自20世纪70年代钢板剪力墙作为一种新型抗侧力结构体系被提出以来,经过国内外学者近50年的研究与发展,钢板剪力墙由于较高的抗侧性能和良好延性,已成为高层与超高层建筑重要的抗侧力构件。且由于钢板剪力墙易进行模数化设计、加工简单、运输方便、可进行工业化生产等优势,对我国大力推进装配式建筑有广阔的发展前景 ^[1,2]。

　　 平钢板剪力墙最早应用在国内外工程项目中,由于厚度较大的平钢板剪力墙用钢量大增加成本,而较薄的平钢板剪力墙平面外稳定性差,易发生面外屈曲,其适用范围及工程应用受到一定限制。为克服薄钢板墙易受载屈曲及屈曲后滞回曲线呈捏拢特性,冷成型的梯形钢板、正弦波浪形钢板、折线形钢板等组成的波形钢板墙概念被提出,并获得国内外学者和工程届的广泛关注。相对于平钢板墙,波形钢板墙面外刚度大、稳定承载力高,特别是板厚较小的波形钢板墙受荷后屈服而不屈曲,使其具有优越的延性及饱满的滞回曲线 ^[3,4,5,6,7]。

　　 由清华大学与浙江中南建设集团钢结构有限公司共同研究开发的波形钢板-混凝土组合墙,开始应用于浙江杭州和河北沧州等住宅工程中。波形钢板-混凝土组合墙由冷压成型的2片波形钢板、对拉螺栓、竖向边缘构件及内嵌混凝土组成。2片波形钢板沿平面外方向间隔一定间距(墙的厚度)并通过对拉螺栓连接成整体。对拉螺栓沿波谷高度均匀布置,整体呈错列布置或正交布置。竖向边缘构件(钢管混凝土柱或钢柱)置于波形钢板-混凝土组合墙两侧,要求具有必要的刚度和承载力并对墙板起加强作用。波形钢板-混凝土组合墙结构类似于混凝土剪力墙结构,用于住宅建筑具有平面布置灵活、避免室内出现凸梁凸柱的优点。依据建筑和结构设计的平面布置要求,可在工厂制作组装形成一字形、L形和T形等截面的波形钢板-混凝土组合墙。此外,对波形钢板-混凝土组合墙受力机理进行大量的理论和数值分析及试验研究,为一字形、L形和T形等多种截面形式的组合墙强度、整体稳定承载力及墙肢稳定承载力设计计算提供依据。由清华大学与浙江中南建设集团钢结构有限公司为主编单位制定的《波形钢板组合结构技术规程》将于近期公布并实施 ^[7,8,9,10]。

　　 波形钢板采用平钢板冷成型制作工艺,工厂制作不受轧制条件限制,但受运输条件及混凝土浇筑过程中的均匀性和密实性限制,故建议选用高度≤12m的单块组合墙,大约4层楼高。如此高的波形钢板-混凝土组合墙,施工过程中混凝土浇筑对钢板产生的侧压力及对拉螺栓产生的拉力是结构设计重点,目前的测试和分析尚不多见。在GB 50666—2011《混凝土结构工程施工规范》 ^[11]中,没有明确规定钢板剪力墙或组合墙高度大于10m时钢板承担浇筑过程中流态混凝土产生侧向压力的计算方法。因此,试验测试及理论分析非常必要。

　　 本文使用垫圈式螺栓紧固力传感器对超高波形钢板-混凝土组合墙对拉螺栓从浇筑开始至混凝土终凝结束的受力进行监测。同时使用有限元软件模拟混凝土浇筑过程中钢板及对拉螺栓的内力变化,并将试验数据与现行规范公式计算结果进行对比,给出混凝土对波形钢板侧压力的理论计算方法,为超高波形钢板-混凝土组合墙结构设计提供依据。

　　 波形钢板-混凝土组合墙由波形部分、左右边缘构件、加劲肋3部分组成,需使用对拉螺栓对波形钢板进行面外位移的约束。本研究对浇筑过程中对拉螺栓的内力进行监测,以合理估算浇筑过程中混凝土作用于波形钢板的侧向压力。

　　 对2组未浇筑混凝土的L形截面波形钢板墙螺栓内力进行监测。2组试件截面几何尺寸相同,如图1所示。2组试件的高度分别为12.73m(GBQ1)和10.78m(GBQ2)。采用钢材为Q345B钢材牌号,GBQ1内灌C55自密实混凝土,GBQ2内灌C45自密实混凝土。

　　 螺栓拉力监测点均位于L形截面波形钢板墙长肢,GBQ1钢板墙共布置6个螺栓拉力监测点,分别位于距构件底端1.626,4.566,7.580m处,如图2a所示。GBQ2钢板墙共布置2个螺栓拉力监测点,位于距构件底端0.935m处,如图2b所示。所有监测点均位于波谷处对拉螺栓上,对监测点进行编号,如图2所示。

　　 本研究使用垫圈式螺栓紧固力传感器进行监测,传感器及安装方式如图3所示。垫圈式螺栓紧固力传感器采用不锈钢材质,圆形内孔式结构设计,适用于螺栓拉力测试及紧固力检测等。使用垫圈式螺栓紧固力传感器测量钢板与螺帽间的压力,即可间接得到螺栓所受拉力。使用不同量程的传感器监测不同高度的螺栓拉力,以节约试验成本,各监测点传感器量程如表1所示。

　　 未浇筑混凝土的波形钢板墙通过固定螺栓与基座相连。浇筑时在浇筑口上方焊接临时料斗,采用混凝土泵送车进行混凝土浇筑。钢板墙浇筑持续约15min,传感器采样频率为2min,以开始浇筑的时间为坐标轴x轴零点,钢板墙浇筑过程及初凝阶段GBQ2-4T-1,GBQ2-4T-2测点处螺栓拉力变化如图4所示,14:58开始浇筑,15:16浇筑结束。其他测点处螺栓拉力变化趋势与GBQ2-4T-1和GBQ2-4T-2测点基本一致。观察图4可以发现,浇筑开始后螺栓拉力很快达到峰值,浇筑结束后,螺栓拉力逐渐减小。经过统计,发现混凝土浇筑结束后约12h,螺栓拉力趋于稳定,部分测点拉力稳定后较浇筑前略有减小。同时,在浇筑及初凝阶段,靠近钢板墙短肢的测点GBQ2-4T-1拉力值均小于远离短肢测点GBQ2-4T-1,说明钢板墙短肢对靠近短肢的测点约束能力强。浇筑过程各测点拉力变化值如表2所示。

　　 通过分析表2可知,混凝土开始浇筑时,混凝土为流体,钢板受混凝土浇筑产生的侧压力对对拉螺栓起限制波形钢板侧向位移的作用,承担混凝土对钢板产生的侧压力,故测点处螺栓拉力跃升;浇筑后,初凝阶段混凝土即产生强度,钢板与混凝土间产生较强的黏结力,由于混凝土收缩,导致钢板共同向内收缩,故螺栓拉力在浇筑后即开始减小;浇筑结束12h后,混凝土初凝结束,部分测点拉力较浇筑前略有减小。

　　 采用有限元分析软件ABAQUS处理模块,建立波形钢板-混凝土组合墙有限元模型,对混凝土浇筑时的钢板墙受力情况进行模拟。波形钢板墙的几何尺寸如图1,2所示,根据螺栓布置情况对螺栓进行定位,波形钢板墙的有限元模型如图5所示。

　　 混凝土浇筑过程中波形钢板及对拉螺栓的应力都在弹性范围内,故本文仅进行线性分析,不考虑材料塑性。钢材弹性模量为E_s=2.1×10⁵N/mm²,泊松比取0.3,密度取ρ=7.8×10^-3g/mm³。

　　 波形钢板、边缘构件钢管及横向加劲肋都采用S4R壳单元建模,螺栓采用B31梁单元。螺栓与波形钢板间使用“绑定”建立约束关系。螺栓直径为12mm,波形钢板、边缘构件钢管及加劲肋截面厚度均为4mm。

　　 根据《混凝土结构工程施工规范》 ^[11]:当浇筑速度大于10m/h,或混凝土坍落度大于180mm时,侧压力标准可按下式计算:

　　 式中:F是新浇筑混凝土对模板的最大侧压强(kN/m²);γ_c是混凝土的重力密度(kN/m³);H是混凝土侧压力计算位置处至新浇混凝土顶面的总高度(m)。

　　 同时,《混凝土结构工程施工规范》中提到:对于浇筑流动度特别大的自密实混凝土模板,可直接采用式(1)计算新浇混凝土侧压力。现场浇筑自密实混凝土坍落度设计值为180mm,浇筑速度为48m/h,因此,直接采用式(1)计算新浇混凝土侧压力标准值。

　　 将柱底端与波形钢板底端作为钢板墙结构的固定端,约束所有自由度。根据式(1)计算混凝土作用于波形钢板内侧的压力。混凝土重力密度根据现场浇筑混凝土配合比取值,GBQ1钢板墙中混凝土的重力密度γ_GBQ1=23.04kN/m³,GBQ2钢板墙中混凝土的重力密度为γ_GBQ2=22.83kN/m³。计算可得GBQ1和GBQ2底端侧压强分别为293.26,246.16kN/m²。将此侧压强按三角形荷载形式施加到有限元模型波形钢板内侧,进行有限元计算。

　　 提取对应于测点高度处螺栓的内力有限元计算结果,如表3所示。可以看出,同一高度处螺栓拉力值较为接近,随着螺栓安装高度的增加,螺栓拉力值减小。

　　 根据式(1),在考虑混凝土重力密度和浇筑高度的基础上,计算单根螺栓所受峰值拉力。取螺栓竖向间距与水平间距形成的矩形投影面积(0.49m×0.18m)为单根螺栓承受的混凝土侧压力面积,不考虑结构变形及钢板波形的影响,计算单根螺栓拉力理论值。

　　 试验、有限元及根据式(1)计算得到的螺栓峰值拉力对比如表4所示。

　　 分析表4可发现钢板墙底部测点(GBQ1-4T-1,GBQ1-4T-2,GBQ2-4T-1,GBQ2-4T-2)处,螺栓拉力实测值与理论值及有限元计算值差值≤26%。理论值与有限元计算值差值较小,说明上述螺栓拉力理论计算方法可对钢板墙对拉螺栓的最大内力进行较准确的估计。上部测点处螺栓拉力实测值与理论值、有限元计算值差值较大,但实测值均远小于理论公式计算值,理论计算方法偏于安全,可应用于结构设计。该差异应和自密实混凝土本身的材料特性及墙体几何构型相关,需进一步研究。

　　 由有限元计算及理论分析认为,螺栓拉力主要与其所处有效压头高度有关。将实测值、有限元计算值及理论值进行统计并按照与有效压头高度的相关性进行整理,如图6所示。通过比较发现,实际浇筑过程中,模板侧压力与高度并没有呈线性关系,这应该是由于混凝土浇筑后很快产生强度,上部浇筑的混凝土有效压头高度减小;同时底部侧压力较大,造成底部钢板发生膨胀,使上部钢板向内位移。在这两个因素的共同作用下,4.5,7.5m测点处螺栓拉力实测值远小于理论值和有限元计算值,但底部螺栓拉力实测值与理论值及有限元计算值吻合较好。

　　 本文以超高波形钢板-混凝土组合墙为研究对象,采用试验实测、有限元分析与理论计算的方法,进行超高波形钢板-混凝土组合墙在混凝土浇筑阶段钢板承受侧压力的研究,得到如下结论。

　　 1)本文针对高度分别为12.73,10.87m的超高波形钢板-混凝土组合墙,在自密实混凝土浇筑过程中,使用垫圈式螺栓紧固力传感器对不同高度处对拉螺栓的受力情况进行监测。测试结果表明,自密实混凝土浇筑过程产生的对拉螺栓拉力只在浇筑初期的很短时间段内比较大,初凝后即迅速降低,最终稳定在一个较小的水平。

　　 2)自密实混凝土对模板侧压力随高度变化以指数形式分布,《混凝土结构工程施工规范》中对模板侧压力的计算公式F=γ_cH在波形钢板墙底部位置仍然适用,也对波型钢板-混凝土组合墙在浇筑过程中进行有限元计算,数值计算结果、试验结果和侧压力计算公式三者在波形钢板墙底部位置吻合较好。