双钢板混凝土组合结构 (简称SC结构) 是一种由外侧钢板和内填混凝土组合而成的受力体系, 为保证钢板和混凝土能协调工作, 避免钢板发生面外屈曲, 使用栓钉、加劲肋、隔板等次要构件增强其与混凝土之间的连接^[1]。该结构由于具有延性好、耗能能力强、构造简单、施工方便、避免裂缝外漏等优点^[2]而被推广应用于核电工程屏蔽厂房及其他结构模块中, 其结构形式如图1所示。

　　 核电工程钢板混凝土剪力墙的抗震性能主要由面内受力强度和韧性控制, 但是在基础连接处及各节点处却由面外受力性能控制^[3], 且当发生安全停堆地震、沿厚度方向有突发的温差效应、遭受投射物 (包括龙卷风携带物、导弹、飞机等) 撞击等工况下将产生较大的面外荷载。所以SC结构面外弯剪性能研究对验证核电结构安全性具有重要的理论意义和工程参考价值。

　　 国内外对SC结构的面内受力性能有较深入的研究^[4,5,6,7], 而对其面外弯剪性能研究较少。英国学者M.Xie^[8]等对18根双钢板混凝土组合梁进行了静力试验, 研究了剪跨比、钢板厚度、梁宽及栓钉间距对该结构面外受力破坏模式的影响。试验证明, 为了保证构件发生塑性破坏, 必须把构件设计成受拉钢板先屈服。最后对比了当时的设计推荐值并给出了替代设计方法。日本和美国学者^[9,10]做了相类似的试验来研究SC结构的面外受力性能。我国学者杨悦^[11]等对4个单钢板试件和3个双钢板试件进行了受弯试验, 分析了不同钢板厚度抗剪连接强度以及构造钢筋配置对组合板受弯性能和破坏形态的影响。

　　 针对核电工程的巨厚 (厚度大于1 000mm) 钢板混凝土剪力墙, 考虑到轴压力及混凝土强度对墙体面外弯剪性能的影响, 本文设计了3个钢板混凝土剪力墙试件, 并进行了低周往复拟静力试验, 基于试验结果分析了巨厚钢板混凝土剪力墙面外弯剪性能, 可为该结构的设计方法提供参考。

　　 共设计3个SC结构剪力墙试件, 编号为SCW-1~SCW-3。试件剪跨比4.0, 墙肢长度B=700mm, 墙身净高H₀=730mm, 墙厚T=220mm, 水平加载合力点到基础顶面距离H=880mm。前后钢板强度等级均为Q345。栓钉选用D6-50, 其间距t=60mm。各试件的轴压力F_N、钢板厚度t_s、混凝土厚度t_c、钢板屈服强度f_y、混凝土抗压强度f_cu、混凝土抗拉强度f_t见表1。试件正面图如图2所示、试件剖面图如图3所示, 试件的钢结构部分如图4所示。

　　 图2 试件正面及应变测点图

　　  

　　 图3 图2中试件A-A剖面图

　　 试验过程中, 先对试件施加定值竖向荷载, 然后施加水平往复荷载。水平荷载采用力-位移双控制法, 先以力加载控制, 推为正, 拉为负, 加载步距为20k N, 试件达到屈服后进行位移控制, 步距为屈服位移Δ_y的1/8, 当水平荷载达到试件峰值荷载的85%时, 停止加载。加载装置如图5所示, 试验现场如图6所示。

　　 试验的反应量包括墙体前后钢板表面的应变、加载位置的水平位移和加载力值、试件基础处的水平位移等, 应变测点如图2所示。试验中, 人工测绘了混凝土表面裂缝, 并记录了加载过程中裂缝的发展情况。

　　 3个试件的试验现象和破坏模式基本相似, 试验过程主要分为以下4个阶段:

　　 (1) 弹性阶段。试验初期试件各材料均处于弹性阶段, 水平荷载与墙顶位移成线性关系, 试件无明显反应特征。

　　 (2) 开裂阶段。随着水平荷载的增加, 墙底部 (弯矩最大处) 混凝土首先达到受拉极限应变而出现对称水平微裂缝, 随后在墙高约200mm处 (墙中下部) 出现对称受拉斜裂缝, 裂缝不断扩展并交叉形成第一组交叉裂缝;随着荷载的继续增加, 在墙高约400mm处 (墙中部) 出现第二条斜裂缝并迅速扩展成第二组交叉裂缝, 如图7所示。

　　 (3) 脆断阶段。荷载增加到极限荷载时, 由于受拉侧钢板屈服, 主裂缝 (第二条斜裂缝) 突然明显加宽, 受拉区混凝土完全退出工作, 试件刚度和承载力明显下降, 出现典型的脆性破坏。

　　 (4) 破坏阶段。墙顶水平位移继续增加过程中, 裂缝明显加宽, 混凝土呈粉末状脱落。试件达到最终破坏状态时, 由于墙底或墙中部受压区混凝土被压碎失去承载能力, 导致钢板受压鼓曲, 鼓曲范围内的栓钉被拉断, 如图8所示。破坏阶段试件刚度、承载能力急剧下降, 直至失去承载能力。试件破坏过程如图9所示。

　　 试验得到了各试件混凝土开裂时的荷载P_cr和挠度δ_cr, 试件的极限荷载P_u及其对应挠度δ_u, 试验结果如表2所示。

　　 与SCW-2相比, SCW-1轴压力提高了一倍, 其开裂荷载提高了42.6%, 开裂时的梁顶挠度增加了67.1%, 极限荷载提高了6.15%, 极限荷载对应的墙顶挠度增加了28.7%。试验结果显示, 轴压力变化对墙体面外弯剪性能有显著影响, 这表明在合理范围内提高轴压力能有效提高双钢板混凝土组合墙体的抗裂能力, 并能提高其极限承载力。

　　 与SCW-3相比, SCW-2仅提高了混凝土强度, 其开裂荷载和开裂时的梁顶位移没有明显的变化, 但极限荷载有所增大, 增大约5.9%。这表明混凝土强度变化对墙体的开裂荷载影响不明显, 但能在一定程度上提高试件的极限承载能力。

　　 试验得到了不同试件的水平荷载-挠度曲线, 如图10所示。对比分析试验结果发现, 双钢板混凝土组合墙体在面外荷载作用下延性较差。荷载达到极限荷载后承载力急剧下降, 表现出明显的脆性破坏。轴压力的提高能一定程度地提高试件的延性, 而混凝土强度的变化对试件延性影响不明显。

　　 针对核电工程结构的巨厚双钢板混凝土组合墙体, 通过缩尺试验模型的面外低周往复拟静力试验, 开展了轴压力、混凝土强度对墙体力学性能和破坏特性的分析, 得到了以下研究结果:

　　 (1) 双钢板混凝土组合墙体在面外荷载作用下出现典型的脆性破坏, 延性较差, 耗能能力较弱。

　　 (2) 混凝土强度变化对双钢板混凝土组合墙体的开裂荷载影响不明显, 但提高混凝土强度能一定程度地提高墙体的极限承载能力。

　　 (3) 轴压力大小对双钢板混凝土组合墙体的面外弯剪性能有显著影响。在合理范围内提高轴压力能有效提高墙体的抗裂能力, 并能一定程度地提高墙体的极限承载能力。

　　 本文开展的试验和结果分析, 从一个侧面展现了巨厚双钢板混凝土组合墙体的面外弯剪性能。但要给出更明确的规律性定量结果, 还需要结合更多的试验和理论分析结果。