地下粮仓钢-混组合仓壁竖向节点受弯性能分析

张 昊，元玲玲，孟庆婷，揣 君，谌 磊，王宏恺

地下粮仓钢-混组合仓壁竖向节点受弯性能分析

张 昊1，元玲玲1，孟庆婷2※，揣 君2，谌 磊1，王宏恺1

（1. 河南工业大学土木工程学院，郑州 450001；2. 河南工业大学设计研究院，郑州 450001）

装配式钢-混组合地下粮仓具有节能、低损、保障粮食品质的优点，但钢-混组合仓壁竖向节点的结构形式和力学性能仍是制约其广泛推广应用的关键难题。为此，该研究提出一种适用于装配式钢-混组合仓壁的新型节点，利用两点对称加载受弯试验研究其在弹塑性阶段的受弯性能，并与无节点钢-混组合仓壁试件进行对比，分析了各试件在荷载作用下的破坏形态、内力和变形规律。结果表明：各试件的位移与应变均随着弯矩的增加而增加，整体呈现上部受压，下部受拉的受力形态；相较于无节点试件和无梯形传力钢板试件，新型节点试件刚度显著增加，抗弯承载力分别提高了15%和17%；相较于无梯形传力钢板试件，新型节点试件屈服荷载提高了29%；传力钢板和内防水钢板拉应变均随跨中弯矩增大而线性增大，在新型组合节点中两者可共同发挥抗拉作用。研究结果可为装配式地下粮仓和类似地下结构受弯性能分析提供参考。

力学性能；受弯试验；竖向节点；地下粮仓；钢-混组合仓壁；装配式

0 引 言

地下粮仓是建于地表以下的用于贮存粮食的容器，其不仅充分利用了地下空间，而且可以提供天然的低温环境。相较于地上粮仓，它在节能、节地、绿色环保、抑制虫害、提升粮食品质等方面具有显著优势，符合国家低碳环保可持续发展的要求。目前不少学者已对大直径现浇钢筋混凝土地下粮仓进行了研究，在结构受力[1-4]、结构抗浮[5-6]、基坑支护[7]等方面取得了较多成果。然而其推广应用还面临着高标准的防水防潮、深基坑的湿作业环境施工周期长、基坑支护费用高等难题，为此少数学者进行了装配式钢板-混凝土组合地下粮仓的研究。王振清等[8]首次提出了一种装配式钢板混凝土组合地下粮仓，该仓型将装配式技术与钢板-混凝土组合技术相结合，实现了结构与防水、基坑支护和抗浮一体化，解决了防水防潮、基坑支护和抗浮难题，缩短了工期，降低了投资成本。由于装配式地下粮仓是一种新型结构体系，目前其节点连接研究还较少；目前国内外学者对地下管廊[9-10]、地铁车站[11-13]等类似装配式地下结构的连接节点进行了大量研究，但由于其结构形式、受力状态、节点连接方式，特别是防水防潮要求等均与现有装配式地下粮仓不同。为此，王振清等[14-17]针对内包钢板的装配式钢板-混凝土组合地下粮仓，提出一种梯形干式连接节点，研究了应用该节点形式地下粮仓的建筑结构方案与整体力学性能，并对装配式组合构件进行了轴压试验，同时与非线性有限元结果对比分析，证明了装配式钢板-混凝土组合结构有良好的力学性能；揣君等[18-19]对该节点形式的装配式组合仓壁进行了弹性范围内的应力计算公式推导和有限元模拟计算，并对足尺试件开展了受弯和抗压试验，证明有节点的装配式组合仓壁可等效于无节点仓壁设计计算。

针对装配式钢板-混凝土组合仓壁提出的梯形干式连接节点[14]，构造简单，受力性能好，钢板可实现承力、防水、保护混凝土一材多用，同时，此节点连接的工字钢可作为基坑开挖的钢桩，实现装配与基坑开挖一体化施工。但此节点处钢板焊缝过多，施工难度大，用钢量大，成本较高。为此，在总结研究成果的基础上，提出一种基于梯形传力钢板连接的新型节点形式，该节点不仅受力和防水性能好，而且能大大减少焊缝数量，节约施工成本。本研究对钢板-混凝土组合仓壁足尺试件进行了两点对称加载受弯试验，分析节点及足尺试件在加载过程中的破坏形态、内力和变形规律。

1 试件设计及测点布置

1.1 试件设计与制作

为研究新型节点的受弯性能，以传力钢板为主要参数设计不同节点连接形式的钢板-混凝土组合试件SCCW1和SCCW2，并与无节点试件SCCW3进行对比，详见表1。试件设计总尺寸为2 200 mm×1 000 mm×310 mm，其中混凝土的厚度为300 mm，内侧钢板的厚度为10 mm。SCCW3试件的总尺寸、混凝土和内侧钢板的厚度与材料均与有节点试件设计相同。SCCW2和SCCW3试件详图，如图1所示。

表1 试件设计

钢板-混凝土组合构件由混凝土、内侧钢板、U型钢板、钢筋网和栓钉组成，如图1b所示。按照《组合结构设计规范》[20]，并考虑到施工的经济性与构件的受力性能，采用的混凝土等级为C40；钢板均为Q345B，其中U型钢板厚度为16 mm；钢筋网采用8@150进行布置；栓钉采用ML15圆柱头栓钉，其中焊接在内侧钢板上的栓钉直径为19 mm，焊接在U型钢板上的栓钉直径为13 mm。节点由U型钢板、外防水钢板、内防水钢板和梯形传力钢板组成的“喇叭口”形式。其中外防水钢板厚度为21 mm，内防水钢板和传力钢板厚度均为10 mm，节点详图如图1c所示。参考文献[14]中结构设计方案，节点中的外防水钢板可视为工字钢的翼缘板，在实际施工中，工字钢可作为基坑支护结构的钢桩，钢桩与仓壁预制块拼装连接形成仓壁，从而实现基坑与仓壁一体化施工。

1.2 抗剪加固部件设计与制作

为防止构件发生受剪破坏，对试件两边采用钢板抗剪加固措施，如图2所示。在满足试件受力情况下，抗剪加固部件采用Q345B钢板，其厚度为20 mm；上下钢板由侧向带肋构件采用直径为30 mm的六角头短螺栓连接，螺栓强度等级为8.8。上钢板与试件之间铺设一层薄沙来平整接触面，以达到较好的传力效果。抗剪加固部件如图2所示。

1.3 试件测点布置

为了监控与收集加载过程中试件的应变、位移数据，在进行两点对称加载试验之前，需对混凝土和钢板易变形位置布置应变片和位移计。

有节点试件以SCCW2试件为例，根据试件受力特点和材料变形特征，在侧面混凝土上共布置24个10 cm的应变片，编号为C1～C24，如图3a所示，另一侧混凝土上应变片编号为C13～C24。钢板上共布置30个1 cm的应变片，其中，传力钢板上应变片编号为L1～L6，如图3a所示，另一侧传力钢板上应变片编号为L4～L6；U型钢板上应变片编号为U1～U6、Y7～Y9和Y13～Y15，外防水钢板上应变片编号为Y1～Y3，内防水钢板上应变片编号为Y10～Y12，内侧钢板上应变片编号为Y4～Y6和Y16～Y18，如图3b、3c所示。此外，在试件下方共布置7个位移计测点，编号为W1～W7，其中W3、W4和W5为跨中测点，如图 3c所示。SCCW1试件除了没有布置L1～L6应变片外，其他相应的测点布置与编号均和SCCW2试件相同。

SCCW3试件在加载面混凝土上布置5个应变片，编号为C1～C5，如图4a所示；侧面混凝土上布置18个应变片，编号为C6～C23，如图4b所示；内侧钢板布置15个应变片，编号为Y1～Y15，7个位移计测点，编号为W1～W7，如图4c所示。

2 试件受弯性能试验

2.1 材料性能试验

2.1.1 钢板拉伸性能

试验参照GB/T 1040—2006《金属材料拉伸试验》[21]对10 mm、16 mm厚度的Q345B钢板各制作3个哑铃型试样，并通过拉伸试验测定了其屈服强度。厚度为10 mm的钢板屈服强度为330 MPa，厚度为16 mm的钢板屈服强度为343 MPa，弹性模量均为2.06×105MPa。

2.1.2 混凝土抗压强度

根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》[22]，在试件浇筑混凝土过程中，同时制作6个150 mm×150 mm× 150 mm混凝土标准试块。在标准条件下养护28 d后进行混凝土抗压试验，混凝土抗压强度平均值为41.7 MPa。

2.2 两点对称加载试验

试验采用河南工业大学500 t自平衡反力加载系统和DH3816N静态应变测试系统协同完成。其中，反力加载精度为0.1 t，应变采集仪量程为-0.02～0.02，精度为1×10-6。依照规范GB/T 50152—2012《混凝土结构试验方法标准》[23]进行试验加载布置，如图5所示。试验采用手动逐级加压方式。首先，在弹性范围内进行预加载，检查加载系统是否稳定，加载设备、数据采集仪是否正常工作。预加载完成后，进行正式加载，开始时单点荷载增幅值为100 kN，待混凝土出现裂缝后，单点荷载增幅值变为50 kN，每级均保压5 min。加载过程中进行应变、位移的采集与分析，观察混凝土裂缝的发展规律，并对松开的螺栓进行拧紧处理，以确保抗剪加固部件的正常工作，直至试件破坏。以SCCW2试件为例，加载试验示意图如图5所示。

3 试验结果分析

3.1 破坏过程及形态

试验采用两点对称加载试验，在两个加载区域之间为纯弯段，单点荷载在各试件纯弯段区产生的弯矩由公式（1）进行计算[24]。

式中表示单点加载的荷载值，kN；表示加载点与支座之间的距离，m。

SCCW1试件在加载过程中，当弯矩为693 kN·m时，内防水钢板进入屈服状态，节点附近出现细小裂缝，试件两端出现较长裂缝；加至957 kN·m时，加载区域正下方内侧钢板发生明显变形，节点附近裂缝向左右两侧延伸，宽度加大，加载区域混凝土局部受压破坏，如图6a所示。SCCW2试件在加载过程中，当弯矩为891 kN·m时，传力钢板进入屈服状态，节点附近与左、右两端均产生裂缝；加至1 089 kN·m时，加载区域混凝土局部被压坏，同时伴有荷载下降现象；加至1 122 kN·m时，传力钢板弯曲，如图6b所示。SCCW3试件在加载过程中，当弯矩加至975 kN·m时，跨中内侧钢板进入屈服状态，受拉区出现多条垂直裂缝，如图6c所示。

分析破坏过程可知，与SCCW3相比，SCCW2试件的承载力提高15%，这说明节点可有效提高试件的抗弯承载力；与SCCW1试件相比，SCCW2试件的承载力提高17%，屈服荷载提高了29%，这说明传力钢板可有效提高试件的抗弯承载力；SCCW1试件破坏形态为内侧钢板明显变形，而SCCW2试件破坏形态为传力钢板失稳弯曲，这说明传力钢板改变了试件的破坏形态。

3.2 位移-弯矩关系

如图7所示，SCCW1试件在加载过程中跨中位移随弯矩的增大而增大，当弯矩达到693 kN·m后，位移增长速度逐渐加快直至加载区混凝土发生局部破坏，在W5处产生最大位移48.06 mm。这主要是因为内侧钢板屈服和节点出现的裂缝减小了试件的刚度。SCCW2试件位移整体上随弯矩的增大而增大，当弯矩达891 kN·m后，传力钢板屈服，位移增速稍微加快；当弯矩达到1 089 kN·m后出现卸载现象，但位移仍在增加，在W3处产生最大位移21.69 mm；分析破坏过程可知，位移增长加快是由于传力钢板屈服导致构件刚度减小，而卸载现象是由于传力钢板弯曲所导致。SCCW3试件在加载过程中跨中位移随弯矩的增大而增大，当弯矩达到625 kN·m后，位移增加明显加快，在W4处产生最大位移138.72 mm；分析其原因可知，当弯矩为625 kN·m时，受拉区出现裂缝导致构件刚度减小，随后裂缝稳定发展直至加载结束。

3.3 应变-弯矩关系

3.3.1 SCCW1试件应变-弯矩关系

侧面混凝土上部测点应变为负值，说明其承受压力作用，发生破坏时，在C4测点处产生最大压应变值 0.000 5；下部测点应变为正值，说明其承受拉力作用，在C6测点处产生最大拉应变值0.000 3；中部测点由于在试件截面的中性轴附近，受力不太明显，如图8a所示。U型钢板上侧受压，在U1测点处产生最大压应变值0.0021；U型钢板下侧受拉，在Y9测点处产生最大拉应变值0.006 5，且U型钢板下侧拉应变值较大，如图8b所示。内侧钢板与内防水钢板均受拉，分别在Y6、Y11处产生最大拉应变值0.005 9和0.002 5，如图8c所示。

图7 各试件上不同测点的位移-弯矩曲线

内侧钢板与内防水钢板厚度相同，但内防水钢板拉应变增长趋势较为平缓，分析原因为，内侧钢板处是钢板-混凝土组合结构，内防水钢板处只是钢板结构，两者传力机理不同，且钢板之间由焊缝连接，传力有所削弱。内侧钢板与U型钢板同为组合结构，但U型钢板应变增长趋势较为缓慢，这主要是由于U型钢板较厚，受力性能好。

3.3.2 SCCW2试件应变-弯矩关系

SCCW2试件的混凝土、钢板应变分布与SCCW1试件几乎相同，整体呈现上部受压，下部受拉的受力形态。侧面混凝土在C4测点处产生最大压应变值0.000 5，在C6测点处产生最大拉应变值0.000 6，如图 9a所示；U型钢板在U2测点处产生最大压应变值0.000 5，在Y13测点处产生最大拉应变值0.003 3，如图9b所示；内侧钢板与内防水钢板分别在Y18、Y10处产生最大拉应变值0.002 3和0.000 9，如图9c所示；传力钢板呈上压下拉的受力形态，在L4测点处产生最大压应变值0.002 8，在L3测点处产生最大拉应变值0.001 0，如图9d所示。

传力钢板测点L2与L5分别在两块传力钢板的相同位置，但当单点荷载达到726 kN·m后，测点L5应变值逐渐增加，而L2仍保持平稳状态，这说明L5所在传力钢板要先于L2所在传力钢板进入屈服阶段。传力钢板和内防水钢板应变均随着弯矩增加而呈线性增加，当传力钢板屈服时，内防水钢板Y10应变和传力钢板L6应变均为0.000 8，这说明传力钢板有效发挥了其抗拉作用。

3.3.3 SCCW3试件应变-弯矩关系

SCCW3试件同样呈上压下拉受力形态，且各处应变为线性趋势增长，增长曲线对比有节点试件较为平滑规整，这是由于SCCW3试件结构简单，试件各处受力均匀。侧面混凝土在C9测点处产生最大压应变值0.001 4，在C20测点处产生最大拉应变值0.001 8，如图10a所示；加载面混凝土整体受压，在C5测点处产生最大压应变值0.001 9，如图10b所示；内侧钢板在Y9测点产生最大拉应变值0.001 8，如图 10c所示。

3.4 试件结果对比

各试件跨中位移相应测点的平均值与相应弯矩的关系如图11a所示。在试件加载过程中，当跨中弯矩相同时，SCCW1试件和SCCW2试件对比SCCW3试件位移较小，当弯矩达到625 kN·m时，SCCW3试件位移值已经是SCCW1试件的1.7倍，是SCCW2试件的6.3倍，此后SCCW3试件位移增长更快，说明节点有利于提高试件刚度；SCCW2试件对比SCCW1试件位移变化较小，且SCCW2试件屈服荷载值是SCCW1试件的1.29倍，这说明传力钢板有效提高了试件刚度和承载力。

各试件钢板侧跨中应变测点的平均值与相应弯矩的关系如图11b所示。由图11a和图11b可知，在相同弯矩情况下，相比SCCW3试件，SCCW1试件位移较小，而应变较大，这是由于SCCW3试件跨中截面下边缘受拉是由钢板与混凝土组合结构承担，而SCCW1试件仅有内防水钢板承担；相比SCCW2试件，SCCW1试件的内防水钢板应变明显大于前者，这是由于传力钢板有效分担了内防水钢板的拉力。

4 结 论

本文针对装配式钢板-混凝土组合试件提出了基于梯形传力钢板连接的新型节点，并利用两点加载试验研究了各试件在弹塑性阶段的受弯性能。研究结论如下：

1）相较于SCCW1试件和SCCW3试件，新型节点试件刚度显著增加，抗弯承载力分别提高了17%和15%，说明节点有效提高试件抗弯承载力；相较于SCCW1试件，新型节点试件屈服荷载提高了29%，说明传力钢板有效改善了节点的受力性能。

2）传力钢板和内防水钢板应变均为线性增加，当传力钢板屈服时，传力钢板所承担的拉应力与内防水钢板相同，这说明在新型组合节点中传力钢板可有效与内防水钢板共同发挥抗拉作用。

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Flexural performance of the vertical joints of steel plate-concrete composite wall for underground granary

Zhang Hao1, Yuan Lingling1, Meng Qingting2※, Chuai Jun2, Chen Lei1, Wang Hongkai1

(1.,,450001,;2.,450001,)

The underground granary with the prefabricated steel plate-concrete composite has presented the many advantages of energy conservation, loss reduction, and high grain quality, particularly for the requirements of low-carbon environmental protection and sustainable development. However, there are only limited reports on the vertical joints in the prefabricated steel plate-concrete composite wall. In this research, a new type of joint was proposed suitable for the precast steel plate-concrete composite wall in an underground granary. Four groups of steel plates were composed of the U-shaped, external/internal waterproof, and trapezoidal load-transfer steel plate. When the external waterproof steel plate of the new joint was used as the flange plate of the I-steel pile in the foundation pit supporting structure, the steel pile was assembled and connected with the precast block of the underground granary wall, further to realize the integrated construction of foundation pit and granary wall. Three types of precast steel plate-concrete composite specimens were designed to fabricate, including a new joint, non-trapezoidal load-transfer steel plate, and no joint. A two-point symmetrical loading flexural test was conducted to investigate the flexural performance of the precast steel plate-concrete composites in the elastic-plastic stage. An analysis was made on the failure modes, internal forces, and deformation behavior in each specimen under loads. The results indicated that there was a different development of crack and deformation in each specimen under the loading. Most cracks in the two specimens with joints appeared in the compression zone near the joints and the loading zone. By contrast, most cracks with non-joint appeared in the tension zone at the connection between the internal steel plate and concrete. There was the smallest deformation of the specimen with the new joint, and the largest that with no joint. The displacement and strain of each specimen increased with the increasing bending moment. Overall, the upper part of the specimen was in a compression state, whereas, the lower part was in a tension state. Specifically, the inflexibility of the new joint specimen increased significantly, where the flexural capacity increased by 15%, compared with the non-joint specimen. The stiffness and bearing capacity of prefabricated specimens were improved via the increasing concrete strength and the appropriate material parameters of the steel plate. Furthermore, the inflexibility of the new joint specimen increased remarkably, where the flexural capacity increased by 17%, and the yield load increased by 29%, indicating that the trapezoidal load-transfer steel plate effectively improved the joint performance, compared with the non-load-transfer steel plate joint. The mid-span tensile strains of the trapezoidal load-transfer and internal waterproof steel plate increased linearly with the increment of bending moment, where the tensile deformation was consistent, indicating that both of them played a tensile role in the new joint. The findings can provide a strong reference to design the flexural performance of prefabricated underground granaries and similar underground structures.

mechanical property; flexural test; vertical joint; underground granary; steel plate-concrete composite wall; prefabricated

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.24.005

TU57

A

1002-6819(2021)-24-0038-08

2021-11-03

2021-12-14

河南省科技攻关项目（202102110122）；省属高校基本科研业务费专项资金项目（2016QNJH23）；河南工业大学高层次人才科研启动基金项目（2018BS077）

张昊，副教授，研究方向为储仓结构和绿色储粮体系。Email：zzbright@163.com

孟庆婷，助理工程师，研究方向为储仓结构和绿色储粮体系。Email：mengqingting111686@163.com

张昊，元玲玲，孟庆婷，等. 地下粮仓钢-混组合仓壁竖向节点受弯性能分析[J]. 农业工程学报，2021，37(24)：38-45. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.24.005 http://www.tcsae.org

Zhang Hao, Yuan Lingling, Meng Qingting, et al. Flexural performance of the vertical joints of steel plate-concrete composite wall for underground granary[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(24): 38-45. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.24.005 http://www.tcsae.org