核电厂钢板混凝土结构一字型连接节点研究

王若冰, 李忠诚, 许海涛, 周 锋

(1 核电安全监控技术与装备国家重点实验室，深圳 518172；2 同济大学土木工程学院，上海 200092)

0 引言

钢板混凝土(steel-plate composite,SC)结构主要由内嵌或外包的钢板和混凝土构成,具有承载力高、延性好、抗爆抗冲击能力强的优点,抗震性能卓越[1],20世纪80年代由日本首先提出[2]。经多年发展,多国已颁布其核电应用的设计规范,包括美国的AISC N690[3]、日本的JEAG 4618[4]、韩国的KEPIC-SNG[5]和中国GB 51340[6]等。

我国《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[7]对不同轴压比、抗震等级的剪力墙构件规定了不同的构造要求,虽然加强了节点区的强度,但无法应用于SC结构。为此,本文对SC-RC墙一字型节点的力学性能进行研究,探究不同的连接构造对节点性能影响。设计了4个悬挑梁试件,受力简图见图1,SC-RC连接面产生的内力包括面外弯矩(HL1)和剪力(H),其数值与SC墙体和RC墙体最不利截面上的内力相同。

图1 一字型对接墙连接节点试件受力分析

1 试验概况

1.1 试件设计

试验研究对象为SC-RC一字型对接墙连接节点,为探究墙体剪跨比L1/T对试件破坏模式的影响(L1为计算截面跨度,T为墙厚),设计了1600mm和3000mm两种试件长度,H1600试件剪跨比为1.08,倾向于发生剪切破坏;H3000试件剪跨比为2.25,倾向于发生弯曲破坏。对于H1600试件,RC墙体纵筋伸入SC墙体后牢固焊接于SC墙体端板,构造D1和D2分别表示交界面有无抗剪键(2个轻工I10,伸入SC和RC长度均为200mm)。对于H3000试件,构造D3和D4分别表示RC墙体纵筋伸入SC墙体长度40d=1280mm(d为钢筋直径)后在SC墙体内有无设置锚固板,两种构造中SC墙体与RC墙体交界面均设置抗剪键。4个SC-RC一字型对接墙连接节点试件信息见表1,SC墙体截面构造信息见表2,构造见图2。RC墙钢筋由分布钢筋和拉筋组成,分布钢筋中的纵筋为432钢筋,横筋为间距200mm的32钢筋,垂直分布的拉筋为间距200mm的14钢筋。

表1 一字型对接墙连接节点试件

表2 一字型对接墙连接节点SC墙截面构造信息

图2 一字型对接墙连接节点试件示意图

1.2 材料力学性能

试件材料采用C30普通混凝土,Q235B钢板,HRB400钢筋和SWRCH15/18A栓钉。混凝土进行轴心抗压强度试验,采用同济大学建筑工程系“邦威”力学试验机加载,测得混凝土养护106d后立方体抗压强度为34.7MPa,养护119d后立方体抗压强度为34.8MPa;钢部件进行标准材性单轴拉伸试验,采用同济大学建筑工程系“邦威”力学试验机加载,试验结果见表3;SWRCH15/18A栓钉的材性试验委托浙江国检检测技术股份有限公司进行,试验结果见表4。

表3 钢部件材性试验结果

表4 栓钉材性试验结果

1.3 加载方案

根据《建筑抗震试验方法规程》(JGJ 101—1996)[8],采用力-位移联合控制的方式进行滞回加载,每级3圈。采用同济大学建工系试验室台座系统进行加载,加载装置见图3、4,试件加载端使用200t电液伺服作动器施加竖向往复荷载,试验加载制度见图5。

图3 H1600系列试件装配示意图

图4 H3000系列试件装配示意图

图5 试验加载制度

试验前需进行有限元预分析以及理论公式计算,预测单调加载时节点的峰值荷载Hn。有限元预分析中混凝土强度按照文献[9]取值。首先用力控制,以0.25Hn为一级,每一级循环2次直至0.75Hn。读取0.75Hn级的第一次循环达到的最大位移δ0.75Hn,据此计算位移控制阶段第一级的加载位移δn=1.33δ0.75Hn。此后以0.5δn的增量进行位移加载,每一级循环3次。当侧向荷载降至峰值荷载的85%以后或试件变形导致竖向作动器无法稳定加载时结束试验。

1.4 测试方案

试验中采用单向应变片、应变花、位移计来测量试验过程中的应力、位移等关键数据,以供后续计算分析。各试件的测点布置数量见表5,位移计测点布置见图6,各个位移计的布设位置、方向及用途见表6,应变片测点布置见图7,各个应变片的布设位置、方向及用途见表7。

表5 各试件的测点布置数量

表6 各位移计的位置及用途

表7 应变片的位置及用途

图6 一字型对接墙连接节点试件位移计布置示意

2 试验现象和破坏机理分析

2.1 节点各工况综合受力典型记录

试件H1600-D1:SC-RC交界面上设置抗剪键。荷载较小时,材料均处于弹性阶段,混凝土未开裂;当荷载达220kN时,SC-RC交界面附近RC墙出现弯曲裂纹;荷载增大至330kN,RC墙出现斜裂缝,支座段出现竖向裂缝;随后,RC墙斜裂缝继续发展,当荷载加至约430kN时,SC墙段出现弯剪裂纹;很快RC墙斜裂缝贯通,SC墙段斜裂缝明显,支座段竖向裂缝增多,荷载达到峰值约620kN后开始下降;加载端位移继续增大,RC墙斜裂缝明显拓宽,混凝土损伤较大;然后,RC墙混凝土双向剪切破坏脱落,SC-RC交界面由于抗剪键的存在而相对完好,最终破坏状态见图8(a)。

相较试件H1600-D1,试件H1600-D2在SC-RC墙体交界面不设抗剪键。与试件H1600-D1类似,荷载达220kN时,交界面附近RC墙出现弯曲裂纹并沿交界面贯通;荷载增大至330kN,RC墙出现斜裂缝,支座段出现竖向裂缝;随后,RC墙斜裂缝继续发展,当荷载加至约450kN时,SC墙段出现弯曲裂纹;与试件H1600-D1类似,荷载增大到500kN以上时,试件H1600-D2的RC墙斜裂缝贯通拓宽,SC墙段斜裂缝明显,不同之处在于,由于缺乏抗剪键,试件H1600-D2沿SC-RC交界面的竖向裂缝增多拓宽,荷载达到峰值约590kN后开始下降,承载力相比试件H1600-D1略小;当加载端位移继续增大,RC墙斜裂缝明显拓宽,交界面脱开,混凝土损伤较大;然后,交界面混凝土破坏严重,RC墙混凝土双向剪坏掉落,最终破坏状态见图8(b)。

试件H3000-D3:RC墙体纵筋伸入SC墙体40d后焊接于内设锚固板。荷载较小时,混凝土未开裂;当荷载达到190kN时,RC墙及中间支座段出现数道弯曲裂纹;荷载增大至285kN时,RC墙弯剪裂缝增多扩展,中间支座段竖向裂缝贯通,SC墙段出现弯曲裂纹;随后,RC墙裂缝继续发展,中间支座段裂缝较大,SC-RC交界面脱开,荷载变化不大;随后,SC-RC交界面脱开量明显增大,RC墙变形明显,交界面附近混凝土碎裂,大面积掉落,钢筋裸露,荷载随之大幅下降,可发现RC墙纵筋变形明显,最终破坏状态见图8(c)。

相较于试件H3000-D3,试件H3000-D4 RC墙体纵筋伸入SC墙体40d后没有设置锚固板构造。与H3000-D3类似,当荷载达到190kN时,RC墙及中间支座段出现数道弯曲裂纹;荷载增大至285kN时,RC墙弯剪裂缝增多扩展,中间支座段竖向裂缝贯通,SC墙段出现弯曲裂纹;随后,加载端位移增加,但荷载下降不明显,RC墙与SC墙裂缝继续发展,中间支座段裂缝扩大,SC-RC交界面脱开量明显增大,RC墙混凝土掉落,SC墙裂缝增多;滞回加载导致混凝土损伤逐渐累积,交界面附近RC墙混凝土碎裂拱出,破坏严重,荷载下降,最终破坏状态见图8(d)。

2.2 传力机理和破坏模式

试件承受面外弯矩和剪力:SC墙体上下两侧钢板承担弯矩,混凝土及对拉槽钢承担剪力;RC墙体上下两侧纵筋承担弯矩,混凝土及拉筋承担剪力。试件变形包括弯曲和剪切两部分。

随着荷载的增大,RC墙体受拉侧混凝土率先开裂,此时纵筋拉应变显著增大,中性轴逐渐向受压区偏移;同时剪力使RC墙体混凝土产生明显的剪切斜裂缝。相较于RC墙体,SC混凝土开裂程度明显较轻,且开裂时间较晚。随着RC墙体混凝土裂缝的开展,SC-RC连接区也出现了竖向裂缝。

最终,试件H1600-D1和H1600-D2中RC墙体的纵筋和拉筋均屈服,试件表现为弯剪破坏;试件H3000-D3和H3000-D4的RC墙体纵筋率先屈服,混凝土剪切斜裂缝开展程度较H1600系列试件明显减轻,试件表现为弯曲破坏。所有试件中,SC墙体均未发生破坏,SC-RC连接界面均未见错动,RC纵筋均未见拔出。

3 试验结果分析

3.1 荷载-应变曲线

荷载-位移曲线上的纵坐标为试件端部加载点荷载,读取200t作动器上传感器的读数,记为P,正值表示压力,负值表示拉力。横坐标为应变变化量,应变均为钢构件上应变片的读数,拉应变为正,压应变为负。应变片量程有限,一般在弹性应变范围内的数据较为稳定,必要时会选取弹性段的应变数据进行分析。根据各试件的荷载-应变曲线,得到以下规律:1)弯矩作用下,由于混凝土拉压性能不同,受拉一侧钢板或钢筋应变总是大于受压另一侧钢板或钢筋的应变值;2)对于试件H3000,在RC钢筋锚固范围内远离交界面的截面上,钢板与钢筋应变相差不大,说明该处应变协调,40d的锚固长度满足SC-RC一字墙型连接要求;3)RC拉筋与SC拉结构件大多以受拉为正常工作状态,说明它们通过阻止混凝土受剪后向外膨胀发挥抗剪作用;4)抗剪键在各试件中受力均不大,且主要产生垂直截面方向的正应力,为截面提供了一部分抗弯承载力。抗剪键的抗剪功能主要通过销栓作用实现,在其长度范围内可保持SC-RC交界面的相对完整性。

3.2 骨架曲线

由位移计测得试件加载端竖向位移,取试件加载端两个竖向位移计(D1和D2)读数的平均值记为Δ。提取4个面内加载试件的骨架曲线见图9,由图9可知:

图9 试件的骨架曲线

(1)试件H1600-D1加载端荷载-位移曲线与普通钢筋混凝土梁相似。加载初期,试件H1600-D1滞回曲线基本为直线,结构处于弹性工作阶段;当位移加至约22mm时,滞回曲线出现拐点,并进入一个较为稳定的平直段,这是RC墙钢筋进入屈服平台造成的;随后,滞回曲线逐渐下降,并呈现出捏缩滑移特点,这是由于往复加载过程中混凝土所受剪力接近斜截面抗剪承载力,裂缝不断张开闭合导致损伤累积,混凝土逐渐退出工作,从而削弱了结构的承载能力和耗能能力。

(2)试件H1600-D2和H1600-D1的荷载-位移曲线从形状看非常相似,但相比试件H1600-D1,试件H1600-D2由于缺乏抗剪键,承载力稍低。

(3)随荷载不断增大,混凝土开裂导致试件刚度不断下降,骨架曲线斜率逐渐减小并在试件丧失承载力后转为负值。

(4)试件在两种不同方向水平荷载作用下的承载能力、变形能力基本相同,作动器拉力作用下的水平承载力较作动器推力作用的水平承载力略低。其主要原因可能是:同一级别水平荷载施加时均先施加推力,推力对墙体试件造成一定程度损伤后再反向施加拉力,因此相应承载力会略微减小。

3.3 承载能力与延性指标

骨架曲线特征点包括屈服点D、峰值点E和极限点F,图中峰值点E可直接获得,极限点F定义为骨架曲线承载力下降至85%峰值荷载对应的点。试件屈服点可用图10所示的作图法确定[10]。一字型对接墙连接节点试件承载力见表8,延性指标见表9。

表8 一字型对接墙连接节点试件承载力

表9 一字型对接墙连接节点试件延性指标

图10 作图法确定骨架曲线的特征点

4 结论

(1)SC-RC一字型对接墙连接试件承受剪力和弯矩共同作用,SC墙体上下两侧钢板承担弯矩,混凝土及对拉槽钢承担剪力;RC墙体上下两侧纵筋承担弯矩,混凝土及拉筋承担剪力。

(2)试件均先后出现了RC墙体受拉侧混凝土开裂、RC墙体混凝土产生斜裂缝、SC混凝土轻微开裂、SC-RC连接区产生竖向裂缝等现象。最终,H1600-D1和H1600-D2试件中RC墙体中纵筋和拉筋均屈服,试件表现为弯剪破坏;试件H3000-D3和H3000-D4试件RC墙体纵筋率先屈服,混凝土剪切斜裂缝开展程度较H1600系列试件明显减轻,试件表现为弯曲破坏。所有试件中,SC墙体均未发生破坏,SC-RC连接界面均未见错动,RC纵筋均未见拔出。

(3)各试件的荷载-位移曲线与普通钢筋混凝土梁类似,呈现出明显的捏拢效应,滞回圈不够饱满。承载力方面,H1600试件高于H3000试件,配有抗剪键的H1600-D1试件略高于无抗剪键的H1600-D2试件,设置端锚措施的H3000-D3试件略高于未设端锚措施的H3000-D4试件;延性方面,H3000试件优于H1600试件,无抗剪键的H1600-D2试件优于配有抗剪键的H1600-D1试件,未设端锚措施的H3000-D4试件优于设置端锚措施的H3000-D3试件。

(4)对于H1600试件,抗剪键构造能有效保护SC-RC交界面,保持连接面的相对完整性,对提高连接强度效果有限;对于H3000试件,RC纵筋伸入SC的锚固长度40d是足够的,端锚措施可略微提高承载力。