钢管混凝土边框与墙板竖向接合面抗剪性能的试验研究

武立伟 陈建伟,2,* 苏幼坡,2 陈海彬,2 高 林,2

(1. 河北联合大学建筑工程学院,唐山 063009； 2. 河北省地震工程研究中心 唐山 063009)

1 引 言

钢管混凝土边框剪力墙结构是一种新型钢-混凝土组合剪力墙，即利用抗剪连接键将钢管混凝土边框和剪力墙进行可靠连接，按照施工方式不同分为现浇式[1]和预制装配式[2,3]。该组合结构具有以下四个特点：①有效发挥钢和混凝土材料各自的优势；②钢管混凝土具有后期承载力高、抗剪性能及延性好等特点；③钢管边框的约束作用可以提高墙板的抗剪能力；④改变抗震防线较为单一的状况，提高结构整体抗震性能。

受力合理、方便施工的墙板节点和接缝设计是混凝土结构设计的关键技术，是决定该结构形式能否推广应用的重要影响因素。目前，关于钢管混凝土边框和墙体的竖向接合面抗剪性能的研究亟待深化。曹万林等[1,4]对采用强抗剪连接和弱抗剪连接的四片钢管混凝土边框剪力墙进行了拟静力试验研究，“强”和“弱”区别在于抗剪键的钢板厚度和高度，并指出强抗剪连接的结构整体工作性能良好；梁江浩等[5]对柱子内壁焊接栓钉的方钢管混凝土柱进行低周反复荷载试验研究，试验表明，栓钉可以有效缓解钢管屈曲，略微提高试件的峰值荷载，同时延性略微降低。罗永峰等[6]结合一个足尺钢管节点模型试验，研究了加劲肋的厚度、尺寸、形状对节点连接承载力、延性等性能的影响。聂建国等[7]研究了栓钉在钢板-混凝土组合梁及组合抗弯加固中的性能，给出了栓钉抗剪承载力计算方法，与栓钉实际受力对比吻合较好。本文试验研究的钢管混凝土和墙板竖向接合面原型来自预制钢管混凝土边框剪力墙结构体系，该研究的目的是为了实现钢管混凝土边框和剪力墙竖向接合面的可靠连接，进行了5个钢管混凝土边框与墙板竖向接合面试件的抗剪性能试验研究，分析各试件的破坏特征、承载力等，并对比分析了各试件的试验结果，依据试验结果，提出了该竖向接合面的抗剪承载力建议公式和设计建议。

2 试验概况

2.1 试验设计

设计了5个钢管混凝土边框与墙板竖向接合面试件，钢管混凝土边框尺寸均相同，5个试件的主要参数如表1所示。钢管选用120 mm×120 mm×4 mm的Q345级方钢管，钢管混凝土边框的高度即竖向接合面高度为565 mm，钢管内混凝土强度等级为C50，为自密实混凝土，配合比为0.22∶1∶1.13∶1.2，聚羧酸减水剂含量为1%，浇筑混凝土时制作了边长为100 mm的立方体标准试块同条件养护，考虑尺寸效应及受力条件的换算后，混凝土立方体试块抗压强度分别为49.2 N/mm2，48.8 N/mm2，50.2 N/mm2，取平均值49.4 N/mm2；墙板为“L”形钢筋混凝土墙体，每个试件墙体厚度为120 mm，墙体混凝土强度等级为C30，为自密实混凝土，配合比为0.41∶1∶2.53∶2.75，聚羧酸减水剂含量为1%，墙体混凝土浇筑预留的立方体标准试块抗压强度如表1所示。钢管管壁钢材屈服强度为348 N/mm2，屈服应变为2 430με，极限强度为452 N/mm2，弹性模量为182 GPa。

表1各试件主要参数

Table1Themainparametersofspecimens

试件编号连接方式截面配钢率墙体混凝土试块抗压强度/MPaSP-6S单独栓钉1.32%35.0SP-6S2P栓钉+销键1.32%35.5SP-4S单独栓钉0.88%35.3SP-4S3P栓钉+销键0.88%34.0SP-3P单独销键—34.1

注：① 截面的配钢率是指栓钉面积与竖向接合面面积的比值，不考虑销键的面积；

② 试件编号中“6S2P”是指6个栓钉和2个销键的组合连接方式，SP是指Shear Performance。

各试件主要变化参数：竖向接合面连接方式不同，即按栓钉和销键的不同组合方式分为单独栓钉、栓钉销键组合、单独销键5组，每组一个试件，5个试件栓钉和销键沿水平和竖向接合面均匀布置，布置方式的平面和立面图如图1所示，侧面图如图2所示。栓钉和销键的组合方式主要由栓钉承担竖向直剪力，栓钉锚固头可以提供一个侧向拉力，可以有效防止钢管与混凝土接合面分离，销键可以为竖向接合面提供较大竖向抗剪承载力。

销键为直径20 mm的螺纹钢筋加工而成，长100 mm，竖向间距225 mm，焊接在钢管壁上；栓钉为ML15标准尺寸，直径13 mm，长80 mm，在竖向接合面上的水平间距均为60 mm，竖向间距为200 mm或250 mm。各试件中的栓钉配置数量按照配钢率1%设计，由于钢管混凝土边框宽度小，栓钉直径选取不宜过大，以便和钢管截面相称。

图1 竖向接合面栓钉、销键布置科图(单位：mm)Fig.1 Stud and pin key distribution of vertical joint surface (Unit: mm)

图2 竖向接合面侧面图Fig.2 Side view of vertical joints surface

2.2 加载设计

将试件固定在243.35 T电液伺服加载系统和支座之间，钢管混凝土边框上端放置一个120 mm×30 mm×15 mm的垫块，使得上部作动器荷载均匀传递给试件，以便使试件沿竖向接合面发生直剪破坏，钢管混凝土边框下端和“L”形墙体留有20 mm的缝隙，以便钢管混凝土边框沿竖向接合面自由滑移，加载试验装置如3所示。

该系统竖向可施加350 kN的荷载，采用竖向单调加载，在试验加载过程中首先预加载10 kN，以观测加载系统和试件的可靠性，确保数据采集正常。加载采取分级加载制度，并采集和观测试件的变形与损伤情况，采用strainbook616高速动态数据采集系统进行数据采集，应变片布置的位置如图1所示。

加载分为两个阶段，第一阶段采用荷载控制，本阶段最终加载值为预估荷载的70%，该阶段采取分级加载，依次加载至预估荷载的0.2倍、0.4倍、0.7倍，该计算荷载是将各试件主要参数代入ACI318-08[8]和我国《钢结构设计规范》[9]相关公式中预估出来的，由于预估值比实际加载值偏大，个别试件(如SP-4S3P试件)未加至预估值的70%就进入第二阶段的位移控制加载，该阶段每级位移控制值为1.4s0.7，s0.7为预估荷载70%时对应的位移值，加载速率为0.5倍位移控制值，单位为mm/min，直至试件破坏，竖向接合面的上部和下部布置位移计如图3所示，以测试竖向接合面的变形。

图3 加载试验装置图Fig.3 Loading test device

3 试验结果及分析

3.1 破坏特征

各试件的破坏过程如下，典型试件的破坏形态如图4所示。

SP-6S试件(6栓钉):当加载至75 kN时接合面出现细微竖向裂缝，加载至120 kN时钢筋混凝土墙体上与栓钉对应位置开始出现斜裂缝，加载至146 kN时接合面竖向裂缝贯通，通缝边缘混凝土迸裂，试件发生破坏。

SP-6S2P试件(6栓钉+2销键):当加载至115 kN时接合面出现细微竖向裂缝，加载至175 kN时钢筋混凝土墙体开始出现斜裂缝，且斜裂缝随着荷载的增加而延伸并加宽，加载至220 kN时接合面竖向裂缝与钢筋混凝土墙体上的斜裂缝贯通，并发生破坏，如图4(a)所示。

SP-4S试件(4栓钉): 当加载至63 kN时接合面出现细微竖向裂缝，加载至90 kN时钢筋混凝土墙体上与栓钉对应位置开始出现斜裂缝，加载至108 kN时接合面竖向裂缝贯通，通缝边缘混凝土迸裂，且栓钉对应位置混凝土出现大面积掀起，试件发生破坏如图4(b)所示。

SP-4S3P试件(4栓钉+3销键): 当加载至84 kN时接合面出现细微竖向裂缝，加载至155 kN时钢筋混凝土墙体开始出现斜裂缝，且斜裂缝随着荷载的增加而延伸并加宽，加载至207 kN时接合面竖向裂缝与钢筋混凝土墙体上的斜裂缝贯通，并发生破坏。

SP-3P试件(3销键): 当加载至65 kN时接合面出现细微竖向裂缝，加载至87 kN时钢筋混凝土墙体上与销键对应位置开始出现斜裂缝，且斜裂缝向销键间延伸，加载至109 kN时接合面竖向裂缝贯通，销键间的混凝土形成拱形破坏面，每个销键的影响范围为200～300 mm，钢管与钢筋混凝土瞬间脱离，试件发生破坏，如图4(c)所示。

图4 试件破坏形态图Fig.4 Failure modes of specimens

3.2 荷载—变形曲线及对比分析

实测所得5个试件的荷载与位移关系曲线对比图如图5(a)-图5(f)所示，纵坐标为实际加载值(单位：kN)，横坐标为两个LVDT位移计记录的竖向滑移平均值(单位：mm)。

由图5(a)可见，同为6个栓钉，增加2个销键后显著提高抗剪承载力，可提高46%，初始刚度略微降低，延性相差不多。当采用不同的栓钉个数时，从图5(b)可以看出，增加栓钉个数可以有效提高承载力和延性，因此当只选用栓钉抗剪时，要选择合理的栓钉配钢率，以保证截面具有足够的抗剪承载力和延性。

SP-4S3P试件相对于SP-3P试件的抗剪承载力或延性的变化如图5(c)所示，和图5(a)相似，增加栓钉后承载力可提高101%。SP-4S3P试件配钢率为0.88%，从图5(d)可以得出其初始刚度和延性显著提高。同样，保证试件都有3个销键，增加4个栓钉会显著提高试件的抗剪承载力和延性。以上分析可得，采用栓钉和销键的组合连接方式，可以有效改善截面的抗剪性能，从承载力或延性来说，相对于单独栓钉或单独销键都有不同程度的改善，因此建议工程应用中考虑该组合形式连接。图5(e)和图5(f)反映出大致相同承载力情况下，栓钉对试件初始刚度的降低影响明显。

图5 各试件荷载—位移曲线对比图Fig.5 Load-displacment diagram of specimens

4 抗剪承载力分析

各国的规范中有关于栓钉抗剪承载力的计算公式，但是对栓钉和销键组合抗剪的计算公式未见报道，因此，在研究国内外相关规范基础上，提出栓钉和销键组合抗剪承载力计算公式：

(1)

式中，Ast为栓钉的横截面面积；Ec为混凝土的弹性模量；fck为混凝土圆柱体抗压强度标准值；l为抗剪销键长度；d为抗剪销键高度；fc为混凝土抗压设计强度；α为局部承压有效面积调整系数，建议取0.9。

按式(1)得出各试件的竖向接合面抗剪承载力计算值和实测值见表2，计算值和实测值吻合较好，试件SP-6S和SP-6S2P相对误差略微偏大原因可能是式(1)中关于栓钉抗剪承载力计算的理论值偏大造成的。

表2试件抗剪承载力实测值和计算值

Table2Experimentalandcalculatedresultsofshearcapacity

试件编号实测值/kN计算值/kN相对误差/%SP-6S150.6166.210.3SP-6S2P220.5239.210.4SP-4S108.3110.82.3SP-4S3P218.2226.63.8SP-3P109.7115.85.6

5 结 论

通过5个钢管混凝土边框和墙板竖向接合面的抗剪性能试验，得出以下结论：

(1) 从试验现象看，采用销键和栓钉组合的竖向接合面连接方式，可以有效改善试件抗剪承载力和延性。在一定配钢率范围内(限于文中仅考虑1.32%或0.88%)，随着配钢率的增加，钢管与混凝土接合面的抗剪承载能力会相应增强，同时改善钢管混凝土边框和墙板接合面的抗剪破坏的延性。

(2) 单独销键或销键栓钉组合连接时，对增强钢管与混凝土接合面的抗剪承载力方面具有良好的效果，并且单独销键的影响范围在200～300 mm之间。

(3) 提出了该钢管混凝土边框和墙板竖向接合面采用栓钉和销键组合连接的抗剪承载力理论计算公式，将各试件的计算值和实测值作比较，吻合较好。

(4) 本文研究的栓钉和销键组合连接方式具有较好的抗剪承载力和延性，可用于钢管混凝土组合剪力墙结构设计中。

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