钢板-砖砌体组合构件/框架受力性能及设计方法研究

钢板-砖砌体组合结构是一种新型的钢板应用，适用于既有砖混结构的大空间改造。在对拉螺栓固定、砖砌体刚性介质支承与结构胶粘结力共同作用下，钢板受力属于有侧向粘结力约束的单向屈曲新问题，也是钢板-砖砌体组合结构应用基础研究的核心问题。目前这方面的研究很少，导致此类组合结构的受力性能得不到充分认识，相应的设计方法未能很好的建立。本项目以钢板-砖砌体组合构件与框架为研究对象，基于试验研究、数值模拟与理论分析方法。在既有薄板单向屈曲分析理论的基础上，建立侧向粘结力约束下钢板单向屈曲问题的计算理论；然后，根据已有研究成果，针对工程应用中急需解决的组合梁抗剪与抗扭、组合墙梁、异形组合柱的静载，组合柱、组合框架的抗震性能开展研究。提出组合构件的承载能力、刚度设计公式与构造要求，以及组合框架的整体抗震构造要求。项目的研究成果为推广钢板-砖砌体组合结构的应用，以及类似薄板的单向屈曲问题提供理论基础与科学依据。

钢板-砖砌体组合结构由既有砖砌体墙、钢板、对拉螺栓与灌注型黏结材料组成，黏结材料包括结构胶和水泥浆。该结构目前已成功应用于国内多个实践项目中，但是钢板-砖砌体组合结构/构件的受力性能研究与分析严重滞后于工程实践。为了完善其计算理论与设计方法，项目组完成多批试验研究与分析，涉及钢板在刚性介质支承并有侧向黏结力约束受压时单向屈曲、钢板-砖砌体组合梁的受剪与受扭、钢板-砖砌体组合墙梁受竖向集中荷载作用、钢板-砖砌体组合异形柱（T、L形截面）轴心与偏心受压、钢板-砖砌体组合异形柱以及组合框架的抗震性能。研究结果表明，钢板局部屈曲是该类组合构件的核心问题。在钢板-砖砌体组合柱中，可见屈曲荷载与极限荷载的比值在70%~85%左右，并且随着钢板厚度的增加以及对拉螺栓间距与钢板厚度之比的降低，该比值呈增大趋势。在结构胶侧向黏结力作用下，钢板的局部屈曲变形受到约束，当钢板厚度较薄时，依据应变片识别的钢板局部屈曲临界点与钢板发生可见屈曲变形时的对应荷载并不一致；随着钢板厚度的增加，两者之间渐趋一致。对拉螺栓间距与钢板厚度之比的优化值建议取70，钢板-结构胶-砖砌体界面的黏结应力取0.45~0.90MPa。在组合异形柱中，外包钢板角部冷弯连接替代焊缝连接能够有效地避免试件的过早破坏，对拉螺栓强度对异形截面组合柱的影响要远大于矩形截面。钢板-砖砌体L形组合柱、组合框架（矩形截面柱）的滞回曲线饱满，表现出较好的变形与耗能能力。钢板-砖砌体组合梁受剪作用下的破坏为剪跨段内钢板局部屈曲和砌体斜裂缝。钢板-砖砌体组合梁受扭的破坏集中在梁端和加载点附近；梁端破坏表现为砖砌体的开裂破坏，加载点附近破坏表现为螺栓断裂、焊缝撕裂等；钢板-砖砌体组合梁抗扭的极限承载力和刚度与钢板厚度以及设置盖板有关。钢板-砖砌体组合墙梁中上部墙体与其托梁之间的组合作用与上部墙体的高度有关，当上部墙体的高跨比不超过0.25时组合作用不明显，但高跨比过大时在集中荷载作用下易发生劈裂破坏；同时，钢板-砖砌体组合托梁与上部墙体平面内刚度系数应大于79。基于试验研究的结果进行理论分析与有限元数值模拟，提出钢板-砖砌体组合梁、柱的承载力计算方法，组合框架的抗侧刚度与恢复力模型。研究成果为钢板-砖砌体组合结构的加固设计提供科学依据，有助于该项技术在实践工程中的推广与应用。