双钢板混凝土组合结构起波钢筋连接件的拉伸力学性能研究

2024-01-31卫林强赵唯以

青岛理工大学学报 2024年1期

卫林强,赵唯以

(青岛理工大学土木工程学院,青岛 266525)

双钢板混凝土组合结构(double-skin steel-concrete composite structure,简称SC结构)是由外部两侧钢板、内部素混凝土以及连接件组成的一种结构形式。该结构中,连接件可以协同混凝土和钢板之间的工作,典型的SC结构形式如图1所示。在受力状态下,内部混凝土受到外部两侧钢板的约束,强度和变形能力提高;同时在内部混凝土的支撑作用和对拉连接件的拉结作用下,钢板不易发生屈曲。因而这种结构形式充分发挥了两种材料的优点,具有很好的承载能力,近年来得到了广泛的工程应用[1]。

图1 典型的SC结构形式

连接件对SC结构组合作用的发挥有着至关重要的影响。REMENNIKOV等[2]对未设置连接件的SC防护墙进行了落锤冲击试验,结果表明,外侧钢板与混凝土发生较大分离,承载能力较低,整个结构的耗能通过两端固定约束钢板的拉伸变形来实现。

为了减小钢板和混凝土的分离,SOHEL等[3]提出了设置成对拉结的J-hook连接件,并对该连接件形式的SC板进行落锤冲击试验。结果表明J-hook连接件能有效防止钢板和混凝土分离,承载能力得到有效提高。ZHAO等[1,4-10]对普通钢筋对拉连接件的SC板进行了落锤冲击试验,结果表明普通钢筋对拉连接件同样可以防止钢板和混凝土的分离,但在大变形下连接件最先失效,成为限制SC结构变形能力和耗能能力的瓶颈。

类似变形能力不足的问题在钢筋混凝土(RC)梁中已得到有效解决。FENG等[11-13]提出起波钢筋,并将其配置在RC梁中。通过试验发现RC梁在发生破坏时,起波处钢筋先拉直后拉断,极大地提高了RC梁的变形能力。樊源等[14-15]对起波配筋RC梁在爆炸作用下的破坏过程进行了分析,发现设置起波钢筋能显著增加变形,耗能能力和抗爆性能大幅提升。

基于起波配筋RC梁的实践经验,本文提出一种采用起波钢筋连接件(kinked-rebar,简称KR连接件)的SC结构形式(简称KR-SC结构),解决大变形下现有各种连接件变形能力和耗能能力不足的问题。为探明KR连接件的受力性能,本文设计12个 KR-SC 板单元体试件,并展开拉伸试验,研究连接件直径和起波角度对破坏位移、拉断力、耗能能力的影响,为KR-SC结构的设计和应用提供理论依据。

1 试验概况

1.1 试件设计

本文共设计12个KR-SC板单元体试件。参考AP1000核电站SC模块化施工方法,KR-SC板根据1/5缩尺SC模型进行制作,如图2所示。所有试件的尺寸为150 mm×150 mm×150 mm,其中混凝土厚度为144 mm,两侧钢板厚度为3 mm。KR连接件的起波长度l为70 mm,变化参数为起波角度θ(0,30,45和60°,其中0°试件为试验对照组)和钢筋直径d(6,8,10 mm)。表1列出了12个KR-SC板单元体试件的详细参数。

表1 KR-SC板单元体试件设计参数

图2 KR-SC板单元体试件(单位:mm)

1.2 材料性能

KR-SC板单元体所用钢板为Q235B钢材,KR连接件采用HPB235级钢筋。根据《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》(GB/T 228.1-2010)[16],对钢板和钢筋的材料性能进行测试,结果见表2和表3。

表2 钢板材料性能

表3 钢筋材料性能

KR-SC板单元体所用混凝土为自密实混凝土,最大骨料粒径为10 mm。制作单元体试件的同时,预留标准立方体试块并同条件养护28 d。测得混凝土立方体抗压强度的平均值为57.7 MPa,弹性模量的平均值为3.05×104MPa。

1.3 试验加载及数据采集

采用WAW-600A型万能试验机对KR-SC板单元体试件进行拉伸试验。试验机可以采用力控制和位移控制两种方法加载,为获得KR-SC板单元体试件的受力全过程曲线,本试验采用位移加载的方式。加载速率为5 mm/min,位移加载量程为600 mm,控制精度为0.01 mm。试验中,通过计算机采集位移和拉力数据。

2 试验结果

2.1 试验破坏现象

为了观察KR-SC板单元体试件内部连接件的破坏情况,在试验结束后去除混凝土进行观察,连接件最终的破坏结果如图3所示。

图3 KR-SC板单元体试件破坏

由图3(a)(e)和(i)可知,直钢筋连接件的破坏现象与未包裹混凝土直钢筋的现象类似。但由于加工原因,S08-00出现钢板焊点脱落现象,提前发生破坏。对比KR连接件的破坏形态(起波角度为30,45和60°),有5个试件的KR连接件在破坏前起波处未被拉直,其余4个试件的KR连接件在拉直后发生破坏;除试件S10-60出现钢板焊点脱落,其他试件最终破坏位置处均出现颈缩现象。因此在试件焊接加工可靠的前提下,可以将其破坏方式分为未拉直破坏和拉直破坏两大类。

KR连接件经过3次连续弯折形成,在机械加工和拉直过程中起波处会产生损伤。因此对于拉直破坏的KR连接件,最终破坏位置一般集中在起波处;而未被拉直就出现破坏的KR连接件由于起波处变形很小,破坏位置位于KR连接件的平直部分。

2.2 典型破坏模式受力过程分析

针对KR连接件未拉直破坏和拉直破坏的两种情况,分别以试件S08-30和S08-45为例说明破坏过程。

由图4(a)可知,试件S08-30在拉伸过程中,混凝土外观完整,未产生裂缝;KR连接件未被拉直即发生断裂。结合图5所示的试验力-位移曲线,可以发现最大拉力(22.2 kN)与同等直径的直钢筋断裂力相等。

图4 典型试件拉伸过程

图5显示,试件S08-45的试验力出现了3个峰值,各峰值对应的破坏特征如图4(b)所示。在第I段,随着位移的逐渐增大,试件两侧钢板与混凝土开始发生分离,连接件在拉伸变形过程中引起混凝土开裂。混凝土开裂后,试验力迅速降低,形成第1个峰值;在第II段,随着位移的继续增大,试验力再次上升,连接件逐渐被拉直。当混凝土裂缝完全贯通时,试验力再次迅速下降,形成第2个峰值;在第III段,混凝土退出工作,连接件被完全拉直,随后断裂,试验力下降至零,形成第3个峰值,其大小(20.6 kN)与同等直径的直钢筋断裂力基本一致。

同时,图5显示试件S08-45在破坏时的位移为66.3 mm,相比试件S08-30(破坏时位移17.4 mm)显著提高。因此,当连接件在拉直后发生破坏时,可以大幅增加试件的变形能力和耗能能力。

3 参数分析

3.1 连接件直径的影响

KR-SC板单元体试件所用连接件的直径包含6,8和10 mm 3种。为研究连接件直径对试件拉伸性能的影响,将起波角度相同试件的试验力-位移曲线进行对比,如图6所示。

图6 连接件直径对试验力-位移曲线的影响

由图6(a)可知,采用直钢筋连接件时,试件最终破坏试验力随着钢筋直径的增大而增大。由于试件S08-00在发生拉伸过程中钢板处焊点先于钢筋拉断破坏,钢筋未充分发挥其拉伸性能,最终试件S08-00的破坏位移较小,耗能也较小。

由图6(b)(c)和(d)可知,采用KR连接件时,试件最终破坏试验力和破坏位移随着钢筋直径的增大而增大。当θ=30°时,所有直径的KR连接件均未引起混凝土开裂。当θ=45和60°时,6 mm KR连接件均未能引起混凝土开裂,而8和10 mm KR连接件使得混凝土开裂,最终发生拉直伸长破坏。值得注意的是,KR连接件最终破坏模式相同的试件其试验力-位移曲线变化趋势相似。

不同直径KR连接件的最终位移、最终试验力和耗能能力存在较大差异。图7给出了直径对破坏位移、拉断力以及耗能的影响,其中耗能通过试验力-位移曲线积分获得,图7中以方框表示试件在拉直后断裂,以圆圈表示试件未拉直即断裂。由图7可知,连接件在拉直后发生破坏时,试件的破坏位移和耗能能力得到大幅提高。在相同起波角度下,KR连接件的直径越大,其对应的破坏位移、拉断力和耗能能力也越大。

3.2 起波角度的影响

KR-SC板单元体试件连接件的起波角度选取0,30,45和60° 4种。为了研究连接件起波角度对试件拉伸性能的影响,将相同直径试件的试验力-位移曲线进行对比,如图8所示。

图8 起波角度对试验力-位移曲线的影响

如图8(a)所示,6 mm试件均未出现混凝土开裂现象,在拉力达到直钢筋断裂力时发生破坏,破坏位移相对较小。由图8(b)(c)可知,KR连接件在发生破坏时,试件的拉断力基本相等,但采用KR连接件的试件的破坏位移却得到大幅提高。

不同起波角度KR连接件的最终位移和耗能能力存在较大差异。图9给出了起波角度对破坏位移、拉断力以及耗能的影响,同理,图9中以方框表示试件在拉直后断裂,以圆圈表示试件未拉直即断裂。由图9(a)可知,当KR连接件直径为8和10 mm时,随着起波角度的增大,试件的破坏位移也在不断增大,并且KR连接件在拉直后发生破坏时,破坏位移得到大幅提高,相应的耗能能力也在大幅提高,如图9(c)所示。其中60°试件的破坏位移最大,45°试件的耗能能力最好。而从图9(b)可知,起波角度对试件的拉断力基本无影响。