螺栓拼接鋼梁的抗彎性能

童樂為， 牟曉亮， 周 鋒， 龔 劍， 黃玉林， 王小安

(1. 同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092； 2. 上海建工集團(tuán)股份有限公司， 上海 200080；3. 上海裝配式建筑技術(shù)集成工程技術(shù)研究中心， 上海 200011)

近幾十年來，隨著超高層建筑施工技術(shù)的迅猛發(fā)展，我國(guó)陸續(xù)建成了一批超高層建筑，包括金茂大廈、廣州西塔、上海環(huán)球金融中心、上海中心等[1].上海建工集團(tuán)通過技術(shù)集成，研發(fā)出鋼柱筒架交替支撐液壓爬升整體鋼平臺(tái)模架裝備系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱模架裝備)，并已成功應(yīng)用于上海中心大廈、上海北外灘白玉蘭廣場(chǎng)和上海大中里綜合發(fā)展項(xiàng)目T2主樓等重大工程項(xiàng)目的施工[2-5].

模架裝備由鋼平臺(tái)、筒架支撐、工具式鋼柱、腳手架、模板5大系統(tǒng)組成.其中，鋼平臺(tái)系統(tǒng)為模塊化設(shè)計(jì)，采用標(biāo)準(zhǔn)化的鋼梁截面和高強(qiáng)度螺栓連接方式，施工應(yīng)用時(shí)可根據(jù)建筑幾何尺寸需要，拼裝鋼平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)通用性.鋼梁截面均為H型鋼.為了滿足各種幾何尺寸的工程項(xiàng)目施工的需要和連接的方便，鋼梁之間采用拼接板，通過高強(qiáng)度螺栓連接形成所需要的長(zhǎng)度.在實(shí)際施工中，高強(qiáng)度螺栓連接處的構(gòu)件表面不做專門的摩擦處理，且不對(duì)螺栓施加預(yù)拉力，實(shí)際上就是高強(qiáng)度螺栓按照普通螺栓的受力方式使用.兩根H型鋼通過螺栓拼接形成一根梁，在鋼平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)將該拼接節(jié)點(diǎn)視作剛性節(jié)點(diǎn).

有關(guān)鋼梁的螺栓拼接節(jié)點(diǎn)的性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一些研究.國(guó)外學(xué)者Kulak等[6]對(duì)僅進(jìn)行腹板拼接的H型鋼梁進(jìn)行了試驗(yàn)研究，測(cè)量了腹板螺栓孔在擠壓作用下的變形方向，確定了設(shè)計(jì)中的剪力偏心矩.Sheikh-Ibrahim等[7]研究了翼緣采用焊接拼接板或者無拼接、腹板采用高強(qiáng)度螺栓拼接板(螺栓無預(yù)拉力)的鋼梁剪力和彎矩分別在翼緣拼接板和腹板拼接板中的分配問題.Zygomalas等[8]對(duì)有無高強(qiáng)度螺栓拼接板的H型鋼梁跨中撓度進(jìn)行了比較試驗(yàn).國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究主要針對(duì)超高層鋼結(jié)構(gòu)的鋼梁拼接，如李啟才等[9-12]將鋼梁高強(qiáng)螺栓拼接節(jié)點(diǎn)作為梁柱連接節(jié)點(diǎn)的一部分進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析其承載力、耗能能力以及高強(qiáng)螺栓的摩擦系數(shù)、拼接板厚度對(duì)拼接節(jié)點(diǎn)性能的影響，但并沒有對(duì)單純鋼梁的拼接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究.

因此，本文結(jié)合爬升整體鋼平臺(tái)模架裝備的工程應(yīng)用，對(duì)H型鋼梁高強(qiáng)度螺栓拼接板節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析其抗彎承載力和剛度性能.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了2個(gè)具有高強(qiáng)度螺栓拼接板節(jié)點(diǎn)的H型鋼梁試件，均采用HN400×200×8×13型鋼、8 mm厚拼接板和8.8級(jí)M22高強(qiáng)度螺栓(板上螺栓孔直徑23 mm)，型鋼和拼接板均為Q345B鋼材.2個(gè)試件的區(qū)別在于腹板拼接螺栓數(shù)目不同，節(jié)點(diǎn)參數(shù)詳見表1.鋼梁試件以及拼接節(jié)點(diǎn)的幾何尺寸詳見圖1.

表1 螺栓拼接節(jié)點(diǎn)參數(shù)

本試驗(yàn)的鋼梁拼接按照等強(qiáng)度和等抗彎剛度相等設(shè)計(jì)，其中，等抗彎剛度是指拼接截面的慣性矩Ip不小于被拼接H型鋼梁本身的截面慣性矩I.

1.2 鋼材力學(xué)性能試驗(yàn)

本文針對(duì)H型鋼的翼緣和腹板以及拼接板，進(jìn)行了3種情況的Q345B鋼材力學(xué)性能試驗(yàn).試樣均為板材，按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加工和拉伸試驗(yàn)[13-14]，試驗(yàn)結(jié)果的平均值如表2所示.

1.3 加載及測(cè)試方案

如圖2～4所示，兩個(gè)鋼梁試件均采用兩端簡(jiǎn)支、四點(diǎn)對(duì)稱單調(diào)加載.為防止試驗(yàn)過程中鋼梁整體側(cè)向彎扭失穩(wěn)，采用了側(cè)向支撐.

圖1 試件及螺栓拼接節(jié)點(diǎn)尺寸(單位：mm)

試樣編號(hào)取樣位置屈服強(qiáng)度fy/MPa屈服應(yīng)變?chǔ)舮/10-6極限強(qiáng)度fu/MPa伸長(zhǎng)率δ10/%M8拼接板3421 66056024.1MH8型鋼腹板3281 59249320.8MH13型鋼翼緣3001 45651025.7

圖2 試件加載圖式

按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB20017—2003)[15]，預(yù)估節(jié)點(diǎn)承載力P=265 kN.試驗(yàn)先預(yù)加載60 kN，大約為預(yù)估荷載的20%，觀察應(yīng)變片及位移計(jì)讀數(shù)無異常后進(jìn)行正式加載.

試驗(yàn)中采用位移計(jì)、應(yīng)變片來測(cè)量鋼梁及其拼接部位的位移、應(yīng)變.兩個(gè)試件的位移計(jì)及應(yīng)變片的布置完全相同，具體布置如圖5所示，其中1—1和3—3為H型鋼梁截面，2—2為拼接板截面.

圖3 試驗(yàn)加載裝置

圖4 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

a 位移計(jì)布置

b 應(yīng)變片布置

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 拼接鋼梁破壞模式分析

兩個(gè)拼接鋼梁試件在荷載作用下的最終破壞模式相同，均為純彎段非拼接處鋼梁上翼緣受壓屈曲，隨后試件喪失承載力，破壞形態(tài)如圖6所示.

a 試件J1b 試件J2

圖6試件受彎破壞模式

Fig.6Bendingfailureofspecimens

2.2 拼接鋼梁荷載-撓度曲線

圖7給出了試件J1和J2跨中截面2—2在加載過程中的荷載-跨中撓度曲線，可見兩個(gè)試件的曲線走勢(shì)基本一致.該曲線基本上可分為6個(gè)階段：①摩擦傳力的線彈性階段(雖然沒有對(duì)螺栓施加預(yù)拉力，但仍有一定的摩擦力)；②螺栓滑移階段，此時(shí)螺栓所受剪力大于板間摩擦力而突然產(chǎn)生滑移；③螺栓抗剪、承壓傳力的線彈性階段；④拼接節(jié)點(diǎn)屈服階段，此時(shí)下翼緣外拼接板屈服，拼接節(jié)點(diǎn)進(jìn)入屈服，而鋼梁仍處于彈性階段，荷載-跨中撓度曲線開始表現(xiàn)出非線性特征；⑤鋼梁彈塑性階段，此時(shí)鋼梁的上、下翼緣均屈服，撓度的增長(zhǎng)速度明顯大于荷載的增長(zhǎng)速度，拼接鋼梁的剛度明顯降低，荷載-跨中撓度曲線出現(xiàn)明顯的彎折且非線性顯著；⑥鋼梁屈曲及破壞階段，此時(shí)鋼梁上翼緣受壓屈曲，荷載增加不大，但鋼梁撓度迅速地增加，最終喪失承載力.

圖7 試件荷載-跨中撓度曲線

2.3 拼接鋼梁應(yīng)變分布及荷載-應(yīng)變曲線

圖8為試件J1和J2在1—1截面(H型鋼)上的應(yīng)變分布情況，由圖8可見，對(duì)于處于純彎段的1—1截面，實(shí)測(cè)應(yīng)變分布符合平截面假定，且中和軸位于截面的形心處.

圖9為2—2截面(拼接板)的應(yīng)變分布情況，可知：當(dāng)P<80 kN時(shí)，即螺栓滑移前，截面上的應(yīng)變分布基本符合平截面假定，且中和軸位于截面形心處；當(dāng)P=80 kN時(shí)，螺栓產(chǎn)生滑移，接觸關(guān)系發(fā)生變化，中和軸上移至梁高h(yuǎn)=120 mm處；當(dāng)P>80 kN時(shí)，截面上的應(yīng)變分布不再符合平截面假定，并且隨著荷載的增加，腹板應(yīng)變?cè)黾雍苄。饕可?、下翼緣拼接板傳?

圖10為試件J1和J2在3—3截面(H型鋼)上的應(yīng)變分布情況，可見3—3截面的應(yīng)變分布情況和1—1截面基本相同，應(yīng)變分布符合平截面假定，且中和軸位于截面的形心處.

a 試件J1

b 試件J2

a 試件J1

b 試件J2

a 試件J1

b 試件J2

2.4 拼接鋼梁承載力分析

根據(jù)實(shí)測(cè)的H型鋼截面尺寸及材性數(shù)據(jù)，H型鋼梁的邊緣屈服彎矩MB,e及全截面塑性彎矩MB,p計(jì)算值如表3所示.

根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象(圖7)，當(dāng)荷載P=80 kN時(shí)，試件J1和J2節(jié)點(diǎn)區(qū)螺栓出現(xiàn)滑移，此時(shí)作用彎矩為88 kN·m，將此彎矩定義為節(jié)點(diǎn)的滑移彎矩Ms.

在荷載作用下，鋼梁拼接區(qū)的下翼緣外拼接板首先屈服，此時(shí)對(duì)應(yīng)的彎矩定義為節(jié)點(diǎn)屈服彎矩My.試件J1和J2的節(jié)點(diǎn)屈服彎矩分別為：My1=275 kN·m，My2=237 kN·m，My2/My1=0.862.試件J2的節(jié)點(diǎn)屈服彎矩比試件J1低，其原因?yàn)镴1和J2的腹板一側(cè)分別采用兩列和一列螺栓，在相同的荷載作用下，后者腹板拼接板分配彎矩比前者少，因此后者翼緣拼接板承擔(dān)彎矩比前者多，會(huì)首先進(jìn)入屈服.

雖然本試驗(yàn)的鋼梁拼接按照相等的抗彎剛度設(shè)計(jì)，但是由表3可知，My

表3 拼接節(jié)點(diǎn)抗彎承載力試驗(yàn)結(jié)果

試件J1和J2最終喪失承載力時(shí)均發(fā)生了鋼梁非拼接段的上翼緣受壓屈曲，兩個(gè)試件的極限彎矩分別為Mu1=405 kN·m，Mu2=413 kN·m，如表3所示.兩個(gè)試件的極限彎矩基本相等，且與鋼梁全截面屈服彎矩MB,p基本相等.

2.5 拼接鋼梁剛度分析

在工程設(shè)計(jì)中，圖1所示的H型鋼梁螺栓拼接通常按照剛接處理，即拼接鋼梁可視為沒有拼接的鋼梁.因此，圖2所示荷載方式的鋼梁在彈性階段的理論撓度曲線可由式(1)計(jì)算.

ft(x,M)=

(1)

圖11為試件J1和J2在加載過程中，鋼梁的理論計(jì)算撓度曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比.當(dāng)荷載P<80 kN時(shí)，即螺栓滑移之前，鋼梁的實(shí)測(cè)撓度與理論計(jì)算撓度基本相同，表明螺栓拼接節(jié)點(diǎn)可視為剛接，鋼梁可按照公式(1)計(jì)算撓度.當(dāng)荷載P>80 kN、拼接螺栓滑移之后，鋼梁實(shí)測(cè)撓度逐漸大于理論計(jì)算撓度，計(jì)算誤差越來越大.例如，當(dāng)荷載P=100 kN和200 kN時(shí)，試件J1跨中撓度的實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值之比分別為2.30和2.99，試件J2的情況分別為2.97和3.67，表明拼接節(jié)點(diǎn)達(dá)不到剛接，用于沒有拼接節(jié)點(diǎn)的梁的理論計(jì)算撓度公式(1)已不適用，需要提出新的方法來計(jì)算螺栓拼接鋼梁的撓度.

根據(jù)試件J1和J2各個(gè)位移計(jì)測(cè)得的數(shù)據(jù)分析，當(dāng)M≤MB,e時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的荷載-撓度曲線的基本形式如圖12所示.

圖12中，fs1和fs2分別為鋼梁拼接節(jié)點(diǎn)螺栓滑移開始和結(jié)束時(shí)各測(cè)點(diǎn)的撓度，fy為下翼緣外拼接板屈服時(shí)，也就是節(jié)點(diǎn)屈服時(shí)各測(cè)點(diǎn)的撓度.由圖12可見，當(dāng)外加彎矩M≤MB,e時(shí)，荷載-撓度曲線基本分為4段：①M(fèi)

a 試件J1

b 試件J2

圖12 M≤MB,e時(shí)螺栓拼接鋼梁的荷載-撓度曲線

為了提出螺栓拼接鋼梁在彈性階段的撓度計(jì)算公式，本文引入轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧來模擬具有螺栓拼接節(jié)點(diǎn)的鋼梁抗彎剛度，如圖13所示，圖中K為彈簧的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度.在荷載作用下，鋼梁的撓度由兩部分構(gòu)成：①僅由拼接節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)引起的鋼梁撓度；②拼接節(jié)點(diǎn)無轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)鋼梁產(chǎn)生的撓度.

圖13 螺栓拼接試件的抗彎剛度理論計(jì)算模型

如圖14所示，在節(jié)點(diǎn)彎矩M作用下，僅由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)引起的鋼梁撓度可由式(2)計(jì)算.

圖14 僅由螺栓拼接節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)引起的試件撓度

(2)

拼接節(jié)點(diǎn)無轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的鋼梁撓度仍由式(1)計(jì)算.因此，計(jì)入拼接節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的鋼梁撓度計(jì)算為

fK(x,M)=ft(x,M)+fz(x,M)

(3)

進(jìn)一步考慮節(jié)點(diǎn)滑移以及節(jié)點(diǎn)抗彎剛度的變化，則拼接鋼梁在彈性階段(拼接節(jié)點(diǎn)屈服之前)的最終撓度可按照公式(4)進(jìn)行修正計(jì)算.

f(x,M)=

(4)

在試驗(yàn)過程中，已測(cè)得試件J1和J2在不同荷載作用下的撓度，因此根據(jù)公式(4)可反推得到試件J1和J2鋼梁拼接節(jié)點(diǎn)在不同荷載階段的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度KJ1、KJ2，如表4所示.

表4 螺栓拼接節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度K

由表4可知：當(dāng)M

將表4的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度代入公式(2)，最終由公式(4)來計(jì)算拼接鋼梁在節(jié)點(diǎn)屈服之前的彈性階段的實(shí)際撓度.圖15為公式(4)的計(jì)算撓度曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，可見兩者吻合良好，驗(yàn)證了公式(4)的可靠性.

a 試件J1

b 試件J2

3 結(jié)論

(1) 拼接鋼梁在整個(gè)加載過程中的力學(xué)行為依次呈現(xiàn)出以下特性：鋼梁和節(jié)點(diǎn)的彈性階段，節(jié)點(diǎn)螺栓滑移的非承載階段，鋼梁和節(jié)點(diǎn)恢復(fù)承載力的彈性階段，節(jié)點(diǎn)處受拉翼緣拼接板屈服階段，鋼梁彈塑性階段，鋼梁受壓翼緣屈曲破壞階段.

(2) 拼接節(jié)點(diǎn)進(jìn)入屈服時(shí)的彎矩試驗(yàn)值明顯小于鋼梁邊緣屈服的彎矩理論計(jì)算值，前者為后者的69% ～ 80%，但是，拼接節(jié)點(diǎn)最終破壞時(shí)的極限彎矩試驗(yàn)值可達(dá)到鋼梁全截面屈服彎矩的理論計(jì)算值.拼接節(jié)點(diǎn)破壞時(shí)的極限彎矩試驗(yàn)值為其進(jìn)入屈服時(shí)的彎矩試驗(yàn)值的1.47～1.74倍.

(3) 拼接節(jié)點(diǎn)在螺栓滑移之前，翼緣和腹板拼接板上的應(yīng)變符合平截面假定，但是滑移之后不再符合平截面假定，彎矩主要由翼緣拼接板承受和傳力，腹板傳力很少.

(4) 拼接節(jié)點(diǎn)的螺栓滑移對(duì)鋼梁抗彎剛度有較大的影響，當(dāng)螺栓未滑移時(shí)，拼接鋼梁整體性好，如同未有螺栓拼接的整根鋼梁，拼接節(jié)點(diǎn)可視為剛接，但是，當(dāng)螺栓發(fā)生滑移后，鋼梁抗彎剛度減小，拼接節(jié)點(diǎn)不能按剛接處理，相當(dāng)于半剛性節(jié)點(diǎn).

(5) 拼接腹板上螺栓數(shù)量由雙列螺栓減少至單列螺栓，拼接節(jié)點(diǎn)的抗彎剛度約有20%的降低.

(6) 本文在試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，提出了考慮拼接節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度影響的鋼梁撓度理論計(jì)算方法和公式，理論計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合良好.

(7) 在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行鋼平臺(tái)梁拼接時(shí)，建議盡可能對(duì)高強(qiáng)度螺栓施加預(yù)拉力，充分利用和發(fā)揮摩擦力的作用，延遲螺栓滑移的不利影響，從而提高拼接鋼梁的抗彎剛度.