劉殿忠, 呂林澤, 侯 然

(吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，長春 130118)

0 概述

隨著國民經(jīng)濟與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們對美好生活的追求愈加強烈,對住房條件的需求也越來越高。如今,建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)已經(jīng)逐步完善,應(yīng)用于安全性和可靠性等硬性要求上的建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)也越發(fā)成熟,現(xiàn)在的建筑物在滿足上述要求的同時,更加強調(diào)輕質(zhì)高強、綠色環(huán)保等特性。為了達到輕質(zhì)高強的要求,學(xué)者們提出輕鋼-泡沫混凝土組合結(jié)構(gòu),由于內(nèi)部氣孔,其具有密度低、質(zhì)量小、彈性模量較低等特點[1],所以其地震作用響應(yīng)也較小。泡沫混凝土的很多原材料是對工業(yè)廢料的重新利用,節(jié)能環(huán)保的同時也降低了泡沫混凝土的成本[2]。

現(xiàn)在,輕鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)已經(jīng)十分常見。泡沫混凝土主要作用于保溫隔墻等結(jié)構(gòu)中,在其內(nèi)部設(shè)置冷彎薄壁C型鋼后,兩者的組合很大程度上提高了構(gòu)件的整體強度與延性,可適用于中高層建筑的墻體和樓板。由于輕鋼-泡沫混凝土組合結(jié)構(gòu)是由兩種材料共同組成,所以輕鋼與泡沫混凝土接觸界面間的抗剪性能十分重要。對于輕鋼和混凝土之間的抗剪性能,國內(nèi)外學(xué)者基本都使用推出試驗和短柱試驗這兩種方法進行研究,日本的坪井善勝等[3]將鋼板埋置于混凝土中,向外拔出,得出鋼板與混凝土間的粘結(jié)力很小,對結(jié)構(gòu)抗剪承載力的影響可忽略不計。Roeder[4]得出了切應(yīng)力與錨固深度的關(guān)系,即切應(yīng)力隨錨固深度的增加呈指數(shù)增加,荷載越大切應(yīng)力越大。肖季秋等[5]提出了對粘結(jié)力有影響的幾個因素并得到了抗剪強度-滑移的本構(gòu)關(guān)系,只是此本構(gòu)關(guān)系不具有一般性。西安建筑大學(xué)楊勇[6]等通過研究得到了平均抗剪強度和加載端抗剪強度-滑移的本構(gòu)關(guān)系,更具有普遍性。

由此可見,對于輕鋼和普通混凝土之間抗剪性能的研究比較多,但對于輕鋼與輕質(zhì)泡沫混凝土之間抗剪性能的研究還很匱乏。本文對24個試件進行推出試驗,研究泡沫混凝土的密度和橫向肋板個數(shù)對C型鋼與泡沫混凝土之間抗剪性能的影響。

1 試驗概況

1.1 試驗設(shè)計

本試驗是推出試驗,這種試驗方法更容易操作,也可以很好地模擬型鋼和泡沫混凝土間相對滑移的狀態(tài)和抗剪強度[7]。在現(xiàn)實工程中常采用焊接鉚釘?shù)瓤辜暨B接件來增加抗剪強度,但在一些構(gòu)件間隙較小或靠近混凝土保護層的部位,這種方法不易施工,且過多的抗剪連接件容易破壞混凝土的整體性,所以本試驗主要研究不同泡沫混凝土密度和型鋼翼緣處橫向肋板的個數(shù)對抗剪強度的影響。C型鋼截面為C120×50×20×3.75,型鋼翼緣橫向肋板的個數(shù)分別為無肋、單肋和雙肋,用來檢驗不同的肋板數(shù)量對抗剪強度的影響,型鋼埋置深度為300mm,泡沫混凝土密度分別為800、1 000、1 200、1 600kg/m3[8]。根據(jù)文獻[9]得出泡沫混凝土的具體配合比見表1。

表1 泡沫混凝土配合比

1.2 試件設(shè)計

一共制作24個試件,按照泡沫混凝土的密度分為4組,每組6個,其中無肋試件2個,單肋試件和雙肋試件各2個。每種試件型鋼設(shè)計圖如圖1～5所示,試件參數(shù)如表2所示。

表2 試件參數(shù)匯總

圖1 無肋試件俯視圖

圖2 單肋試件俯視圖

圖3 無肋試件正視圖

圖4 單肋試件正視圖

圖5 雙肋試件正視圖

1.3 試驗加載方案

本試驗采用YAR-2000型壓力試驗機進行,將型鋼漏出部分上部放置鋼墊板,試件下部用鋼塊墊起,以保證型鋼能被順利推出,加載裝置示意圖如圖6所示,加載裝置照片見圖7。試件兩側(cè)放置兩個位移計,取兩個位移計數(shù)據(jù)的平均值。試驗開始前先進行預(yù)加載以減小誤差,試驗開始后,加載速率設(shè)為0.01kN/s,每間隔10s進行一次數(shù)據(jù)采集。

圖6 加載方案示意圖

圖7 加載裝置照片

1.4 破壞狀態(tài)分析

圖8為部分試件的典型裂縫圖,從典型側(cè)面裂縫圖可看出,裂縫開始于加載端,然后向下延伸,裂縫逐漸加寬,致使下部泡沫混凝土剝落,主裂縫周圍有很多小裂縫并向兩側(cè)發(fā)展。泡沫混凝土的密度越大,試件強度也越大,而延性卻變小,使得試件的脆性破壞更為明顯,泡沫混凝土剝落程度也越大。試件上表面的破壞形式可近似看做如圖9所示,首先從C型鋼的邊角處開始劈裂破壞,隨著荷載的增加,裂縫開始向整個試件的邊角處呈45°發(fā)展,裂縫寬度隨著裂縫延伸不斷減小,裂縫寬度最終可達到2～5mm。C型鋼包圍的泡沫混凝土區(qū)域稱為核心區(qū),根據(jù)C型鋼在試件中的位置,將由單個C型鋼包圍的泡沫混凝土區(qū)域稱為核心區(qū)A,將由兩個C型鋼包圍的泡沫混凝土區(qū)域稱為核心區(qū)B,如圖10所示。核心區(qū)的泡沫混凝土破壞程度最為嚴重,因為其處在C型鋼的包圍中,所受四面橫向約束力更大,并同時承受來自C型鋼滑移產(chǎn)生的豎向剪力,故最容易破壞。但是與核心區(qū)A相比,核心區(qū)B的破壞程度要小一些,且主要發(fā)生在低密度混凝土中。造成這種現(xiàn)象的原因是低密度的泡沫混凝土抗剪承載力較小,試件易發(fā)生剪切破壞。

圖8 部分試件的典型裂縫圖

圖9 主要裂縫形態(tài)

圖10 核心區(qū)劃分

將試件砸開,以便觀察C型鋼和泡沫混凝土接觸界面的破壞情況。砸開后發(fā)現(xiàn),C型鋼表面光滑,幾乎不粘有泡沫混凝土,說明C型鋼與泡沫混凝土間的粘結(jié)力較小,對組合結(jié)構(gòu)抗剪承載力的貢獻不大?？辜暨B接螺栓被剪斷,但是型鋼和橫向板帶沒有屈服,說明螺栓的強度越高,組合結(jié)構(gòu)抗剪承載力越大。如圖11所示,橫向肋板脫落,并隨意放置于C型鋼翼緣上。

圖11 抗剪連接件破壞形式

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 冷彎薄壁C型鋼與泡沫混凝土界面抗剪強度滑移規(guī)律

將試件荷載-位移(P-S)曲線近似歸納為五個階段[10-12],如圖12所示。

圖12 典型的P-S曲線

在oa段,C型鋼與泡沫混凝土之間結(jié)合得還很緊密,二者共同承擔荷載,無相對滑移。從a點開始,荷載達到初始滑移荷載Po,C型鋼和泡沫混凝土開始發(fā)生相對滑移,ab段的荷載與位移整體呈線性關(guān)系,型鋼與泡沫混凝土之間的摩擦力由化學(xué)膠著力和摩擦力提供。從b點開始,荷載達到極限荷載的70%左右,荷載與位移不再呈線性關(guān)系變化,荷載達到c點的極限荷載Pu時,試件會有極大的響聲。經(jīng)過c點后,荷載慢慢減小到極限荷載的70%左右,C型鋼與泡沫混凝土間只有摩擦力作用,裂縫開展變大,泡沫混凝土剝落,經(jīng)過殘余荷載Pr后,de段曲線趨于平穩(wěn),相對滑移量迅速變大,而荷載變化緩慢,直到試件完全破壞,C型鋼被完全推出泡沫混凝土?？辜粼囼灪奢d特征值結(jié)果如表3所示。由表3可知隨著泡沫混凝土密度的提高以及橫向肋板個數(shù)的增加,試件的荷載特征值逐漸提高。

表3 試驗荷載特征值結(jié)果

平均抗剪應(yīng)力τ計算方法如下:

式中:P為外加軸向荷載;Ca為所用型鋼橫截面周長;la為試件中型鋼的錨固長度。

由圖12推得標準抗剪應(yīng)力-位移(τ-S)關(guān)系曲線如圖13所示。其中τo為型鋼與泡沫混凝土產(chǎn)生相對位移時的初始滑移抗剪強度,τu為極限抗剪強度,τr為殘余抗剪強度;τs為屈服抗剪強度。

圖13 標準τ-S曲線

表4 特征抗剪強度試驗值/(N/mm2)

2.2 不同泡沫混凝土密度對C型鋼與泡沫混凝土抗剪強度的影響

在肋板數(shù)量相同的情況下,試件的抗剪承載力F隨著泡沫混凝土密度的增加而增加,各試件的抗剪承載力-位移(F-S)曲線如圖14所示。

圖14 不同泡沫混凝土密度試件的F-S關(guān)系曲線圖

由圖14可得,與800kg/m3密度的試件相比,在不設(shè)置橫向肋板時,1 000、1 200、1 600kg/m3密度試件的抗剪強度依次提高16%、13%、8%,設(shè)置單肋板時,抗剪強度依次提高5%、28%、5.5%,設(shè)置雙肋板時,抗剪強度依次提高15.8%、17.8%、0.2%。隨泡沫混凝土密度的增加,各試件的初始滑移抗剪強度τo沒有太過明顯的提升,當泡沫混凝土密度在800～1 200kg/m3這一范圍內(nèi)時,試件破壞后的殘余抗剪強度τr提升較明顯。

當泡沫混凝土密度在800～1 200kg/m3這一范圍內(nèi)時,隨著混凝土密度提高,試件抗剪強度提高程度很大,而混凝土密度在1 200～1 600kg/m3這一范圍內(nèi)時,試件的抗剪強度提高程度減小,究其原因在于,高密度的泡沫混凝土擁有較高的強度,但其相對應(yīng)的脆性也增大,導(dǎo)致高密度泡沫混凝土試件因劈裂破壞而剝落的情況更加嚴重,抗剪強度增速降低。可見,一定密度范圍內(nèi)的泡沫混凝土可以提高C型鋼與泡沫混凝土間的抗剪性能。

2.3 橫向肋板設(shè)置個數(shù)對C型鋼與泡沫混凝土抗剪強度的影響

在泡沫混凝土密度相同的情況下,試件的抗剪承載力F隨著橫向肋板個數(shù)的增加而增加,各試件的抗剪承載力-位移(F-S)如圖15所示。

由圖15可得,與無肋板試件相比,在泡沫混凝土密度為800kg/m3時,設(shè)置單肋板、雙肋板試件的抗剪強度分別提高19%、15.5%;泡沫混凝土密度為1 000kg/m3時,抗剪強度分別提高7.5%、27.2%;泡沫混凝土密度為1 200kg/m3時,抗剪強度分別提高21.6%、16.7%;泡沫混凝土密度為1 600kg/m3時,抗剪強度分別提高18.8%、11%。設(shè)置橫向肋板后,試件初始滑移抗剪強度τo和殘余抗剪強度τr的提升比較緩慢,但是極限抗剪強度τu提升明顯。

由此可見,設(shè)置橫向肋板對于試件破壞形式的影響很小,但是增加了C型鋼與泡沫混凝土間的機械咬合力,極大地增大了抗剪強度。所以若在結(jié)構(gòu)允許的條件下,應(yīng)盡可能多地設(shè)置橫向肋板。

2.4 特征抗剪強度的統(tǒng)計回歸

根據(jù)試驗結(jié)果,統(tǒng)計回歸出特征抗剪強度的計算公式,其中ρ為混凝土密度,x為橫向肋板個數(shù)。

初始滑移抗剪強度τo計算公式如下:

τo=-7.2×10-4+8.6×10-4x+

9.109×10-5ρ-5.296×10-7xρ+

8.0×10-4x2-2.357×10-8ρ2

極限抗剪強度τu計算公式如下:

τu=-2.291×10-1+4.38×10-2x+

1.0×10-3ρ+2.47×10-5xρ+

8.8×10-3x2-3.526×10-7ρ2

殘余抗剪強度τr計算公式如下:

τr=-2.184×10-1+1.86×10-1x+

5.0×10-1ρ+4.008×10-6xρ-

5.0×10-4x2-1.732×10-7ρ2

將公式計算得出的結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進行比對,見表5。對試驗數(shù)據(jù)進行誤差分析,如表6所示。

表5 特征抗剪強度試驗值與計算值對比

表6 試驗數(shù)據(jù)的誤差分析

由表5、6可得,試驗值與計算值的契合程度良好,統(tǒng)計回歸公式比較理想。

2.5 抗剪強度-滑移本構(gòu)方程

利用Excel軟件對散點圖進行分段多項式擬合,其中y代表抗剪強度,MPa,x代表位移,mm,具體本構(gòu)方程如下。

密度800kg/m3泡沫混凝土的無肋板、單肋板、雙肋板的試件本構(gòu)方程分別見式(1)～(3)。

密度1 000kg/m3泡沫混凝土的無肋板、單肋板、雙肋板的試件本構(gòu)方程分別見式(4)～(6)。

密度1 200kg/m3泡沫混凝土的無肋板、單肋板、雙肋板的試件本構(gòu)方程分別見式(7)～(9)。

密度1 600kg/m3泡沫混凝土的無肋板、單肋板、雙肋板的試件本構(gòu)方程分別見式(10)～(12)。

3 結(jié)論

(1)高密度的泡沫混凝土試件的強度雖然提升,但是延性下降,脆性上升,導(dǎo)致高密度泡沫混凝土的試件破壞程度更大。

(2)試件的核心區(qū)破壞較為嚴重,因為其處在C型鋼的包圍中,所受四面橫向約束力更大,并同時承受來自型鋼滑移產(chǎn)生的豎向剪力,故最容易破壞。

(3)在橫向肋板設(shè)置數(shù)量相同的情況下,試件抗剪強度隨著泡沫混凝土密度的增大而增大,但高密度泡沫混凝土試件的抗剪強度增長不是很大;造成這種現(xiàn)象的原因是密度高的泡沫混凝土試件在獲得較高強度的同時,延性會相對降低,導(dǎo)致試件的混凝土劈裂破壞更加嚴重,抗剪承載力相應(yīng)減少。而在泡沫混凝土密度相同時,試件抗剪強度隨著肋板數(shù)量的增加而增加,所以在結(jié)構(gòu)允許的條件下,應(yīng)盡可能多地增加橫向肋板的數(shù)量。

(4)根據(jù)以上試驗數(shù)據(jù),統(tǒng)計回歸得出在不同泡沫混凝土密度和不同橫向肋板個數(shù)的條件下抗剪強度特征值的計算公式,與試驗結(jié)果進行比對后,認為公式較為合理,同時歸納總結(jié)出試件抗剪強度-滑移的本構(gòu)方程。