李永振 ，曾 晗 ，劉 豪 ，潘 毅 ,

（1.成都大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，四川 成都 610106；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031）

壓型鋼板是指經(jīng)輥壓冷彎，使其截面呈V 型、U 型、梯形或類(lèi)似形狀的波形板[1].而盒狀壓型鋼板為帶有翼緣的U 型壓型鋼板，其經(jīng)常內(nèi)外雙層布置，中間以Z 型或Ω 型截面構(gòu)件作為襯檁進(jìn)行連接，其共同構(gòu)成雙層壓型鋼板系統(tǒng)，承受和傳遞風(fēng)荷載至梁、柱等結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件，并兼有保溫隔熱、防水的功能[2-3].

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)壓型鋼板的力學(xué)性能進(jìn)行了研究.葛連福[4-5]提出壓型鋼板強(qiáng)度計(jì)算時(shí)要考慮有無(wú)固定支座，而剛度計(jì)算時(shí)撓跨比限值和受彎計(jì)算公式應(yīng)統(tǒng)一.Voutay 等[6]采用有限元模擬和試驗(yàn)，研究了加勁肋對(duì)盒狀壓型鋼板截面受壓性能的影響.Davies 等[7-9]認(rèn)為，保溫材料有助于提高盒狀壓型鋼板的剪切性能，并提出了盒狀壓型鋼板的設(shè)計(jì)方法.該設(shè)計(jì)方法考慮“蒙皮效應(yīng)”，即建筑物的圍護(hù)體系對(duì)其整體剛度的加強(qiáng)作用.因此，壓型鋼板的受力性能研究主要集中在受壓和剪切等方面，而盒狀壓型鋼板受彎性能的研究相對(duì)較少.

同時(shí)，壓型鋼板可作為持力板，與其他材料共同構(gòu)成組合構(gòu)件.一些學(xué)者對(duì)壓型鋼板的組合構(gòu)件受彎性能進(jìn)行了研究：李玉順等[10-11]對(duì)3 種截面形式的壓型鋼板-竹膠板組合樓板的受彎性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究；張建偉等[12]對(duì)7 個(gè)鋼-壓型鋼板混凝土組合梁進(jìn)行重復(fù)荷載作用下的受彎試驗(yàn)，對(duì)比分析其受彎性能；張秀華等[13]提出了一種新型組合樓板形式，將稻草板和壓型鋼板通過(guò)自攻螺釘連接形成組合樓板，并對(duì)其受彎性能進(jìn)行了研究.然而，這些組合構(gòu)件的受彎試驗(yàn)多為單層壓型鋼板，均未涉及到雙層壓型鋼板的受彎性能，且沒(méi)有考慮外層鋼板對(duì)盒狀壓型鋼板的支撐作用.

目前，中國(guó)和歐洲規(guī)范[3,14-15]中對(duì)壓型鋼板的設(shè)計(jì)方法均為對(duì)各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算，并將內(nèi)外層壓型鋼板簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支或連續(xù)的梁式構(gòu)件，并校核其強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定問(wèn)題.但與“蒙皮效應(yīng)”類(lèi)似，外層鋼板的支撐作用會(huì)增強(qiáng)盒狀壓型鋼板的強(qiáng)度和剛度，從而提升其受彎性能，本文將其定義為整體效應(yīng)（system effect）.針對(duì)目前研究中存在的不足，本文擬對(duì)不同外層鋼板剛度、不同襯檁高度的雙層壓型鋼板受彎性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，以量化盒狀壓型鋼板受彎性能的整體效應(yīng)，并基于理論分析和歐洲規(guī)范，建立考慮整體效應(yīng)的盒狀壓型鋼板受彎計(jì)算式，并采用試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

為研究襯檁及外層鋼板對(duì)盒狀壓型鋼板受彎性能的影響，考慮風(fēng)壓和風(fēng)吸兩種荷載作用，設(shè)計(jì)了10 個(gè)試件，試件具體參數(shù)見(jiàn)表1.TS1 和TS6 作為標(biāo)準(zhǔn)試件，不附加襯檁和外層鋼板，其試驗(yàn)結(jié)果用于和其他試件比較.其余8 個(gè)試件均由襯檁、外層鋼板和盒狀壓型鋼板組合而成，襯檁布置間距均為1.5 m，其主要變化參數(shù)為襯檁高度和外層鋼板剛度，各試件盒狀壓型鋼板、襯檁和外層鋼板的幾何信息見(jiàn)圖1.各試件均由3 個(gè)盒狀壓型鋼板拼接而成，其中，一個(gè)盒狀壓型鋼板中間切開(kāi)，并放置兩側(cè).試件總長(zhǎng)度均為6.5 m，凈距為6 m.不同組件之間以及組合截面襯檁Ⅰ由自攻螺釘連接.其中，襯檁Ⅰ間距為500 mm，盒狀壓型鋼板螺釘間距為1 m.

圖1 截面幾何信息Fig.1 Geometrical dimensions of cross-sections

表1 試件參數(shù)Tab.1 Parameters of specimens

1.2 材料性能

試驗(yàn)所用板材均為鍍鋅鋼板，加載試驗(yàn)前對(duì)鋼材進(jìn)行了單軸拉伸試驗(yàn)，得到不同構(gòu)件的材料力學(xué)性能，具體參數(shù)見(jiàn)表2.表中： εy為屈服應(yīng)變； σy為屈服應(yīng)力； σu為抗拉極限應(yīng)力.

表2 鋼材材性參數(shù)Tab.2 Mechanical properties of steel

1.3 加載裝置及制度

圖2 試驗(yàn)加載裝置Fig.2 Test loading equipment

圖3 模擬風(fēng)荷載的加載方案Fig.3 Loading scheme for simulated wind pressure and suction

1.4 測(cè)點(diǎn)布置

本試驗(yàn)主要測(cè)量荷載和撓度.其中，試件承受的荷載通過(guò)與千斤頂相連的壓力傳感器測(cè)量.同時(shí)，在試件跨中布置5 個(gè)位移計(jì)，以測(cè)量試件在豎向荷載作用下的撓度變化，各試件位移計(jì)的布置如圖4 所示.為消除試件自重的影響，更逼真地反映墻體受風(fēng)荷載的情形，在試件安裝完畢但未放置加載橫梁前，所有位移計(jì)調(diào)整歸零.因此，試件的荷載-撓度曲線已考慮了加載橫梁的重量.

圖4 位移計(jì)布置Fig.4 Disposition of displacement meters

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在風(fēng)壓荷載下，所有試件受彎的試驗(yàn)過(guò)程相似，限于篇幅，以試件TS3 為例進(jìn)行說(shuō)明.加載初期，荷載-撓度變形基本呈線性.繼續(xù)加載至20%～30%極限荷載時(shí)，襯檁與內(nèi)外層鋼板自攻螺釘連接處開(kāi)始不時(shí)有嘶嘶的響聲，此時(shí)自攻螺釘在承受并傳遞更大的荷載.加載到60%～70%極限荷載時(shí)，試件的盒狀壓型鋼板兩邊有翹起（圖5（a）），襯檁隨兩層壓型鋼板轉(zhuǎn)動(dòng)幅度較大（圖5（b））.從整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程來(lái)看，所有連接節(jié)點(diǎn)和200 mm 高度的組合截面襯檁都保持了整體性.因此，襯檁Ⅰ雖為組合截面，但不影響其可靠地連接內(nèi)外層鋼板，并傳遞內(nèi)力.

圖5 盒狀壓型鋼板的試驗(yàn)現(xiàn)象Fig.5 Experimental phenomena of box-shape profiled steel sheet

在風(fēng)吸荷載下，試件試驗(yàn)過(guò)程類(lèi)似，以TS8 為例，加載初期，荷載-撓度變形關(guān)系同樣基本呈線性.繼續(xù)加載至30%～40%極限荷載時(shí)，自攻螺釘開(kāi)始發(fā)出嘶嘶的響聲.加載到60%～70%極限荷載時(shí)，試件內(nèi)外層鋼板仍保持很好的整體剛度，保持一致的彎曲變形（圖5（c））.加載到80%～90%極限荷載時(shí)，盒狀壓型鋼板中間處出現(xiàn)波浪形變形（圖5（d））.最終破壞時(shí)，所有試件均表現(xiàn)為受彎剛度急劇下降，試件達(dá)到最大承載力.風(fēng)壓荷載作用下，試件中間盒狀壓型鋼板窄翼緣連接處發(fā)生局部屈曲（圖6（a））.風(fēng)吸荷載作用下，則為試件中間盒狀壓型鋼板的寬翼緣連接處發(fā)生局部屈曲（圖6（b））.

圖6 盒狀壓型鋼板的破壞特征Fig.6 Failure modes of box-shape profiled steel sheet

2.1 荷載-撓度曲線

圖7 給出了風(fēng)壓和風(fēng)吸加載方向下10 個(gè)試件的荷載-撓度曲線.荷載為試件承受的最大豎向壓力，包含加載橫梁的自重.撓度取5 個(gè)位移計(jì)讀數(shù)的平均值.《壓型金屬板工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB 50896—2013）[3]中規(guī)定壓型金屬板墻面撓度與跨度之比不宜超過(guò)1/100，因此，本試驗(yàn)取60 mm 為試件正常使用狀態(tài)撓度限值.荷載-撓度曲線表明，所有試件在正常使用范圍內(nèi)（60 mm）剛度減小不明顯.由圖7 可見(jiàn)：在風(fēng)壓和風(fēng)吸荷載下，試件達(dá)到極限承載力后的表現(xiàn)則有所不同.在風(fēng)壓荷載下，每個(gè)試件在達(dá)到極限承載力后仍具有一定的延性；在風(fēng)吸荷載下，每個(gè)試件幾乎保持線彈性至最終破壞，且撓度比風(fēng)壓荷載下更大，達(dá)到140 mm 左右；試件TS2～TS5、TS7～TS10 的受彎承載力和受彎剛度相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)試件TS1 和TS6 均有不同程度的提高，而提高的幅值則與外層鋼板類(lèi)型和襯檁高度相關(guān).因此，應(yīng)考慮這類(lèi)參數(shù)對(duì)盒裝壓型鋼板的受彎性能的整體影響.正常使用狀態(tài)下的最大荷載值（FSLS）、承載力極值（Fmax）和最大撓度值（ωmax）見(jiàn)表3.

圖7 試件荷載-撓度曲線Fig.7 Load-displacement curves of specimens

3 不同參數(shù)對(duì)受彎性能的影響

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，考慮試件真實(shí)厚度和材料真實(shí)屈服強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整后的值按照式（1）進(jìn)行計(jì)算.

式中：Robs為試驗(yàn)結(jié)果測(cè)得的承載力（剛度）值；fyb,obs為試件材料的真實(shí)屈服應(yīng)力；fyb為名義屈服應(yīng)力；tobs,cor為實(shí)測(cè)的試件凈厚度（不含涂層）；tcor為試件的名義厚度（不含涂層）；α和β按照歐洲規(guī)范[15]3-1-3 附錄A.6 中進(jìn)行計(jì)算.

表4 給出了每個(gè)試件相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)試件極限受彎承載力和受彎剛度（慣性矩）的比較.表中：M為試件最大彎矩承載力；Δ1、Δ2為不同試件相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)試件的性能提高比例；M和Δ1、Δ2均為標(biāo)準(zhǔn)化后每米寬度的值，后文承載力和慣性矩同；I為截面慣性矩.結(jié)果表明，考慮附加的襯檁和外層鋼板可以不同程度地提高盒狀壓型鋼板的受彎承載力和受彎剛度.

現(xiàn)澆混凝土與預(yù)制混凝土之間的摩擦系數(shù)取0.7，承臺(tái)內(nèi)部配置普通鋼筋未在圖中標(biāo)明，節(jié)段墩柱內(nèi)配置普通豎筋、箍筋.部分墩柱配置耗能鋼筋.耗能鋼筋長(zhǎng)度為200 mm，距離墩柱邊緣30 mm，耗能鋼筋通過(guò)現(xiàn)澆與預(yù)制節(jié)段橋墩連接.

表4 組合試件與標(biāo)準(zhǔn)試件受彎性能的比較Tab.4 Comparison of flexural behavior between the composite specimens and the standard ones

為了更明顯地展示不同外層鋼板和襯檁高度對(duì)盒狀壓型鋼板受彎性能的影響，將10 個(gè)試件的荷載-撓度曲線按照相應(yīng)參數(shù)來(lái)分類(lèi)比較.

圖8（a）給出了襯檁高度為200 mm 時(shí)（襯檁Ⅰ），不同外層鋼板剛度試件的荷載-撓度對(duì)比情況.風(fēng)壓荷載下的撓度為正值，風(fēng)吸荷載下的撓度為負(fù)值.荷載-撓度曲線在線彈性范圍內(nèi)斜率越大，其受彎剛度越大.TS2 和TS7 附加的Ⅰ型外層鋼板的截面慣性矩為5.96 cm4/m，而TS4 和TS9 附加的Ⅱ型外層鋼板截面慣性矩為44.18 cm4/m.因此，考慮外層鋼板的支撐作用可不同程度地提高盒狀壓型鋼板的受彎承載力和受彎剛度，且外層鋼板的剛度越大，提高效果越明顯.

圖8 不同外層鋼板的荷載-撓度曲線Fig.8 Load-displacement curves of specimens with different external claddings

圖8（b）給出了襯檁高度為100 mm 時(shí)（襯檁Ⅱ），不同外層鋼板剛度試件的荷載-撓度對(duì)比情況.TS3 和TS8 附加的Ⅰ型外層鋼板的截面慣性矩為5.96 cm4/m，而TS5 和TS10 附加的Ⅱ型外層鋼板截面慣性矩為44.18 cm4/m.因此，同樣可以得出：考慮外層鋼板的支撐作用可不同程度地提高盒狀壓型鋼板的受彎承載力和受彎剛度，且外層鋼板的剛度越大，提高效果越明顯.

3.1 襯檁高度

圖9（a）給出了外層鋼板為I 型，不同襯檁高度試件的荷載-撓度對(duì)比情況.結(jié)果表明：當(dāng)外層鋼板為Ⅰ型時(shí)，襯檁高度為200 mm 和100 mm 的組合試件相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)試件，在風(fēng)壓荷載下的受彎承載力分別提高7.5%和27.6%，受彎剛度提高2.3%和17.3%；在風(fēng)吸荷載下的受彎承載力分別提高21.2%和32.1%，受彎剛度提高5.0%和29.4%.因此，襯檁高度為200 mm 的組合試件，對(duì)受彎承載力和受彎剛度的提高程度要低于襯檁高度為100 mm 的組合試件.這是因?yàn)閮?nèi)外層鋼板是通過(guò)襯檁進(jìn)行連接，襯檁高度越高，類(lèi)似于組合構(gòu)件的層間剪切剛度越弱，整體效應(yīng)或組合效果越低.

圖9（b）給出了外層鋼板為Ⅱ型，不同襯檁高度試件的荷載-撓度對(duì)比情況.結(jié)果表明：當(dāng)外層鋼板為Ⅱ型時(shí)，襯檁高度為200 mm 和100 mm 的組合試件相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)試件，在風(fēng)壓荷載下的受彎承載力分別提高66.9%和111.3%，受彎剛度提高39.9%和56.7%；在風(fēng)吸荷載下的受彎承載力分別提高59.1%和77.6%，受彎剛度提高33.5%和48.1%.同樣可以得出，襯檁高度越低，提高效果越明顯.

4 受彎計(jì)算公式

目前，國(guó)內(nèi)的《壓型金屬板工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB 50896—2013）[3]并沒(méi)有明確盒狀壓型鋼板的受彎計(jì)算方法.在歐洲規(guī)范[15]3-1-3 中10.2 章節(jié)僅給出了盒狀壓型鋼板單獨(dú)受力時(shí)的受彎承載力計(jì)算方法，并不考慮襯檁及外層鋼板對(duì)盒狀壓型鋼板支撐作用.因此，以理論分析給出合適的受彎計(jì)算式，并用試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證.雙層壓型鋼板的受彎性能理論上取決于內(nèi)外層鋼板之間的連接程度.如果2 個(gè)受彎構(gòu)件完全黏結(jié)且中間剪力可以百分百傳遞，則可以按照一個(gè)整體截面考慮.反之，內(nèi)外層鋼板之間沒(méi)有任何黏結(jié)，則可以按照兩個(gè)受彎構(gòu)件分別計(jì)算，最后承載力和受彎剛度為二者之和.考慮到雙層壓型鋼板內(nèi)外層鋼板之間只是在四分點(diǎn)處通過(guò)襯檁以自攻螺釘相連接，且內(nèi)外層鋼板間有一定距離，因此，其整體性能應(yīng)該小于或接近后者.

按照歐洲規(guī)范[15]計(jì)算出盒狀壓型鋼板風(fēng)壓和風(fēng)吸荷載下的極限受彎承載力和慣性矩，并和TS1、TS6 標(biāo)準(zhǔn)試件的試驗(yàn)結(jié)果相比較，見(jiàn)表5.表中：Mtest為受彎承載力試驗(yàn)值；MEC為歐洲規(guī)范盒狀壓型鋼板單獨(dú)計(jì)算時(shí)的受彎承載力理論值；Itest為慣性矩試驗(yàn)值；IEC為歐洲規(guī)范盒狀壓型鋼板單獨(dú)計(jì)算時(shí)的慣性矩理論值.結(jié)果表明，按照歐洲規(guī)范計(jì)算盒狀壓型鋼板單獨(dú)受力時(shí)的受彎承載力，其歐洲規(guī)范值與試驗(yàn)結(jié)果相比偏小.這是因?yàn)闅W洲規(guī)范中的計(jì)算式含有因缺乏可靠試驗(yàn)而給出的折減系數(shù)0.8.另外，歐洲規(guī)范的計(jì)算依據(jù)于單個(gè)截面，而在實(shí)際的工程應(yīng)用中，盒狀壓型鋼板是兩兩拼接，因此沿構(gòu)件的高度方向有2 個(gè)構(gòu)件的厚度，這可以一定程度上提高構(gòu)件的承載力，但規(guī)范中的計(jì)算方法并未體現(xiàn)，有必要對(duì)其修正.

表5 標(biāo)準(zhǔn)試件受彎性能試驗(yàn)值與歐洲規(guī)范值的比較Tab.5 Comparison of flexural performance（test vs Eurocode）

基于理論分析和歐洲規(guī)范，提出考慮整體效應(yīng)的受彎計(jì)算如下：

1） 按照歐洲規(guī)范分別計(jì)算盒狀壓型鋼板、外層鋼板的受彎承載力Mb、Mc和慣性矩Ib、Ic，其中，計(jì)算盒狀壓型鋼板的受彎承載力Mb時(shí)不包含折減系數(shù)0.8，如式（3）.

式中：fy為鋼材名義屈服強(qiáng)度；Weff,min為盒裝壓型鋼板最小受彎截面模量.

2） 考慮整體效應(yīng)的盒狀壓型鋼板受彎承載力和慣性矩分別如式（4）、（5）.

式中：h為襯檁的高度；k為考慮襯檁高度對(duì)外層鋼板受彎承載力和慣性矩的折減系數(shù).

表6 給出了本文公式計(jì)算值、歐洲規(guī)范值和試驗(yàn)值的比較.表中：MGDA、IGDA為本文公式計(jì)算的試件最大彎矩承載力值和試件慣性矩.從表6 可以看出：相對(duì)于歐洲規(guī)范盒狀壓型鋼板單獨(dú)計(jì)算得到的理論值，本文受彎計(jì)算式可以給出更好的極限受彎承載力和慣性矩的預(yù)測(cè)值；受彎承載力的本文計(jì)算值與試驗(yàn)值的比值在0.67～0.85，平均值為0.753，標(biāo)準(zhǔn)差為0.070，變異系數(shù)為0.093；而不考慮外層鋼板對(duì)盒狀壓型鋼板的支撐作用的歐洲規(guī)范值與試驗(yàn)值的比值在0.28～0.59，平均值為0.423，標(biāo)準(zhǔn)差為0.109，變異系數(shù)為0.258；對(duì)于慣性矩而言，本文公式計(jì)算值與試驗(yàn)值的比值在0.77～1.04，而只考慮盒狀壓型鋼板時(shí)，歐洲規(guī)范理論值與試驗(yàn)值的比值在0.66～1.04.所以，本文提出考慮整體效應(yīng)的受彎計(jì)算公式比歐洲規(guī)范值更接近試驗(yàn)結(jié)果.

表6 本文公式計(jì)算值、歐洲規(guī)范值與試驗(yàn)值比較Tab.6 Comparison of global design formula, Eurocode and experimental values

5 結(jié) 論

1） 風(fēng)壓荷載下，外層鋼板為Ⅰ型和Ⅱ型的組合試件相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)試件，襯檁高度為200 mm 時(shí)，受彎承載力分別提高7.5%和66.9%，受彎剛度提高2.3%和39.9%；襯檁高度為100 mm 時(shí)，受彎承載力分別提高27.6%和111.3%，受彎剛度提高17.3%和56.7%.風(fēng)吸荷載下，組合試件受彎性能的提高情況類(lèi)似.

2） 風(fēng)吸荷載下，襯檁高度為200 mm 和100 mm的組合試件相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)試件，外層鋼板為Ⅰ型時(shí)，受彎承載力分別提高21.2%和32.1%，受彎剛度提高5.0%和29.4%；外層鋼板為Ⅱ型時(shí)，受彎承載力分別提高59.1%和77.6%，受彎剛度提高33.5%和48.1%.風(fēng)壓荷載下，組合試件受彎性能的提高類(lèi)似.

3） 考慮整體效應(yīng)可以顯著提高盒狀壓型鋼板的受彎承載力和受彎剛度.外層鋼板剛度越大，襯檁高度越低，提高效果越明顯.

4） 與歐洲規(guī)范建議的公式相比，本文提出的考慮整體效應(yīng)的盒狀壓型鋼板受彎計(jì)算式，其計(jì)算結(jié)果更接近試驗(yàn)結(jié)果，可為工程設(shè)計(jì)提供參考.