服,上翼缘仍处于弹性阶段.下翼缘屈服后,复合板的裂缝宽度相应增大.组合板截面中性轴略有上升.随着荷载的不断增大,C型钢上翼缘开始屈服,泡沫混凝土的应变逐渐增大,最终泡沫混凝土被压碎破坏,如图4所示.

图4 试验现象Fig.4 Testing phenomenon

1.5.1 荷载-位移曲线

图5为实测荷载与构件跨中挠度关系曲线,试件B-1和B-2几乎完全一致,说明试件B-2在其下部钢板带上设置栓钉对控制组合板的挠度没有作用. 因此,后面的模拟、验证及对比分析等均以试件B-1的实测数据为准.可以看出,在初始阶段,楼板与普通混凝土楼板一样发生变形.这是由于C型钢与楼板弹性阶段泡沫混凝土的相容性.随着荷载的增大,楼板底部出现裂缝,受C型钢的影响,楼板的挠度迅速增大,但荷载增加不大,楼板处于弹塑性阶段.随着裂缝的发展,楼板进入塑性阶段,混凝土与C型钢之间的滑移使楼板的抗弯刚度急剧减小,直至楼板破坏.

图5 组合板荷载-位移曲线Fig.5 Load-displacement curve of composite slab

1.5.2 载荷-应变的关系

由图6可知,在荷载较小时,泡沫混凝土和C型钢骨架应变沿板截面高度均呈线性分布.但随着荷载的增大,其分布呈现非线性,这是由于C型钢骨架和泡沫混凝土之间的滑移.当荷载小于极限荷载的70 % 时,泡沫混凝土的压缩应变增长缓慢;当荷载大于极限荷载的70 % 时,泡沫混凝土的压缩应变以较快的速度增长,直至试件破坏.当荷载小于极限荷载的90 % 时,C型钢的压缩应变基本呈线性变化;当荷载达到极限荷载的90 % 时,C型钢的压缩应变基本达到屈服,进入塑性阶段,直至破坏.

(a) 泡沫混凝土

(b) C型钢骨架

2 有限元建模分析

利用Abaqus建立泡沫混凝土组合单向板的有限元模型.泡沫混凝土采用三维C3D8R实体单元进行模拟,冷弯薄壁C型钢采用三维S4R线性四边形壳单元.两端边界条件复制了试验过程中的支承条件,在模拟中也复制了四点加载方法.边界条件及加载方式:边界条件的设置与试验相同,设为支座两端边界条件为简支,加载方式为位移加载.网格划分:网格的疏密程度直接影响到计算工作量与精确度,所以网格应该尽量划分在合理的范围之内,并采用Embedded element技术把分布横向钢板带与C型钢嵌入泡沫混凝土中,即对应节点耦合在一起,同时假定二者界面无相对位移.

2.1 材料本构模型

模拟中使用的泡沫混凝土本构模型采用何书明给出的本构关系[9-10],一般情况下,泡沫混凝土的抗拉强度约为其抗压强度的1/15,假定泡沫混凝土的受拉本构模型同受压本构模型,且达到极限受拉强度后仍保持强度不变.钢材本构模型采用理想弹塑性体的双折线模型,不考虑强化阶段.

2.2 模型验证

利用组合板B1的试验结果进行模型验证.C型钢截面尺寸为100 mm×50 mm×20 mm,壁厚为2.0 mm, C型钢间距为180 mm;泡沫混凝土密度为1 200 kg/m3,钢材为Q235B.图8为泡沫混凝土和C型钢的应力分布,图7分别给出了泡沫混凝土板和C型钢的Mises应力分布情况.

(a) 泡沫混凝土

(b) C型钢骨架

图8为实测荷载-挠度曲线与模拟结果的对比,试验结果与模拟结果吻合较好,表明可以采用该模型进行相关分析.

图8 试验和模拟荷载挠度曲线的比较Fig.8 Comparison of experimental and simulated load deflection curves

3 采用有限元模型进行参数化研究

采用以验证的Abaqus模型进行参数化研究,揭示了不同参数对组合板承载力.C型钢采用对称布置的钢板带连接,其钢板带的宽度和厚度分别为50 mm和2.0 mm.钢板带的长度与C型钢骨架的宽度相同.

3.1 C型钢间距的影响

图9为C型钢在间距为180 mm,220 mm,300 mm及450 mm时的荷载-挠度曲线.在弹性阶段,随着C型钢间距的减小,组合板的含钢量增大,曲线斜率增大,表明组合板的抗弯刚度有所提高.同时,相应模型在塑性阶段的承载力和极限荷载也得到了提高.根据模拟C型钢间距对组合板极限承载力的影响分析,当含钢量每增加1 %时,组合板的极限承载力将增加0.23 %～0.76 %.

图9 C型钢间距改变组合板荷载-位移曲线Fig.9 Load-displacement curves of composite slabs with C-section spacing changes

3.2 C型钢强度等级的影响

C型钢强度等级分别为235 MPa,355 MPa,390 MPa和420 MPa.选择模型参数为:钢板带间距为200 mm,泡沫混凝土密度1 200 kg/m3,图10为不同型钢强度等级对应的荷载-挠度曲线.由于钢材强度增加,相应模型在塑性阶段的承载能力和极限荷载得到提高.在弹性阶段,不同模型的斜率是相同的,增加钢材强度对组合板的整体刚度没有影响.钢材强度等级对组合板极限承载力的影响:当钢材强度提高1 %时,组合板的极限承载力将提高0.65 %～0.72 %.

图10 钢材强度等级变化的荷载-位移曲线Fig.10 Load-displacement curves of steel strength grades

3.3 泡沫混凝土强度(密度)的影响

泡沫混凝土密度越大其抗压强度越高,分析其密度分别为800 kg/m3,1 000 kg/m3,1 200 kg/m3和1 600 kg/m3时,泡沫混凝土的抗压强度对组合板的影响.选择模型参数为: C钢及钢板带参数同B1,钢材强度为235 MPa,C钢间距为180 mm,钢板带间距为200 mm,只考虑泡沫混凝土强度的一个因素.图11为泡沫混凝土强度变化的荷载-挠度对比曲线.

图11 不同等级泡沫混凝土的荷载-位移曲线Fig.11 Load-displacement curves of different grades of foamed concrete

随着泡沫混凝土强度的增加,组合板的极限承载力也随之增加.在弹性阶段,泡沫混凝土的弹性模量随泡沫混凝土密度增大,整个模型的刚度增大,变形越小.泡沫混凝土对应的抗压强度值每增加1 %,组合单向板的极限承载力将提高0.17 %～0.23 %.综上所述,增加泡沫混凝土的强度,将增加组合板的刚度,有助于提高组合板的承载力.

4 结论

本文通过全尺寸试验和有限元模型研究了C型钢泡沫混凝土组合楼板的抗弯承载力和破坏模式.尽管轻钢-泡沫混凝土组合楼板具有一定的承载力与延性,但组合楼板的刚度相对偏小,往往过早出现裂缝,作为新型材料的高密度泡沫混凝土用于承重结构的受力性能研究还很少,尚不够成熟.此外,文中建模分析没有考虑冷弯型钢与泡沫混凝土之间的粘结滑移.下一步将针对该项目研究的局限性,开展深入细致的研究工作.项目研究结论如下:

(1) 试验表明泡沫混凝土和C型钢形成组合楼板能够共同工作,且具有较好的承载能力和变形能力,但组合楼板的刚度偏小,后期变形发展较快.在达到极限状态时,C型钢上下翼缘及部分腹板均已达到了钢材的屈服强度,组合楼板的塑性变形发展较为充分.

(2) 通过荷载-挠度曲线和荷载-应变曲线的对比分析,表明模拟结果与试验结果吻合较好.

(3) C型钢的间距越小,即含钢量越大,组合楼板的承载能力越高.

(4) 泡沫混凝土的强度越大组合楼板的承载能力越高,同时刚度增大.

(5) 型钢钢材强度提高可使组合楼板的承载能力提高,对组合楼板的刚度没有影响.