第 3 期韦芳芳, 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 59 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,

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诲庄
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1 第 46 卷第 3 期 206 年 5 月东南大学学报 ( 自然科学版 ) JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITY(NaturalScienceEdition) Vol.46 No.3 May206 DOI:0.3969/j.isn 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杜金娥胡雪峰 2 王永泉吴 3 京 ( 河海大学土木与交通学院, 南京 20098) ( 2 河海大学水利水电学院, 南京 20098) ( 3 东南大学土木工程学院, 南京 20096) 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 ; 破坏模式中图分类号 :TU392 文献标志码 :A 文章编号 : (206) Experimentalresearchonfireperformanceofconcretefiled double steel platecompositewalexposedtoone sidefire WeiFangfang DuJin e HuXuefeng WangYongquan 2 WuJing 3 ( ColegeofCivilandTransportationEngineering,HohaiUniversity,Nanjing20098,China) ( 2 ColegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering,HohaiUniversity,Nanjing20098,China) ( 3 SchoolofCivilEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing20096,China) Abstract:Inordertoinvestigatethefireperformanceoftheconcretefileddouble steel plate(cfd SP)compositewal,threespecimenswithdiferentshearconnectors(boltedconnection,studcon nection,studandshearrodconnection)weretestedundertheaxialcompresiveforceandone side ISO 834standardfiretoobtainthetemperaturedistribution,theaxialdeformation,andthefailure modesofthecfdspcompositewals.andtheinfluencesofthediferentshearconnectorsonthe fireperformanceofthecfdspcompositewalswereanalyzedandcompared.theresultsshowthat connectorscanensuretheinteractionworkbetweenthedouble steel plateandtheinfiledconcrete. ThefailuremodesoftheCFDSPcompositewalswithdiferentshearconnectorsarethesame.The diferentshearconnectorsresultindiferentefectsofthefireperformanceofthecfdspcomposite wals.thefireenduranceofthecfdspcompositewalwiththeboltedconnectoristheshortest, whilethatofthecfdspcompositewalwiththestudandshearrodconnectoristhelongest. Keywords:concretefileddouble steel plate(cfdsp)compositewal;fireendurance;fireper formance;failuremode 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, 结合了钢收稿日期 : 作者简介 : 韦芳芳 (978 ), 女, 博士, 副教授,fangfang.wei@39.com. 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( ) 江苏省自然科学基金资助项目 (BK ). 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 ),206, 46(3): DOI:0.3969/j.isn

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

2 第 3 期韦芳芳, 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 59 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 [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 []. 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 [0] 盐城广播电视塔筒 [8] 体结构和广州东塔主体结构 []. 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. 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 ; 剪力连接件形式见图, 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 20 mm 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 200mm 0mm 的盖板, 对应位置预留螺栓空洞以用于上下加载梁的连接. 试件编号墙高 /mm 轴压比钢板厚度 / mm 表试件参数表端柱截面尺寸 / (mm mm) 墙体截面尺寸 / (mm mm) 剪力件形式剪力件间距 /mm CSW 螺栓 200 CSW 栓钉 200 CSW 栓钉 + 剪力杆 (a) 螺栓连接灾试验室中进行, 采用 /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. (b) 栓钉连接 (c) 栓钉和剪力杆组合连接图墙体中剪力件形式 (a) 竖向位移计 (b) 水平位移计火灾试验在东南大学九龙湖校区土木工程火图 2 位移计布置图

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.

3 520 东南大学学报 ( 自然科学版 ) 第 46 卷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 2 mm, 或者变形速率达到 3.6mm/min. 2 试验结果及分析 2. 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. 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 CSW (b) 试件 CSW2 (c) 试件 CSW3 图 4 切割受火面钢板后内部混凝土墙体的裂缝 (a) 试件 CSW, 受火面 (b) 试件 CSW, 背火面 (c) 试件 CSW2, 受火面 (d) 试件 CSW2, 背火面 (e) 试件 CSW3, 受火面 (f) 试件 CSW3, 背火面图 3 试件的破坏形态切割受火面钢板后发现, 在试件 CSW 中, 混凝土墙体底部存在空洞, 浇筑不密实, 受火面混凝 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 : 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.

4 第 3 期韦芳芳, 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 52 (a) 炉温 (a) 挠度时间曲线 (b) 试件 CSW (b) 轴向位移时间曲线图 6 变形随时间变化曲线 (c) 试件 CSW2 (d) 试件 CSW3 图 5 炉温及各测点温度随时间变化曲线受火面挠曲 ;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. 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 CSW 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. 试件编号耐火极限 /min 表 2 火灾试验结果最大挠度 /mm 最大挠高比最大轴向位移 /mm CSW / CSW / CSW / 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.

体挠度出现突变并迅速增大. 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.

5 522 东南大学学报 ( 自然科学版 ) 第 46 卷由表 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 /40 左右. 3 结论 )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. 参考文献 (References) [] 聂建国, 陶慕轩, 樊建生, 等. 双钢板混凝土组合剪力墙研究新进展 [J]. 建筑结构,20,4(2): NieJianguo,TaoMuxuan,FanJiansheng,etal.Re searchadvancesofcompositeshearwalswithdouble steelplatesandfiledconcrete[j].buildingstructure, 20,4(2):52 60.(inChinese) [2]LinkR A,ElwiA E.Compositeconcrete steelplate wals:analysisandbehavior[j].journalofstructural Engineering,995,2(2): DOI:0.06/ (asce) (995)2:2(260). [3] PryerJW,BowermanH G.Thedevelopmentanduse ofbritishsteelbi steel[c]//8thinternationalsocietyof OfshoreandPolarEngineeringConference(ISOPE 98).Montreal,Canada,998: [4] NieJG,HuH S,FanJS,etal.Experimentalstudy on seismic behaviorofhigh strength concrete filed double steel platecompositewals[j].journalofcon structionalsteelresearch,203,88: DOI: 0.06/j.jcsr [5] NieJG,MaXW,TaoM X,etal.Efectivestifnes ofcompositeshearwalwithdoubleplatesandfiled concrete[j].journalofconstructionalsteelresearch, 204,99: DOI:0.06/j.jcsr [6] 陈锦石, 张军. 盐城广播电视塔双钢板组合剪力墙结构施工技术 [J]. 施工技术,20,40(5):7 20. ChenJinshi, ZhangJun. Construction technology of compositestructureofdoublesteelplateandshearwal inyanchengbroadcasttelevisiontower[j].construc tiontechnology,20,40(5):7 20.(inChinese) [7] ClubleySK,MoySSJ,XiaoRY.Shearstrengthof steel concrete steelcompositepanels.partⅠ testing andnumericalmodeling[j].journalofconstructional SteelResearch,2003,59(6): DOI:0. 06/s x(02) [8]WeiFangfang,ZhaBin,ZhaoHaibo,etal.Shearre sistanceperformanceofsteel concrete steelcomposite shearwals[j].journalofsoutheastuniversity(eng lishedition),202,28(): [9] 聂建国, 卜凡民, 樊建生. 低剪跨比双钢板混凝土组合剪力墙的抗震性能试验研究 [J]. 建筑结构学报, 20,32():74 8. NieJianguo,BuFanmin,FanJiansheng.Experimental researchonseismicbehavioroflow shear spanratio compositeshearwalwithdoublesteelplatesandinfil concrete[j].journalofbuildingstructures,20,32 ():74 8.(inChinese) [0] 祝文君, 马军, 黄会平, 等. 双层钢板组合剪力墙在异型结构中的应用及研究 [J]. 特种结构,200,27 (2):4 6. ZhuWenjun,MaJun,HuangHuiping,etal.Applica tionandresearchofdouble layersteelcompositeshear walinthespecialstructure[j].specialstructures, 200,27(2):4 6.(inChinese)

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.

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第 3 期 韦 芳 芳, 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 59 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,

第 3 期韦芳芳, 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 59 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,