考虑整体效应的盒状压型钢板受弯性能试验研究

李永振 ，曾 晗 ，刘 豪 ，潘 毅 ,

（1.成都大学建筑与土木工程学院，四川 成都 610106；2.西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031）

压型钢板是指经辊压冷弯，使其截面呈V 型、U 型、梯形或类似形状的波形板[1].而盒状压型钢板为带有翼缘的U 型压型钢板，其经常内外双层布置，中间以Z 型或Ω 型截面构件作为衬檩进行连接，其共同构成双层压型钢板系统，承受和传递风荷载至梁、柱等结构受力构件，并兼有保温隔热、防水的功能[2-3].

目前，国内外学者对压型钢板的力学性能进行了研究.葛连福[4-5]提出压型钢板强度计算时要考虑有无固定支座，而刚度计算时挠跨比限值和受弯计算公式应统一.Voutay 等[6]采用有限元模拟和试验，研究了加劲肋对盒状压型钢板截面受压性能的影响.Davies 等[7-9]认为，保温材料有助于提高盒状压型钢板的剪切性能，并提出了盒状压型钢板的设计方法.该设计方法考虑“蒙皮效应”，即建筑物的围护体系对其整体刚度的加强作用.因此，压型钢板的受力性能研究主要集中在受压和剪切等方面，而盒状压型钢板受弯性能的研究相对较少.

同时，压型钢板可作为持力板，与其他材料共同构成组合构件.一些学者对压型钢板的组合构件受弯性能进行了研究：李玉顺等[10-11]对3 种截面形式的压型钢板-竹胶板组合楼板的受弯性能进行了试验研究；张建伟等[12]对7 个钢-压型钢板混凝土组合梁进行重复荷载作用下的受弯试验，对比分析其受弯性能；张秀华等[13]提出了一种新型组合楼板形式，将稻草板和压型钢板通过自攻螺钉连接形成组合楼板，并对其受弯性能进行了研究.然而，这些组合构件的受弯试验多为单层压型钢板，均未涉及到双层压型钢板的受弯性能，且没有考虑外层钢板对盒状压型钢板的支撑作用.

目前，中国和欧洲规范[3,14-15]中对压型钢板的设计方法均为对各个构件进行单独计算，并将内外层压型钢板简化为简支或连续的梁式构件，并校核其强度、刚度和稳定问题.但与“蒙皮效应”类似，外层钢板的支撑作用会增强盒状压型钢板的强度和刚度，从而提升其受弯性能，本文将其定义为整体效应（system effect）.针对目前研究中存在的不足，本文拟对不同外层钢板刚度、不同衬檩高度的双层压型钢板受弯性能进行试验研究，以量化盒状压型钢板受弯性能的整体效应，并基于理论分析和欧洲规范，建立考虑整体效应的盒状压型钢板受弯计算式，并采用试验结果进行验证.

1 试验概况

1.1 试件设计

为研究衬檩及外层钢板对盒状压型钢板受弯性能的影响，考虑风压和风吸两种荷载作用，设计了10 个试件，试件具体参数见表1.TS1 和TS6 作为标准试件，不附加衬檩和外层钢板，其试验结果用于和其他试件比较.其余8 个试件均由衬檩、外层钢板和盒状压型钢板组合而成，衬檩布置间距均为1.5 m，其主要变化参数为衬檩高度和外层钢板刚度，各试件盒状压型钢板、衬檩和外层钢板的几何信息见图1.各试件均由3 个盒状压型钢板拼接而成，其中，一个盒状压型钢板中间切开，并放置两侧.试件总长度均为6.5 m，净距为6 m.不同组件之间以及组合截面衬檩Ⅰ由自攻螺钉连接.其中，衬檩Ⅰ间距为500 mm，盒状压型钢板螺钉间距为1 m.

图1 截面几何信息Fig.1 Geometrical dimensions of cross-sections

表1 试件参数Tab.1 Parameters of specimens

1.2 材料性能

试验所用板材均为镀锌钢板，加载试验前对钢材进行了单轴拉伸试验，得到不同构件的材料力学性能，具体参数见表2.表中： εy为屈服应变； σy为屈服应力； σu为抗拉极限应力.

表2 钢材材性参数Tab.2 Mechanical properties of steel

1.3 加载装置及制度

图2 试验加载装置Fig.2 Test loading equipment

图3 模拟风荷载的加载方案Fig.3 Loading scheme for simulated wind pressure and suction

1.4 测点布置

本试验主要测量荷载和挠度.其中，试件承受的荷载通过与千斤顶相连的压力传感器测量.同时，在试件跨中布置5 个位移计，以测量试件在竖向荷载作用下的挠度变化，各试件位移计的布置如图4 所示.为消除试件自重的影响，更逼真地反映墙体受风荷载的情形，在试件安装完毕但未放置加载横梁前，所有位移计调整归零.因此，试件的荷载-挠度曲线已考虑了加载横梁的重量.

图4 位移计布置Fig.4 Disposition of displacement meters

2 试验结果与分析

在风压荷载下，所有试件受弯的试验过程相似，限于篇幅，以试件TS3 为例进行说明.加载初期，荷载-挠度变形基本呈线性.继续加载至20%～30%极限荷载时，衬檩与内外层钢板自攻螺钉连接处开始不时有嘶嘶的响声，此时自攻螺钉在承受并传递更大的荷载.加载到60%～70%极限荷载时，试件的盒状压型钢板两边有翘起（图5（a）），衬檩随两层压型钢板转动幅度较大（图5（b））.从整个试验过程来看，所有连接节点和200 mm 高度的组合截面衬檩都保持了整体性.因此，衬檩Ⅰ虽为组合截面，但不影响其可靠地连接内外层钢板，并传递内力.

图5 盒状压型钢板的试验现象Fig.5 Experimental phenomena of box-shape profiled steel sheet

在风吸荷载下，试件试验过程类似，以TS8 为例，加载初期，荷载-挠度变形关系同样基本呈线性.继续加载至30%～40%极限荷载时，自攻螺钉开始发出嘶嘶的响声.加载到60%～70%极限荷载时，试件内外层钢板仍保持很好的整体刚度，保持一致的弯曲变形（图5（c））.加载到80%～90%极限荷载时，盒状压型钢板中间处出现波浪形变形（图5（d））.最终破坏时，所有试件均表现为受弯刚度急剧下降，试件达到最大承载力.风压荷载作用下，试件中间盒状压型钢板窄翼缘连接处发生局部屈曲（图6（a））.风吸荷载作用下，则为试件中间盒状压型钢板的宽翼缘连接处发生局部屈曲（图6（b））.

图6 盒状压型钢板的破坏特征Fig.6 Failure modes of box-shape profiled steel sheet

2.1 荷载-挠度曲线

图7 给出了风压和风吸加载方向下10 个试件的荷载-挠度曲线.荷载为试件承受的最大竖向压力，包含加载横梁的自重.挠度取5 个位移计读数的平均值.《压型金属板工程应用技术规范》（GB 50896—2013）[3]中规定压型金属板墙面挠度与跨度之比不宜超过1/100，因此，本试验取60 mm 为试件正常使用状态挠度限值.荷载-挠度曲线表明，所有试件在正常使用范围内（60 mm）刚度减小不明显.由图7 可见：在风压和风吸荷载下，试件达到极限承载力后的表现则有所不同.在风压荷载下，每个试件在达到极限承载力后仍具有一定的延性；在风吸荷载下，每个试件几乎保持线弹性至最终破坏，且挠度比风压荷载下更大，达到140 mm 左右；试件TS2～TS5、TS7～TS10 的受弯承载力和受弯刚度相对于标准试件TS1 和TS6 均有不同程度的提高，而提高的幅值则与外层钢板类型和衬檩高度相关.因此，应考虑这类参数对盒装压型钢板的受弯性能的整体影响.正常使用状态下的最大荷载值（FSLS）、承载力极值（Fmax）和最大挠度值（ωmax）见表3.

图7 试件荷载-挠度曲线Fig.7 Load-displacement curves of specimens

3 不同参数对受弯性能的影响

对试验结果进行处理，考虑试件真实厚度和材料真实屈服强度的影响，试验结果调整后的值按照式（1）进行计算.

式中：Robs为试验结果测得的承载力（刚度）值；fyb,obs为试件材料的真实屈服应力；fyb为名义屈服应力；tobs,cor为实测的试件净厚度（不含涂层）；tcor为试件的名义厚度（不含涂层）；α和β按照欧洲规范[15]3-1-3 附录A.6 中进行计算.

表4 给出了每个试件相对于标准试件极限受弯承载力和受弯刚度（惯性矩）的比较.表中：M为试件最大弯矩承载力；Δ1、Δ2为不同试件相对于标准试件的性能提高比例；M和Δ1、Δ2均为标准化后每米宽度的值，后文承载力和惯性矩同；I为截面惯性矩.结果表明，考虑附加的衬檩和外层钢板可以不同程度地提高盒状压型钢板的受弯承载力和受弯刚度.

现浇混凝土与预制混凝土之间的摩擦系数取0.7，承台内部配置普通钢筋未在图中标明，节段墩柱内配置普通竖筋、箍筋.部分墩柱配置耗能钢筋.耗能钢筋长度为200 mm，距离墩柱边缘30 mm，耗能钢筋通过现浇与预制节段桥墩连接.

表4 组合试件与标准试件受弯性能的比较Tab.4 Comparison of flexural behavior between the composite specimens and the standard ones

为了更明显地展示不同外层钢板和衬檩高度对盒状压型钢板受弯性能的影响，将10 个试件的荷载-挠度曲线按照相应参数来分类比较.

图8（a）给出了衬檩高度为200 mm 时（衬檩Ⅰ），不同外层钢板刚度试件的荷载-挠度对比情况.风压荷载下的挠度为正值，风吸荷载下的挠度为负值.荷载-挠度曲线在线弹性范围内斜率越大，其受弯刚度越大.TS2 和TS7 附加的Ⅰ型外层钢板的截面惯性矩为5.96 cm4/m，而TS4 和TS9 附加的Ⅱ型外层钢板截面惯性矩为44.18 cm4/m.因此，考虑外层钢板的支撑作用可不同程度地提高盒状压型钢板的受弯承载力和受弯刚度，且外层钢板的刚度越大，提高效果越明显.

图8 不同外层钢板的荷载-挠度曲线Fig.8 Load-displacement curves of specimens with different external claddings

图8（b）给出了衬檩高度为100 mm 时（衬檩Ⅱ），不同外层钢板刚度试件的荷载-挠度对比情况.TS3 和TS8 附加的Ⅰ型外层钢板的截面惯性矩为5.96 cm4/m，而TS5 和TS10 附加的Ⅱ型外层钢板截面惯性矩为44.18 cm4/m.因此，同样可以得出：考虑外层钢板的支撑作用可不同程度地提高盒状压型钢板的受弯承载力和受弯刚度，且外层钢板的刚度越大，提高效果越明显.

3.1 衬檩高度

图9（a）给出了外层钢板为I 型，不同衬檩高度试件的荷载-挠度对比情况.结果表明：当外层钢板为Ⅰ型时，衬檩高度为200 mm 和100 mm 的组合试件相对于标准试件，在风压荷载下的受弯承载力分别提高7.5%和27.6%，受弯刚度提高2.3%和17.3%；在风吸荷载下的受弯承载力分别提高21.2%和32.1%，受弯刚度提高5.0%和29.4%.因此，衬檩高度为200 mm 的组合试件，对受弯承载力和受弯刚度的提高程度要低于衬檩高度为100 mm 的组合试件.这是因为内外层钢板是通过衬檩进行连接，衬檩高度越高，类似于组合构件的层间剪切刚度越弱，整体效应或组合效果越低.

图9（b）给出了外层钢板为Ⅱ型，不同衬檩高度试件的荷载-挠度对比情况.结果表明：当外层钢板为Ⅱ型时，衬檩高度为200 mm 和100 mm 的组合试件相对于标准试件，在风压荷载下的受弯承载力分别提高66.9%和111.3%，受弯刚度提高39.9%和56.7%；在风吸荷载下的受弯承载力分别提高59.1%和77.6%，受弯刚度提高33.5%和48.1%.同样可以得出，衬檩高度越低，提高效果越明显.

4 受弯计算公式

目前，国内的《压型金属板工程应用技术规范》（GB 50896—2013）[3]并没有明确盒状压型钢板的受弯计算方法.在欧洲规范[15]3-1-3 中10.2 章节仅给出了盒状压型钢板单独受力时的受弯承载力计算方法，并不考虑衬檩及外层钢板对盒状压型钢板支撑作用.因此，以理论分析给出合适的受弯计算式，并用试验数据来验证.双层压型钢板的受弯性能理论上取决于内外层钢板之间的连接程度.如果2 个受弯构件完全黏结且中间剪力可以百分百传递，则可以按照一个整体截面考虑.反之，内外层钢板之间没有任何黏结，则可以按照两个受弯构件分别计算，最后承载力和受弯刚度为二者之和.考虑到双层压型钢板内外层钢板之间只是在四分点处通过衬檩以自攻螺钉相连接，且内外层钢板间有一定距离，因此，其整体性能应该小于或接近后者.

按照欧洲规范[15]计算出盒状压型钢板风压和风吸荷载下的极限受弯承载力和惯性矩，并和TS1、TS6 标准试件的试验结果相比较，见表5.表中：Mtest为受弯承载力试验值；MEC为欧洲规范盒状压型钢板单独计算时的受弯承载力理论值；Itest为惯性矩试验值；IEC为欧洲规范盒状压型钢板单独计算时的惯性矩理论值.结果表明，按照欧洲规范计算盒状压型钢板单独受力时的受弯承载力，其欧洲规范值与试验结果相比偏小.这是因为欧洲规范中的计算式含有因缺乏可靠试验而给出的折减系数0.8.另外，欧洲规范的计算依据于单个截面，而在实际的工程应用中，盒状压型钢板是两两拼接，因此沿构件的高度方向有2 个构件的厚度，这可以一定程度上提高构件的承载力，但规范中的计算方法并未体现，有必要对其修正.

表5 标准试件受弯性能试验值与欧洲规范值的比较Tab.5 Comparison of flexural performance（test vs Eurocode）

基于理论分析和欧洲规范，提出考虑整体效应的受弯计算如下：

1） 按照欧洲规范分别计算盒状压型钢板、外层钢板的受弯承载力Mb、Mc和惯性矩Ib、Ic，其中，计算盒状压型钢板的受弯承载力Mb时不包含折减系数0.8，如式（3）.

式中：fy为钢材名义屈服强度；Weff,min为盒装压型钢板最小受弯截面模量.

2） 考虑整体效应的盒状压型钢板受弯承载力和惯性矩分别如式（4）、（5）.

式中：h为衬檩的高度；k为考虑衬檩高度对外层钢板受弯承载力和惯性矩的折减系数.

表6 给出了本文公式计算值、欧洲规范值和试验值的比较.表中：MGDA、IGDA为本文公式计算的试件最大弯矩承载力值和试件惯性矩.从表6 可以看出：相对于欧洲规范盒状压型钢板单独计算得到的理论值，本文受弯计算式可以给出更好的极限受弯承载力和惯性矩的预测值；受弯承载力的本文计算值与试验值的比值在0.67～0.85，平均值为0.753，标准差为0.070，变异系数为0.093；而不考虑外层钢板对盒状压型钢板的支撑作用的欧洲规范值与试验值的比值在0.28～0.59，平均值为0.423，标准差为0.109，变异系数为0.258；对于惯性矩而言，本文公式计算值与试验值的比值在0.77～1.04，而只考虑盒状压型钢板时，欧洲规范理论值与试验值的比值在0.66～1.04.所以，本文提出考虑整体效应的受弯计算公式比欧洲规范值更接近试验结果.

表6 本文公式计算值、欧洲规范值与试验值比较Tab.6 Comparison of global design formula, Eurocode and experimental values

5 结 论

1） 风压荷载下，外层钢板为Ⅰ型和Ⅱ型的组合试件相对于标准试件，衬檩高度为200 mm 时，受弯承载力分别提高7.5%和66.9%，受弯刚度提高2.3%和39.9%；衬檩高度为100 mm 时，受弯承载力分别提高27.6%和111.3%，受弯刚度提高17.3%和56.7%.风吸荷载下，组合试件受弯性能的提高情况类似.

2） 风吸荷载下，衬檩高度为200 mm 和100 mm的组合试件相对于标准试件，外层钢板为Ⅰ型时，受弯承载力分别提高21.2%和32.1%，受弯刚度提高5.0%和29.4%；外层钢板为Ⅱ型时，受弯承载力分别提高59.1%和77.6%，受弯刚度提高33.5%和48.1%.风压荷载下，组合试件受弯性能的提高类似.

3） 考虑整体效应可以显著提高盒状压型钢板的受弯承载力和受弯刚度.外层钢板刚度越大，衬檩高度越低，提高效果越明显.

4） 与欧洲规范建议的公式相比，本文提出的考虑整体效应的盒状压型钢板受弯计算式，其计算结果更接近试验结果，可为工程设计提供参考.