闭口型压型钢板-轻骨料混凝土组合板纵向抗剪理论研究

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随着大跨建筑、高层建筑及超高层建筑的不断涌现,轻质高强逐渐成为行业新标准。压型钢板-混凝土组合结构是在钢结构和混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构形式,具有两者的优点,同时兼具自重轻,施工快、经济环保等特点,在各类建筑中得到了广泛应用。作为组合结构,压型钢板-混凝土组合板的承载和变形性能强烈依赖于压型钢板与混凝土叠合面之间的组合作用,而组合作用与基础材料的种类和构成形式密切相关,包括压型钢板板型(截面形式、表面特征和厚度等)、混凝土类型(骨料类型,强度等)、板跨长度和端部锚固情况等。现有研究表明,组合板的主要破坏模式为纵向水平剪切破坏,叠合面为薄弱截面,组合板在远未达到抗弯承载力之前,由于叠合面显著的分离和端部较大的滑移而丧失承载能力。因此,纵向抗剪性能成为该领域研究的热点。组合板纵向抗剪设计方面,现有研究基本通过全尺寸试验采用m-k方法和部分剪切连接方法(PSC)进行评估。m-k方法为基于试验的半经验方法,计算简便但缺乏力学模型支持;PSC方法建立在明确的力学模型基础之上,而适用范围有限。尽管相关研究表明两者计算结果精度符合工程实际应用,但对两者的直接比较以及对其他方法可行性的探究仍缺乏明确的理论和试验结果支持。本文对压型钢板-混凝土组合板的纵向抗剪理论进行了系统的总结和扩展,除了m-k方法和PSC方法之外,扩展了基于以上两方法建立起来的剪切粘结长细比方法、考虑几何和材料力学相关关系的力平衡方法以及部分剪切连接抗剪梁方法,为相关设计提供理论支撑。为了进一步减轻结构自重,本文通过对选材的优化,采用闭口型压型钢板、碎石型页岩陶粒,提出了闭口型压型钢板-页岩陶粒轻骨料混凝土组合板的组合形式。对11块全尺寸简支组合板试件进行了静力加载试验,证实了新型组合板具有相较于传统组合板更好的组合作用;纵向剪切粘结破坏为主导破坏模式;长跨组合板承载性能优异而端部滑移明显。对纵向剪切承载性能的评估表明m-k方法、PSC方法和力平衡方法与试验结果符合良好,部分剪切连接抗剪梁方法相对保守。针对研究中发现的轻骨料混凝土本身质轻性脆,抗拉和抗折强度较低等不足,提出了采用引入附加纤维的方法来改善组合板整体抗裂性能和极限承载性能。基于上述纵向抗剪理论,提出了考虑纤维增强贡献的修正抗剪理论。针对传统钢纤维可能对组合板整体结构轻质性和经济性存在不利影响,通过选用高分子聚合物纤维并提出叠层浇筑的方法,提出了新型闭口型压型钢板-纤维混凝土叠浇组合板的组合形式。本文提出的叠层浇筑的方法,即仅在叠浇线以下浇筑纤维轻骨料混凝土,以提高基材性能,而在叠浇线以上区域浇筑普通轻骨料混凝土。为了改善组合板抗裂性能,基于叠浇方法,采用体积掺量为0.1%的束状单丝聚丙烯纤维,提出了闭口型压型钢板-聚丙烯纤维轻骨料混凝土组合板,并进行了11块全尺寸静载试验。研究了叠浇范围、板跨长度、压型钢板厚度及端部锚固情况对组合板整体性能的影响。试验结果表明,组合板的整体抗裂性能得到改善,改善程度随着叠浇范围的提高而显著;聚丙烯纤维对组合板破坏模式和极限承载能力影响有限,纵向剪切破坏为主要破坏模式;提出的经典理论适用于该类板型纵向抗剪承载性能的评估,PSC方法和力平衡方法更为准确。为了提高组合板极限承载性能,基于叠浇方法,通过掺加体积掺量为0.3%的波纹绞索形Rimix结构纤维,构建了新型闭口型压型钢板-Rimix纤维增强轻骨料混凝土组合板。对其进行了12块全尺寸静载试验。研究了组合板的变形特性、破坏特征、叠浇范围的合理性、极限承载特性以及修正理论对纵向抗剪评估的可行性。试验分析表明,Rimix结构纤维对组合板的极限承载性能提高显著而对组合板的破坏模式影响不大;主要破坏模式仍为纵向水平剪切破坏。截面中和轴为最优叠浇界线;提出的修正抗剪理论能够合理评估该类板型的纵向抗剪承载力;最后,通过对比和分析本文构建的无纤维组合板与纤维增强组合板相应的纵向剪切粘结性能,建立了适用于本文特定配置组合板之间纵向剪切粘结强度的换算方法,计算结果与试验结果符合良好。本文旨在探究闭口型压型钢板-轻骨料混凝土组合板作为民用建筑楼板的可行性,为今后其他类型组合板的相似设计提供依据和参考。
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