轴压作用下钢板混凝土连接栓钉受力性能试验研究

王振清 常哲 张昊 揣君

摘 要：在新型地下粮仓中，防水、防潮是安全储粮的一大难题，钢板混凝土组合结构可将防水与受力一体化。试验表明，在合适的栓钉布置下钢板与混凝土能共同工作，解决工程中的安全问题;在非主要受力方向上栓钉受力较为一致;用有限元模型模拟了钢板混凝土板的变形，有限元模拟的结果与试验结果接近。

关键词：新型地下粮仓;钢板混凝土;栓钉;有限元

Abstract：In the new underground granary， waterproof and moisture-proof is a major problem in safe grain storage. The stee-concrete composite structure can integrate waterproofing and stress. The test shows that the steel plate and the concrete can work together under the proper stud arrangement， which can solve the safety problem in the project; the stress of the stud is more consistent in the direction of non-main force; the deformation of the steel slab is simulated by the finite element model. The results of the finite element simulation are close to the experimental results.

Key words：New underground granary; Steel reinforced concrete; Stud; Finite element

中图分类号：TU761.1+1

已建旧地下粮仓大多采用砖砌结构，仓容较小，选址多在水位低，土质可塑性较好的区域，地处偏远山区或城市郊区。新型地下粮仓具有能实现低温储粮、保持粮食品质、抑制虫害、节约土地和能源等优点。但新型地下粮仓防水、防潮是一大技术难题，将单面钢板混凝土组合结构用于新型地下粮仓中，采用内衬钢板防水，将结构防水与受力一体化，如图1所示。在实际工程中单面钢板混凝土组合板已经广泛应用于组合加固和轨道桥梁[1-2]等方面，当作为抗剪构件时如何计算单面钢板混凝土組合板中钢板与混凝土分别承担的剪力，且准确地反映钢板和混凝土材料性能以及界面的剪力连接程度等对组合板构件产生的影响成为抗剪加固工程中亟需解决的问题[3]。

图1 钢板混凝土地下粮仓示意图

单面钢板混凝土组合结构是由钢材和混凝土两种不同性质的材料经组合而成。是钢和混凝土两种材料的合理组合，充分发挥了钢材抗拉强度高、塑性好和混凝土抗压性能好的优点。它构造简单，无需支模，具有良好的应用前景，在建筑及地下粮仓中得到应用[4-6]。

地下仓中防水防潮是难题，钢板混凝土组合结构将防水与受力一体化。圆形地下仓仓壁外侧主要受水压力与土压力的作用，根据圆柱薄壳理论，其内力主要为环向轴压力，试验研究选取计算单元，即用单块钢板混凝土试件来进行轴向压力作用下钢板混凝土仓壁的受力性能试验。实验表明[7-9]，在轴向荷载作用下，组合结构主要发生组合板整体失稳和栓钉间距范围内钢板失稳现象。聂建国[10]等对钢-混凝土组合板在单向受压状态下的稳定性进行了深入研究，推导得出组合板在轴向受压状态下混凝土板最小厚度和两个方向栓钉最大间距的限制要求。吴丽丽[11]通过对四边简支钢-混凝土组合板的弹性局部剪切屈曲进行分析，得出栓钉的最大间距是防止钢板局部屈曲先于整体屈曲的一个非常关键因素，推导出四边简支板栓钉连接最大间距。张有佳[12-13]对双面钢板混凝土剪力墙进行了轴压受力性能有限元分析，采用实体单元模拟栓钉，在弹塑性阶段栓钉根部受力最大，栓钉根部抗剪是其主要受力形式;当试件达到极限荷载时，栓钉仍处于弹性阶段。赵洁[14]对钢板混凝土组合梁的非线性有限元分析，得出设计时可通过对栓钉的抗剪承载力进行折减来保证钢板-混凝土组合梁能够达到弯曲破坏形态。综上，国内外对单面钢板混凝土在受压状态下栓钉研究较少，本文主要研究在轴力作用栓钉的布置是否合适及计算方法，为工程应用提供服务。

1 材料与方法

1.1 试验试件与材料

1.1.1 试验试件

根据实际工程，内径25 m，仓壁（混凝土厚度300 mm，钢板10 mm）;因弧度较小，以直代曲，按1∶1制作试件。试件尺寸长2.2 m，宽1 m，混凝土厚300 mm，钢板厚10 mm，试验中设计单面钢板混凝土组合板试件，栓钉在水平方向上间距为150 mm，竖向上间距为200 mm;试件的几何参数见图2。

1.1.2 材料性能

试件所用钢板的型号为Q345B，混凝土的强度等级为C40，共制作了3块150 mm×150 mm×150 mm的标准试块，在同等条件下进行养护，对标准试块进行抗压实验，其结果为41.3 Mpa。

1.2 试件加载及装置

加载装置采用长柱试验机，加载示意图如图3a，图3b为试验加载装置。

1.3 测点布置及测量

测点布置如图4所示，试验过程中采用动态信号测试分析系统实时记录加载过程中的应变数据。

2 结果与分析

2.1 栓钉应变变化

2.1.1 栓钉附近、两个栓钉间、四个栓钉间应变变化

根据图5轴力与应变的关系图可知，受压方向栓钉附近、跨中及四个栓钉间的应变值随着轴压力的增大，压应变也增大，且变化的趋势基本一致，应变值也比较接近，钢板变形较为一致。这样布置栓钉可很好的连接钢板与混凝土，使其共同工作。

2.1.2 栓钉上应变变化

如图6所示，钢板与混凝土组合板结构在受到轴压作用时，随着轴压力的增加可能会发生偏心受压的现象，C4、C5栓钉上应变为压应变，应变片在栓钉上是沿着栓钉的方向贴。随着轴力的增大，钢板混凝土发生压弯变形，混凝土板的变形比钢板的变形大，栓钉的作用是使钢板与混凝土一起工作，在非主要受壓方向上栓钉变形较为一致。

图5 栓钉附近、两个栓钉间、四个栓钉间轴压力与应变关系图

图6 栓钉力与应变关系图

2.2 有限元模拟

2.2.1 基本参数

混凝土与钢板采用ABAQUS中弹性模型，因为在实验过程中经过分析两者仍处于弹性阶段。混凝土的弹性模量为2.06×104 MPa，泊松比为0.2;钢板的弹性模量为3.1×105 MPa，泊松比为0.3。使用ABAQUS中的结构化网格划分技术，将每个网格划分成规则的立方体，然后输入网格密度，最后得到规则的六面体，可以得到较好的计算精度与速度。试件的顶端采用固结的形式。通过在相互作用中建立弹簧单元来模拟钢板与混凝土之间的栓钉，钢板与混凝土在栓钉处不分离，可一起协调工作，弹簧刚度取常量，有限元模型如图7所示。

2.2.2 有限元分析与试验对比

在沿加载方向上应变实验与有限元分析对比，如图8所示。试件的数值模拟结果与实验符合较好。在沿着加载方向上并未发生钢板弹性局部屈曲的现象，这样布置的栓钉间距可很好的满足工程中的安全需要。

图7 有限元模型图

图8 沿主要受力方向上应变有限元与试验对比图

3 结语

在单钢板-混凝土构件轴心抗压条件下，对钢板混凝土连接栓钉及钢板（两栓钉间、四栓钉间）进行了研究，并得出以下主要结论：①栓钉在钢板混凝土组合结构中主要作用为抗剪，在非加载方向上栓钉变形较为一致。②通过对四个栓钉、两个栓钉间及栓钉附近受力试验研究，在这种布置下的栓钉可以很好的连接钢板与混凝土，使其共同工作。③通过有限元与试验结果对比，利用有限元所选用的基本参数，可以较好的模拟出钢板混凝土板的静力加载过程。

参考文献：

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