大跨度钢_混凝土组合薄壳屋盖模型试验研究 (1)

第12卷第1期2006年3月空　间　结　构SPA T IA L ST R U CT U R ESVo l.12N o.1Mar.2006收稿日期:2005-03-29.基金项目:香港研究资助局基金资助项目(PolyU 5059/99E).作者简介:邓毅强(1978—),男,湖南益阳人,硕士研究生,主要从事钢-混凝土组合结构方面的研究.大跨度钢-混凝土组合薄壳屋盖模型试验研究邓毅强1,邹银生1,王汉2(1.湖南大学土木工程学院,湖南长沙410082;2.香港理工大学,香港九龙)摘　要:本文对一种新型的结构形式——钢-混凝土组合薄壳进行缩尺破坏试验,得出该结构在多点集中荷载作用下的非线性特征以及承载性能,对裂缝的出现与开展、单元连接螺栓处失效以及底板屈曲行为作了详细的观察分析.试验结果表明,由于螺栓节点的存在,导致壳体内部刚度的不连续,从而减弱了组合壳的整体性能.本文实验结果为后续对该结构的非线性有限元分析提供了可靠依据.关键词:薄壳屋盖;Comshell;模型试验;屈曲;螺栓连接中图分类号:T U 33 文献标识码:A 文章编号:1006-6578(2006)01-0012-06Experimental research on steel -concrete composite shell roofsDENG Yi -qiang 1,ZOU Yin -sheng 1,WANG Han -ting2(1.College of Civ il Engineer ing ,H unan Univ er sity ,Changsha 410082,China ;2.T he H ong K ong Poly technic Univ er sity ,H ong K ong ,China )Abstract :A m odel test on a new structural sy stem ,nam ely the steel -co ncrete com posite shell was carried out.T he nonlinear behav io r and ultimate lo ad-carry ing capacity of the structure under fo ur -point loads w er e obtained,including the form and dev elo pment o f cracks,failure of bo lted connectio ns and buckling behavior of the steel base plate .The ex perimental r esults indicate that the stiffness disco ntinuity due to the presence of bolted connectio ns reduce the load capacity of the shell.T he experimental results presented in this paper also prov ide useful reference fo r further nonlinear FEM analysis o f the structure.Keywords :thin-shell roof;Co mshell;model test;bucking ;bolted co nnectio n1　前　言钢筋混凝土薄壳屋盖结构具有跨度大、厚度小、自重轻及不需要任何中间支撑就能覆盖较大空间的优点,是普通框架结构体系难以比拟的.因此,它作为大跨度屋盖的一种形式广泛应用于体育馆、车站、机场等公共建筑和大型仓储建筑中,但过去几十年来其应用逐渐减少.主要原因在于混凝土薄壳的施工需要架设临时模板和临时支撑,而薄壳形成以后又需将其拆除,使得施工过程费时费力、成本昂贵.同时,随着计算技术的发展和计算机的广泛应用,对复杂骨架式空间结构的分析越来越容易,这是混凝土壳体不再像二十世纪五六十年代那样具有竞争力的另一个原因[1].1999年,香港理工大学的滕锦光教授提出了一种新型的结构形式:大跨度钢-混凝土组合薄壳屋盖(Co mshell 屋盖)[2].该种新型结构由混凝土浇注入作为永久模板的薄壁加劲钢底壳而形成.薄壁钢壳由模块化单元件通过螺栓连接而成,单元件呈无盖扁盒状,由底板和周边板组成,其周边板在钢壳上构成两个方向的薄壁加劲板.这一新结构形式保留了混凝土薄壳屋盖的所有优点,同时使其施工过程大大简化:不需要使用任何临时模板,且大幅减少了对临时支撑的需求.在构造上,单元件侧板及其螺栓连接,可作为钢底壳和混凝土之间的抗剪销;另外,侧板还能增加钢壳的整体稳定性,防止新浇混凝土顺着壳面的流动.可见这种新型结构形式的合理性.为使这一新型结构形式在实际工程中得到广泛的应用,需要对其进行全面的研究以深入了解其受力性能,并建立一套相关的设计方法.作者有幸在滕锦光教授的指导下,在香港理工大学进行了钢-混凝土组合壳体的承载力模型试验.本文介绍本次试验的结果,并对其受力性能进行了初步分析.2　实验构件的制作和安装2.1　支架支架由方形钢管组成,横向为两个三角形钢管支撑,分别在两端与纵向钢管相连,钢管上预先钻有小孔,可与钢底壳用螺栓连接.纵向钢管的截面尺寸为150m m ×150m m ,横向钢管的截面尺寸为100mm ×150mm .整个支架在四个角点处固定在竖向工字型钢柱上.为了增加边界约束刚度,尽可能减少边界位移,在壳体拼装连接完成以后,在方钢管内通过预留的孔洞注入混凝土.2.2　钢底壳钢底壳由40个预先制作完成的模块化单元件通过螺栓拼接而成,沿纵向和横向分别有5行和8列单元.单元件为由平底板以及周边侧板组成的顶部敞开的盒子,由名义厚度为1mm 的镀锌钢板制作而成.因本文仅讨论圆柱面屋盖,为使单元连接以后能形成一定曲率的曲面形状,每个单元中,两块周边侧板与底板垂直,另外两块与底板呈一定的夹角.单元件底板的尺寸为300mm ×300m m,周边侧板的高度为30m m,相邻单元件的侧板用螺栓连接,而由螺栓连接起来的周边侧板构成了壳体两个方向的加劲板.为了增加侧边加劲板的屈曲刚度,每个单元件侧板上附加了10m m 宽的卷边(见图1).图1　模块化单元件通过螺栓连接而成的钢底壳单元件之间的连接螺栓有两种长度,分别为140mm 和50mm ,其公称直径为6mm.形成的钢底壳横向跨度为2352mm ,纵向跨度1500mm ,曲率半径3190m m ,矢高224mm ,f /l =1/10.5.该组合壳设计为按1:10的缩尺模型,浇注混凝土后总设计厚度h =40m m(图2).图2　模型几何尺寸2.3　混凝土钢底壳上混凝土设计厚度为39m m,侧边加劲肋上有10mm 厚的保护层.混凝土设计强度等级为C 40,实测立方抗压强度为50.68M Pa ,实测密度为2.375g/cm 3.混凝土上应变片的布置与底板对应,具体分布如图3所示(壳体沿曲率方向规定为横向.图中黑色圆圈代表位移计,十字代表应变片.)图3　测点布置3　材料特性3.1　混凝土组合壳体中混凝土和支架钢管内混凝土具有不同的设计强度等级.混凝土的材料性能试验在试验的同一天进行(养护时间为32天).试验包括混凝土的立方强度、劈裂强度和弹性模量,每个性能值均由三个试块的试验结果取平均获得.试验结果见表1.13　第3期邓毅强,等:大跨度钢-混凝土组合薄壳屋盖研究进展表1　混凝土材料性能分类抗压强度(N /mm 2)劈裂强度(N /mm 2)弹性模量(103N /mm 2)泊松比(v )壳体50.68 3.6230.330.17支座59.734.2231.90.203.2　钢板在用于制造模块化单元件的同一批钢板中随机选取制成材料实验所需要的拉伸试件,测试后得出钢材的基本物理性能,结果见表2.表2　金属材料性能材料屈服强度(N /m m 2)屈服应变(%)极限强度(N /mm 2)延伸率(%)杨氏模量(103N /mm 2)钢板275.70.175325.3432.6199.28连接螺栓592.320.53683.8611.0212.823.3　螺栓螺栓采用标准的4.8级螺杆锯成设计长度.螺栓的强度测试按照英国规范BSI18:1987进行.测定前,螺栓的螺纹先被去掉,然后按规范要求加工成标准试件.材料实验的结果见表2.4　试验加载装置试验的设计方案为多点同步荷载,加载点共四个并呈对称分布,位置如图3所示.为了便于试验观察,加载采用向下施加拉力的形式,因而整个的加载装置位于壳体以下.荷载通过油压千斤顶,分配梁及螺杆传到反力梁.试验加载装置见图4.图4　试验装置在正式加载之前进行的预加载以10%的预测极限承载力为限,即每个点的预载值约为6.5kN.预载完成以后,再对整个壳体结构进行加载.加载采用油压千斤顶,手动控制,每一级荷载大小为1- 1.2kN ,持荷时间为2-3分钟,待稳定并读取试验数据后再增加一级荷载.加载的后期(最终极限荷载的80%左右),结构已经进入塑性阶段,壳体变形很大,故加载采用位移控制.受加载设备及结构本身几何尺寸和物理性质的影响,四个加载点的荷载值大小存在一些差异,最后壳体承受的极限荷载在这四个加载点的读数分别为64.3kN,67.68kN,62.83kN 和66.05kN .5　实验现象观察加载的开始阶段,整个壳体处于弹性工作阶段,竖向位移和变形都很小.随着荷载的增加,即单点荷载值到达18kN 左右时,在轴线 两边单元连接处的混凝土表面开始出现裂缝,并从支座边梁沿纵向开展.当单点荷载值达到24kN 时,在轴线 单元两边连接处,混凝土表面同样开始出现纵向裂缝.当单点荷载达到48kN 左右时,轴线 上单元螺栓连接处,混凝土表面开始出现沿横向的裂缝.同时,在壳体下四个角点处的单元,混凝土与钢底板开始剥离,用铁棒敲击时发出清脆的“咚咚”声,表明此时钢底壳开始发生局部的屈曲.随着荷载的继续增加,上部混凝土裂缝继续沿横向和纵向扩展,底板屈曲增加.当荷载接近极限时,钢底壳在加载点周围形成一条弧型屈曲线,沿屈曲线混凝土和钢板完全剥离(见图5).而与之对应的上表面混凝土上出现斜向裂缝(见图6),表明混凝土开始压碎.最后,荷载达到壳体承载极限后,加载点及其附近竖向位移显著增加,加载点周边出现局部的塌陷,底板出现很大的塑性变形,单元之间张开,可以看到其侧边螺栓连接处有受拉形成的凸起,承载力进入下降段,表现出一定的后屈曲行为,随着位移的增加,组合壳最终突然塌陷(图7).图5　钢底板屈曲6　试验结果分析试验结果表明,钢-混凝土组合壳体的破坏与单元的连接性能有密切关系.首先在壳体的1/4节点和边节点(见图13)处开裂,然后钢底板在边节点附14空　间　结　构 第12卷　图6　裂缝图7　壳体坍塌近受压出现屈服,同时在1/4节点处下面螺栓张开(图8),最后混凝土被压碎,节点处螺栓连接所形成的加劲板被拉开,使竖向位移突增,壳体丧失承载能力.在整个加载到破坏过程中,壳体展现了较高的延性性能,图9和图10分别为纵向上两边对称加载点(加载点1和3)的荷载-位移轴线.图8　侧板拉开当荷载达到最大值时,对应的竖向位移约为15m m ,两者相差不大.表明在此之前,壳体的变形基本呈对称.图11为壳中间拱带(轴C ○)各单元中部的位移变化曲线.荷载过了峰值以后,壳体的竖向变形呈反对称,即左侧的位移增加,而另一侧的位移减小,当总荷载降至101.08kN 时,左侧加载点的最大位移达到42.78m m ,而对称位置的位移降到9.86mm .由此可知,在对称荷载和对称边界条件下,组合壳的变形和混凝土的开裂都是以对称方式出现的.但是,在荷载达到最大值以后,结构塑性不断发展,由于两侧塑性区图9　加载点1荷载-位移曲线图10　加载点3荷载-位移曲线图11　沿C ○轴的位移变化曲线域发展的程度不同,导致结构整体在荷载作用下出现反对称失稳.在组合壳的纵向上,竖向变形与直梁相似,最大位移出现在中间位置,并且呈对称分布,图12为加载点附近横向(轴线 和轴线 )竖向位移随荷载的变化曲线.在壳体的试验中,混凝土的开裂主要出现在负弯矩较大的1/8节点和跨中节点处,表明在这两处15　第3期邓毅强,等:大跨度钢-混凝土组合薄壳屋盖研究进展节点受负弯矩作用.所以,尽管各单元侧板所形成的加劲板能抵抗一部分负弯矩,但对整个壳体,其螺栓连接处仍为结构性能的薄弱部位.组合壳的最终破坏就是缘于节点的抗弯刚度不够,单元侧板拉开使竖向位移过大.就弹性阶段而言(约为总荷载的1/4),组合壳中内力基本呈对称分布,在横向(轴线C ○而言),最大正弯矩出现加载点附近,最大负弯矩出现在跨中节点.中间拱带(300mm 宽)的弹性内力图及其各单元中间的应力分布如图13和14所示:16空　间　结　构 第12卷　 而在横向上,组合壳体内力分布与板类似.图15为轴线 、 及 上横向单元中间混凝土表面和钢底板的应力分布,图16为弹性阶段壳体加载点附近横向单元条带的弯矩形状图.可以看出,壳体受荷过程中,由于刚度的不连续,其内部螺栓节点要传递较大的弯矩,并且随着荷载的增加,当结构进入塑性后,这种作用将更加明显.因而螺栓节点的性能很大程度上将决定壳体的承载性能.在组合壳体内,单元之间的连接螺栓起抗剪键的作用,协调钢底板和混凝土的共同工作,传递二者之间的剪力.但是,尽管增加螺栓的锚固长度一定程度上可以增加壳体单元的抗拉能力,从而提高其承载能力,但由于施工方面的原因,螺栓的锚固长度可能限制在一定的范围之内.这样,螺栓的剪力销的作用主要体现在单元模块的四周几个离散的点,协调钢板和混凝土共同工作的能力有限.而在单元模块的中间位置,这种变形协调就难以保证,因为在它们的界面上只存在混凝土的咬合力作用,而这种作用很小,往往可以忽略.7　结　论通过对钢-混凝土组合壳在四点荷载作用下的静力试验研究,对于该新型结构的承载性能有以下认识:(1)钢-混凝土组合壳中的螺栓连接造成结构刚度的不连续,螺栓节点处与其它部分的刚度不一致,由于螺栓节点的抗拉刚度和抗弯刚度均较小,将会在一定程度上减低壳体的抗弯能力.虽然普通的壳屋面中,壳体主要承受面内压应力,弯矩内力不大,但在考虑P- 二阶效应后,节点刚度不够还是容易导致壳体受弯变形过大,使弯矩成为控制因素,从而降低组合壳的承载能力.(2)在对称集中荷载作用下,组合壳结构的变形经历对称和反对称两种方式.在荷载达到峰值之前,内力以及变形基本上呈对称,当荷载过了峰值以后,由于二阶效应,壳中弯矩开始成为控制因素,竖向位移增加很快,同时,由于加载装置以及壳本身的初始缺陷,导致壳中塑性区域发展程度不同,因而出现反对称变形.(3)一般而言,薄壳结构的极限承载力取决于强度、稳定性的综合影响.但在钢-混凝土组合壳中,由于支座很强(可以看成两端固接),壳厚度较大,所以其承载性能主要取决于强度,也就是材料本身的强度,尤其是壳中单元螺栓连接处的力学性能.(4)钢-混凝土组合壳中的底板,既作为永久性的模板,便于施工,同时也作为受拉钢筋承受拉应力.但在加载初期(弹性阶段),壳内部主要为面内压应力,且由于边界支座的约束,底板单元在双向应力下会出现屈曲失稳,从而破坏钢模板和混凝土之间的变形协调,也影响到壳体的整体承载性能.参考文献[1]M edwadow 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