韦芳芳　 杜金娥　 胡雪峰　 王永泉　 吴　京

(1河海大学土木与交通学院, 南京210098)(2河海大学水利水电学院, 南京210098)(3东南大学土木工程学院, 南京210096)

单面受火双钢板-混凝土组合剪力墙的耐火性能试验研究

韦芳芳1杜金娥1胡雪峰1王永泉2吴京3

(1河海大学土木与交通学院, 南京210098)(2河海大学水利水电学院, 南京210098)(3东南大学土木工程学院, 南京210096)

摘要:为研究双钢板-混凝土组合剪力墙结构的耐火性能,对 3榀采用不同剪力件连接(螺栓连接、栓钉连接、栓钉和剪力杆组合连接)的双钢板-混凝土组合剪力墙进行了轴压力和单面ISO-834标准升温作用下的耐火性能试验,得到这种新型组合剪力墙结构在火灾下的温度场分布、轴向变形及破坏模式,并就不同剪力连接件对组合剪力墙耐火性能的影响进行了分析和比较.结果表明,剪力连接件能够保证钢板与混凝土共同工作;采用不同剪力连接件连接的组合剪力墙在火灾下的破坏模式是相同的,但不同剪力件对组合剪力墙耐火性能的影响不同,采用螺栓连接的组合剪力墙的耐火极限最短,采用栓钉和剪力杆组合连接的剪力墙耐火极限最长.

关键词:双钢板-混凝土组合剪力墙;耐火极限;耐火性能;破坏模式

双钢板-混凝土组合剪力墙是在钢-混凝土组合结构基础上发展起来的一种新型结构,结合了钢材与混凝土2种材料各自的优点,与普通钢筋混凝土剪力墙相比,其钢板厚度和剪力墙厚度更小,剪力墙受剪承载力和延性更高,结构整体抗震性能更优,可作为混凝土浇筑的模板,便于施工[1-4].

双钢板-混凝土组合剪力墙中钢板与内填混凝土之间可以通过栓钉、螺栓、剪力杆、加劲肋等方式连接,剪力件是组合剪力墙中钢板和混凝土实现共同作用的关键,起着传递两者之间的纵向剪力以及阻止钢板掀起的作用.根据剪力件的不同，双钢板-混凝土组合剪力墙主要包括以下几种形式:带加劲肋的双钢板组合剪力墙[5]、剪力杆连接的Bi-Steel组合剪力墙[3]、有缀板拉结的双钢板-混凝土组合剪力墙[6]、栓钉连接的双钢板-混凝土组合剪力墙[7]、螺栓连接的双钢板-混凝土组合剪力墙[2]、栓钉和剪力杆组合连接的双钢板-混凝土组合剪力墙[8].前2种组合剪力墙主要承受海浪或移动冰雪等较大荷载作用,构造复杂,加工困难,造价偏高,多用于核电站、海洋平台等结构[5，9],而且其构造形式并不适用于高层结构的剪力墙[1].后4种组合剪力墙的构造相对简单,适用于高层建筑.目前,世界上采用双钢板-混凝土组合剪力墙作为抗侧力结构的建筑已有数十幢,主要分布在北美、日本等高烈度地区.国内采用该种形式的组合剪力墙结构包括某千手观音像主体结构[10]、盐城广播电视塔筒体结构[8]和广州东塔主体结构[1].

目前,关于这种新型双钢板-混凝土组合剪力墙结构在火灾下的力学性能、温度场以及破坏模式等的相关试验和理论研究较少.本文结合实际高层建筑中的双钢板-混凝土组合剪力墙结构,制作设计了3榀不同剪力件连接(螺栓连接、栓钉连接、栓钉和剪力杆组合连接)的双钢板-混凝土组合剪力墙.其受火方式为单面受火,按照ISO-834国际标准升温曲线进行升温,达到耐火极限后,采用自然冷却的降温方式,测量不同试件的耐火极限、温度场分布和变形,分析双钢板-混凝土组合剪力墙在轴压力和火灾高温共同作用下的耐火性能.

1试件

3榀双钢板-混凝土组合剪力墙试件的编号及具体参数见表1;剪力连接件形式见图1,其间距满足抗剪连接件的构造要求,同时也满足最大间距不超过300mm的要求.在端柱中布置一根直径为20mm的HRB400钢筋,剪力墙中分布筋均采用直径为6mm的HPB235钢筋,间距均为200mm,墙上下两端焊接了尺寸为350mm×1 200mm×10mm的盖板,对应位置预留螺栓空洞以用于上下加载梁的连接.

表1　试件参数表

(a) 螺栓连接

(b) 栓钉连接

(c) 栓钉和剪力杆组合连接

火灾试验在东南大学九龙湖校区土木工程火灾试验室中进行,采用1/4水平试验炉进行单面受火试验,试验压力加载装置采用预应力自平衡装置.图2为位移计布置图.本试验中采用拉线式位移计来测量水平位移和竖向位移,通过耐高温钢丝引出.其中,竖向位移计的引线固定在墙体中部焊接的小钢筋头上,用于测量墙体挠度变化;水平位移计的引线固定在加载梁中部,用于测量轴向位移.

(a) 竖向位移计

本试验中耐火极限的判定条件为:不能继续承担预加的轴向荷载,或者竖向压缩变形达到12mm,或者变形速率达到3.6mm/min.

2试验结果及分析

2.1破坏形态

3榀双钢板-混凝土组合剪力墙试件在轴压力和单面ISO-834 标准升温作用下的最终破坏形态见图3.由图可知,3榀双钢板-混凝土组合剪力墙试件均呈现向背火面弯曲的整体压弯失稳破坏形态.受火面的外包钢板发生皱褶现象,呈波浪形屈曲,剪力件连接处钢板与混凝土保持紧密连接,剪力件处于波谷,表明剪力件能有效抑制受火面钢板的平面外屈曲.剪力件之间的钢板发生屈曲褶皱现象,试件在发生整体弯曲的同时还伴随受火面钢板的局部屈曲.端柱的侧向变形基本与墙体整体变形一致.

(a) 试件CSW1,受火面

(c) 试件CSW2,受火面

(e) 试件CSW3,受火面

切割受火面钢板后发现,在试件CSW1中,混凝土墙体底部存在空洞,浇筑不密实,受火面混凝土沿剪力件分布着横向的裂缝,同时在剪力件布置处应力集中,出现向四周展开的裂缝(见图4(a)).在试件CSW2中,混凝土墙体中下部被压碎,剥落严重,露出粗骨料,少许分布筋外露(见图4(b)).在试件CSW3中,栓钉和剪力杆布置处出现明显的竖向裂缝(见图4(c)).

(a) 试件CSW1

(b) 试件CSW2　

2.2温度场

炉温及各试件测点的实测温度随时间变化曲线如图5所示.图中,x表示测点与受火面的距离.由图5(a)可知,各试件的实际升温段曲线和规定的ISO-834标准升温曲线基本一致,从而证明了本试验中温度场的有效性.由图5(b)～(d)可知,受火面表面钢板温度上升先快后缓与炉温的升温规律相近.背火面钢板温度开始升温较缓,熄火后仍平缓增长,但总体而言温度较低.相比于钢板,混凝土具有极好的吸热能力和较小的导热能力,因而具有热惰性,温度上升缓慢,靠近受火面的内部混凝土温度较高,距受火面越远则内部混凝土温度越低,从而形成了一个沿混凝土厚度方向逐步递减的温度场.

2.3变形

3个试件的挠度-时间曲线和轴向位移-时间曲线如图6所示.图中,挠度以弯向受火面为正,轴向位移以拉伸为正.轴向位移出现突变的原因在于,受火过程中为了保证试件受到恒定的轴向荷载,需向千斤顶增压或减压,这一动作导致轴向位移测量被扰动.组合剪力墙的变形过程可以分为如下3个阶段:① 在受火初期,受火面温度远高于背火面温度,受火面墙体膨胀变形较大,导致试件向受火面挠曲;② 随着受火时间的不断增加,受火面温度越来越高,靠近受火面的钢材和混凝土强度逐渐降低,挠曲方向逐渐由受火面向背火面转变,出现负挠度,并且逐渐增大;③ 在受火后期,挠曲变形迅速增加,达到耐火极限,墙体挠度出现突变并迅速增大.

(a) 炉温

(b) 试件CSW1

(c) 试件CSW2

(d) 试件CSW3

2.4耐火性能

表2给出了各试件的火灾试验结果.由表可知,试件按耐火极限由长到短排序为:栓钉和剪力杆组合连接的剪力墙、栓钉连接的剪力墙、螺栓连接的剪力墙.导致试件CSW1耐火极限最短的原因在于:外包钢板上存在螺栓孔,孔洞面积约占墙体总面积的2.8%,浇筑混凝土时部分水泥砂浆从螺栓孔处被挤压出来,导致混凝土浇筑不密实,混凝土承载力降低,且螺栓孔处的混凝土空洞使得螺栓杆和混凝土的黏结效果降低;此外,外包钢板和内部混凝土墙体主要通过螺母的咬合力连接,而螺母处于受火面,受热膨胀后,螺母和螺栓杆的咬合力逐渐降低直至消失,导致受火面钢板和内部混凝土的连接效果变差,受火面钢板过早地屈曲而后退出工作.试件CSW2采用栓钉连接,栓钉的大头留在混凝土墙体中,从而增加了约束力,更好地抑制了外包钢板的屈曲.在试件CSW3中,剪力杆代替了一部分栓钉,直接连接2片钢板,其约束能力比栓钉强,钢板屈曲得到更有效的限制.由此可知,不同剪力件连接的钢板的屈曲发展以及混凝土的约束作用是不同的,对墙体的耐火极限影响明显.

(a) 挠度-时间曲线

(b) 轴向位移-时间曲线

表2　火灾试验结果

注:最大挠度为达到耐火极限时的挠度值；最大挠高比为最大挠度与剪力墙高度的比值.

由表2还可看出,采用不同剪力件连接的双钢板-混凝土组合剪力墙在达到耐火极限时的最大挠度和最大挠高比差别较小,最大挠高比均为1/40左右.

3结论

1) 3榀双钢板-混凝土组合剪力墙试件的破坏形态均为向背火面弯曲的整体压弯失稳破坏,并且伴随着受火面钢板墙的局部屈曲.

2) 受火面的外包钢板发生皱褶现象,呈现波浪形弯曲,剪力件处于波谷,表明剪力件能有效抑制受火面钢板的平面外屈曲.

3) 受火面的混凝土裂缝主要是沿剪力件布置的横向裂缝,同时在剪力件布置处产生应力集中,在火灾和轴压共同作用下形成了发散的裂缝.栓钉和剪力杆组合连接的墙体试件中存在明显的竖向裂缝.

4) 受火面钢板墙温度上升先快后缓,与炉温升温规律相近;而背火面钢板温度开始升温较缓,熄火后仍平缓增长,但总体而言温度较低.靠近受火面的内部混凝土温度较高,距离受火面越远,内部混凝土温度越低,从而形成了一个沿混凝土厚度方向逐步递减的温度场.

5) 采用不同剪力件连接的双钢板-混凝土组合剪力墙的耐火极限不同,试件耐火极限由长到短依次为:栓钉和剪力杆组合连接的剪力墙、栓钉连接的剪力墙、螺栓连接的剪力墙.然而,达到耐火极限时其最大挠高比基本一致.

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Experimentalresearchonfireperformanceofconcretefilleddouble-steel-platecompositewallexposedtoone-sidefire

WeiFangfang1DuJin’e1HuXuefeng1WangYongquan2WuJing3

(1CollegeofCivilandTransportationEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China) (2CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China) (3SchoolofCivilEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)

Abstract:In order to investigate the fire performance of the concrete filled double-steel-plate (CFDSP) composite wall, three specimens with different shear connectors (bolted connection, stud connection, stud and shear rod connection) were tested under the axial compressive force and one-side ISO-834 standard fire to obtain the temperature distribution, the axial deformation, and the failure modes of the CFDSP composite walls. And the influences of the different shear connectors on the fire performance of the CFDSP composite walls were analyzed and compared. The results show that connectors can ensure the interaction work between the double-steel-plate and the infilled concrete. The failure modes of the CFDSP composite walls with different shear connectors are the same. The different shear connectors result in different effects of the fire performance of the CFDSP composite walls. The fire endurance of the CFDSP composite wall with the bolted connector is the shortest, while that of the CFDSP composite wall with the stud and shear rod connector is the longest.

Key words:concrete filled double-steel-plate (CFDSP) composite wall;fire endurance;fire performance;failure mode

DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.011

收稿日期:2015-09-11.

作者简介:韦芳芳(1978—),女,博士,副教授,fangfang.wei@139.com.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51409084)、江苏省自然科学基金资助项目(BK20130845).

中图分类号:TU392

文献标志码:A

文章编号:1001-0505(2016)03-0518-05

引用本文: 韦芳芳，杜金娥,胡雪峰,等.单面受火双钢板-混凝土组合剪力墙的耐火性能试验研究[J].东南大学学报(自然科学版),2016,46(3):518-522.DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.011.