造樓機(jī)附墻裝置連接構(gòu)造抗拉拔性能試驗(yàn)*

曹萬林， 李鳳丹， 喬崎云， 殷 飛， 汪鼎華， 霍文霖

(1 北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院， 北京 100124； 2 深圳市卓越工業(yè)化智能建造開發(fā)有限公司， 北京 100089)

0 引言

空中造樓機(jī)是工業(yè)化智能建造集成設(shè)備，將工廠搬到施工現(xiàn)場(chǎng)，采用機(jī)械操作、智能控制等手段與現(xiàn)有施工技術(shù)相配合，以機(jī)器代替人工來實(shí)現(xiàn)高層及超高層住宅的建造[1]，適用于剪力墻結(jié)構(gòu)體系高層及超高層住宅的施工。造樓機(jī)整體結(jié)構(gòu)的上升與回落需要依靠通過一定的連接構(gòu)造布置在剪力墻外部的附墻軌道，因此附墻軌道與剪力墻之間的連接構(gòu)造是造樓機(jī)研發(fā)過程中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

目前對(duì)于剪力墻平面外性能已有一些研究成果，對(duì)本文具有一定的參考價(jià)值。李小軍等[2]進(jìn)行了雙鋼板混凝土組合剪力墻的面外抗震性能試驗(yàn)，結(jié)果表明，混凝土強(qiáng)度對(duì)其面外抗震性能影響不明顯。陽芳等[3]進(jìn)行了鋼板夾芯混凝土剪力墻的面外受力性能試驗(yàn)，分析了含鋼率、剪跨比以及墻體構(gòu)造方式等因素對(duì)墻體面外性能的影響。孫棟良等[4]建立了預(yù)制混凝土梁-墻平面外節(jié)點(diǎn)有限元模型，分析結(jié)果表明，剪力墻厚度對(duì)節(jié)點(diǎn)受力性能影響較大。當(dāng)今學(xué)者對(duì)施工裝置附著節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了一定研究。趙俊釗等[5]對(duì)附著式整體腳手架的附著節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、斜拉桿內(nèi)力控制和支承跨度等問題進(jìn)行了研究。劉鑫[6]對(duì)導(dǎo)架式升降平臺(tái)附著裝置的結(jié)構(gòu)和施工工藝作了相關(guān)研究。張曉等[7]對(duì)附墻節(jié)點(diǎn)處墻體在塔式起重機(jī)作用下的受力特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。以往國內(nèi)對(duì)施工裝置附墻節(jié)點(diǎn)的受力性能研究大多為有限元分析[8-11]，相關(guān)試驗(yàn)研究較少。

試件基本參數(shù) 表1

本文提出了一種造樓機(jī)附墻裝置與剪力墻的連接構(gòu)造系統(tǒng)，基于此系統(tǒng)，進(jìn)行了22個(gè)附墻裝置連接構(gòu)造試件的抗拉拔性能試驗(yàn)，分析了其破壞特征、承載力、剛度和鋼筋應(yīng)變，為連接構(gòu)造系統(tǒng)的實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

1 造樓機(jī)附墻裝置與剪力墻的連接構(gòu)造系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)附墻軌道與剪力墻之間的可靠連接，本文提出了一種造樓機(jī)附墻裝置與剪力墻之間的連接構(gòu)造系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)由造樓機(jī)軌道、剪力墻、連接軌道與剪力墻的螺桿及條形鋼板構(gòu)成。在剪力墻上采用與墻厚等長的圓鋼管預(yù)留四個(gè)圓孔，圓孔直徑32mm，圓孔中心距200mm，在造樓機(jī)軌道相同位置處同樣預(yù)留四個(gè)圓孔，剪力墻兩側(cè)各布置兩塊開孔條形鋼板，兩側(cè)鋼板垂直交叉布置，采用此開孔條形鋼板和螺桿將造樓機(jī)軌道與剪力墻相連，其中螺桿采用4根8.8級(jí)M30高強(qiáng)螺栓，開孔條形鋼板尺寸320mm×120mm×20mm，開孔直徑35mm。提出的連接構(gòu)造系統(tǒng)便于拆裝，螺桿和鋼板可重復(fù)利用，且拆卸后剪力墻預(yù)留圓孔可用砂漿抹平，不影響其美觀性。

圖1 連接構(gòu)造系統(tǒng)示意圖

2 試驗(yàn)概況

2.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了22個(gè)雙排配筋剪力墻，試件編號(hào)及基本參數(shù)見表1。主要參數(shù)包括墻體厚度、墻體配筋、墻體構(gòu)造、混凝土強(qiáng)度、墻體支點(diǎn)距離，其中墻體構(gòu)造包括預(yù)留圓孔貼靠正交分布鋼筋、預(yù)埋錨筋連接、附加鋼筋網(wǎng)片、預(yù)留圓孔不貼靠鋼筋。剪力墻為對(duì)稱布置，中部及角部各使用3mm厚鋼管預(yù)留四個(gè)圓孔，混凝土保護(hù)層厚度為20mm，采用非均勻配筋以適應(yīng)圓孔位置和滿足配筋要求，墻體兩個(gè)方向配筋相同，角部圓孔周圍布置兩道互相垂直的局部加強(qiáng)筋，規(guī)格與受力鋼筋一致，所有鋼管與周圍鋼筋點(diǎn)焊定位。在墻體中心圓孔上下側(cè)各布置兩塊開孔條形鋼板，兩側(cè)鋼板垂直交叉布置，采用4根8.8級(jí)M30高強(qiáng)螺栓連接形成預(yù)留圓孔連接構(gòu)造，對(duì)4根螺栓施加預(yù)應(yīng)力。以試件SWA/30L-1，SWA/30S-1，SWA/30S-1A，SWA/30L-1M和SWA/30L-1N為例，試件幾何尺寸、配筋及鋼板幾何尺寸見圖2～7。

圖2 試件SWA/30L-1幾何尺寸及配筋

圖3 試件SWA/30S-1幾何尺寸及配筋

圖4 試件SWA/30S-1A幾何尺寸及配筋

圖5 試件SWA/30L-1M幾何尺寸及配筋

圖6 試件SWA/30L-1N幾何尺寸及配筋

圖7 鋼板幾何尺寸

預(yù)留圓孔貼靠正交分布鋼筋的試件SWA/30L-1和SWA/30S-1配筋圖見圖2，3；預(yù)埋錨筋連接的試件SWA/30S-1A和SWC/30S-1A在預(yù)留圓孔貼靠正交分布鋼筋試件的中心圓孔相同位置處預(yù)埋由直徑30mm的光圓鋼筋彎折而成的錨固鋼筋，見圖4，在其上側(cè)布置兩塊開孔條形鋼板，對(duì)4根錨筋施加相同的預(yù)應(yīng)力；附加鋼筋網(wǎng)片的試件SWA/30L-1M和SWA/50L-1M在預(yù)留圓孔貼靠正交分布鋼筋試件的中部上下側(cè)均附加直徑為4mm、間距為50mm的鋼筋網(wǎng)片，面積為400mm×400mm，見圖5；預(yù)留圓孔不貼靠鋼筋的試件SWA/30L-1N和SWA/30S-1N為中心預(yù)留圓孔不貼靠鋼筋布置的連接構(gòu)造，見圖6。

圖8 加載裝置

圖9 鋼筋應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

實(shí)測(cè)C30混凝土立方體抗壓強(qiáng)度均值為41.03MPa，彈性模量為3.23×104MPa；實(shí)測(cè)C50混凝土立方體抗壓強(qiáng)度均值為58.51MPa，彈性模量為3.38×104MPa。各試件均采用HRB400級(jí)受力鋼筋，鋼板采用Q345級(jí)，制作預(yù)埋錨筋的光圓鋼筋采用HPB300級(jí)，實(shí)測(cè)鋼筋力學(xué)性能見表2。

2.2 試驗(yàn)方案與測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)采用加載端頭將豎向作動(dòng)器與連接構(gòu)造相連，對(duì)試件施加向上的單調(diào)荷載，墻體角部采用高強(qiáng)螺栓固定于轉(zhuǎn)換地梁，在墻體角部螺栓處布置鋼板，以防止試件局部受壓破壞。試驗(yàn)采用荷載-位移聯(lián)合控制加載，試件開裂前采用荷載控制加載，開裂后采用位移控制加載，以開裂時(shí)的位移為位移增量進(jìn)行加載，直至試件明顯破壞或荷載下降至峰值荷載的85%，停止加載。試驗(yàn)加載裝置和加載現(xiàn)場(chǎng)照片見圖8。

實(shí)測(cè)鋼筋力學(xué)性能 表2

在墻體跨中布置位移計(jì)監(jiān)測(cè)加載點(diǎn)位移，在四角沿墻邊方向240mm對(duì)角線處各布置一個(gè)位移計(jì)，用來監(jiān)測(cè)角部位移，位移測(cè)點(diǎn)布置見圖8(a)；在墻體受拉區(qū)和受壓區(qū)鋼筋上布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，圖9為鋼筋應(yīng)變測(cè)點(diǎn)編號(hào)，測(cè)點(diǎn)H1～H4測(cè)量水平鋼筋應(yīng)變，測(cè)點(diǎn)Z1～Z4測(cè)量豎向鋼筋應(yīng)變，其中測(cè)點(diǎn)H1～H3，Z1～Z3為受拉區(qū)鋼筋應(yīng)變測(cè)點(diǎn)；測(cè)點(diǎn)H4，Z4為受壓區(qū)鋼筋應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。預(yù)留圓孔試件在中心兩對(duì)角螺桿的一半墻厚處布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)螺桿應(yīng)變，預(yù)埋錨筋連接試件在預(yù)埋錨筋一半墻厚處布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)錨筋應(yīng)變。荷載、位移以及應(yīng)變通過太平洋數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集，人工觀測(cè)試件損傷演化過程，并繪制墻體裂縫。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 破壞特征

連接構(gòu)造中螺桿和錨筋受拉力作用，剪力墻受彎矩和剪力共同作用。預(yù)留圓孔試件首先在墻體上部沿中心圓孔邊鋼筋出現(xiàn)第一條(或第一批)彎曲裂縫；隨著荷載的增大，裂縫逐漸變寬、增多，整體大致形成“井”字形裂縫；隨著加載的進(jìn)行，下部中心鋼板邊部混凝土局部壓碎，墻體上下側(cè)角部均出現(xiàn)斜裂縫；荷載繼續(xù)增大，部分試件下部墻面混凝土開始?jí)核椋囼?yàn)過程中出現(xiàn)鋼筋斷裂聲音，由于墻體在中心鋼板方形區(qū)域受剪，部分試件下部中心鋼板開始陷入混凝土中，周圍伴有剪切裂縫出現(xiàn)。

預(yù)留圓孔試件最終破壞形態(tài)主要有四種：1)下部混凝土壓碎剝落，部分鋼筋被拉斷，下部鋼板部分或完全陷入混凝土中，沿鋼板區(qū)域形成閉合方形裂縫，中心鋼板區(qū)墻體出現(xiàn)向上拔出現(xiàn)象；2)下部混凝土壓碎剝落，部分鋼筋被拉斷；3)下部混凝土壓碎剝落，下部鋼板部分或完全陷入混凝土中，沿鋼板區(qū)域形成閉合方形裂縫，中心鋼板區(qū)墻體出現(xiàn)向上拔出現(xiàn)象；4)下部鋼板部分或完全陷入混凝土中，沿鋼板區(qū)域形成閉合方形裂縫，中心鋼板區(qū)墻體出現(xiàn)向上拔出現(xiàn)象。此時(shí)螺桿及鋼板均未發(fā)生明顯損傷。

預(yù)埋錨筋連接試件加載初期墻體上部出現(xiàn)裂縫的過程與上述試件基本一致，大致形成“井”字形彎曲裂縫。隨著加載進(jìn)行，下部錨筋位置處墻體漆皮起皺，墻體上部“井”字形裂縫之間出現(xiàn)水平連通裂縫，上側(cè)角部出現(xiàn)斜裂縫；荷載繼續(xù)增大，墻體上部水平裂縫與角部斜裂縫連通大致形成沖切面，錨筋上部混凝土與下部混凝土脫離；最終錨筋上部混凝土隨錨筋被持續(xù)向上拔出，試件喪失承載力，預(yù)埋錨筋未發(fā)生明顯損傷。

各試件試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可知，墻厚較小的試件下部中心鋼板部分或完全陷入混凝土，隨著墻體厚度增加，下部鋼板并未陷入混凝土中，原因是墻體在中心鋼板方形區(qū)域受剪，墻厚增加使其受剪面的面積增大，墻體抗剪剛度增大，說明墻厚較大時(shí)，墻體在彎剪共同作用下受彎所占的比重有所提高。附加鋼筋網(wǎng)片試件破壞時(shí)下部中心鋼板未陷入混凝土，是由于鋼筋網(wǎng)片提高了墻體受剪面的抗剪剛度，說明在剪切面處布置鋼筋網(wǎng)片可提高墻體的抗剪能力。實(shí)際工程中墻厚較小時(shí)，可在剪力墻受剪面處布置面積大于條形鋼板方形區(qū)域的鋼筋網(wǎng)片以避免混凝土剪切開裂。預(yù)留圓孔試件的四種破壞形態(tài)和預(yù)埋錨筋連接試件的破壞形態(tài)見圖10。

主要試驗(yàn)結(jié)果 表3

3.2 荷載-位移曲線

實(shí)測(cè)所得各試件的荷載F-跨中位移Δ曲線見圖11。由圖11可以看出：加載初期，各試件曲線呈線性，處于彈性工作狀態(tài)；達(dá)到開裂荷載后，由于開裂造成截面有效慣性矩減小，各試件剛度有所下降。加載過程中由于裂縫的不斷發(fā)展，試件剛度不斷減?。浑S著荷載增大，各試件曲線發(fā)展趨勢(shì)基本相同；達(dá)到峰值荷載后，由于墻體受彎剪共同作用，部分試件破壞時(shí)鋼筋斷裂或下部鋼板快速陷入混凝土，荷載驟降，位移突然增大，呈一定脆性，部分試件荷載下降比較平穩(wěn)，呈延性破壞。圖11中部分試件曲線在下降段后出現(xiàn)上升段，是由于試件在局部損傷后發(fā)生應(yīng)力重分布。圖11(c)中預(yù)埋錨筋連接試件下降段曲線后期位移減小，是因?yàn)樵诤笃谖灰戚^大時(shí)預(yù)埋錨筋與下部布置位移計(jì)的墻體逐漸脫離，導(dǎo)致下部墻體豎向位移減小。

各試件初始剛度K0見表3。由圖11和表3可知，提高混凝土強(qiáng)度，增加墻體厚度、墻體配筋，減小墻體支點(diǎn)距離均可提高試件承載力和剛度；預(yù)留圓孔貼靠正交分布鋼筋試件與預(yù)埋錨筋連接試件相比，初始剛度較大，承載力和變形能力明顯提高，是由于預(yù)埋錨筋連接試件在錨筋處四點(diǎn)剪切混凝土，對(duì)試件損傷較大，預(yù)留圓孔貼靠正交分布鋼筋試件在中心鋼板方形區(qū)域剪切，提高墻體抗剪能力，使得墻體抗彎能力發(fā)揮更加充分；附加鋼筋網(wǎng)片試件承載力與相應(yīng)無網(wǎng)片的預(yù)留圓孔貼靠正交分布鋼筋試件基本接近；與預(yù)留圓孔不貼靠鋼筋試件相比，預(yù)留圓孔貼靠正交分布鋼筋試件承載力較大，變形能力較好，原因是在墻體剪切效應(yīng)下，中心鋼板區(qū)域內(nèi)下部鋼筋承受銷栓作用，圓孔貼靠正交分布鋼筋試件承受銷栓作用的鋼筋數(shù)量較多，對(duì)承載力有一定貢獻(xiàn)。

圖10 試件破壞形態(tài)

圖11 荷載F-跨中位移Δ曲線

圖12 不同參數(shù)對(duì)試件承載力的影響

3.3 承載力

實(shí)測(cè)所得各試件承載力特征值見表3。不同參數(shù)對(duì)試件承載力的影響見圖12。根據(jù)表3和圖12，試驗(yàn)參數(shù)分析如下：

(1)墻體厚度的影響。墻厚較大試件承載力比墻厚較小試件提高22.52%～104.80%，說明增加墻體厚度對(duì)提高承載力效果顯著，原因是增加墻厚使截面抵抗矩增大，提高了墻體的抗彎承載力，同時(shí)截面有效高度增大可提高墻體的抗剪承載力。

(2)混凝土強(qiáng)度的影響?；炷翉?qiáng)度高的試件承載力較強(qiáng)度低的試件提高2.81%～13.10%，墻體配筋率較大時(shí)，混凝土強(qiáng)度增加對(duì)承載力貢獻(xiàn)略有提高。

(3)墻體支點(diǎn)距離的影響。相同條件下，隨著墻體支點(diǎn)距離減小，試件承載力提高48.81%～104.12%，所以減小墻體支點(diǎn)距離對(duì)提高承載力效果顯著。實(shí)際工程中在施工方便的前提下，剪力墻預(yù)留圓孔的位置應(yīng)盡量靠近樓板或另一方向的剪力墻，以減小墻體支點(diǎn)距離從而提高承載力。

(4)墻體配筋的影響。試件承載力隨墻體配筋的增加而提高，提高幅度為14.92%～34.64%，原因是配筋的增加提高了墻體抗彎承載力，同時(shí)下部中心鋼板區(qū)域內(nèi)鋼筋銷栓作用增強(qiáng)，提高了墻體的抗剪承載力?；炷翉?qiáng)度較高時(shí)，增加墻體配筋對(duì)承載力貢獻(xiàn)較大，這是由于抗壓強(qiáng)度較高的混凝土，與直徑較粗的鋼筋共同承受彎矩作用，混凝土和鋼筋強(qiáng)度都得到較充分利用，抗彎承載力提高。實(shí)際工程中連接構(gòu)造處墻體可局部增加配筋以提高承載力。

(5)墻體構(gòu)造的影響。試件SWA/30S-1與試件SWA/30S-1A相比，承載力提高72.67%，試件SWC/30S-1與試件SWC/30S-1A相比，承載力提高了31.15%，這是由于預(yù)留圓孔貼靠正交分布鋼筋試件較預(yù)埋錨筋連接試件提高了墻體的抗剪能力，可使墻體抗彎能力發(fā)揮更加充分，從而提高試件承載力，同時(shí)預(yù)留圓孔貼靠正交分布鋼筋連接構(gòu)造工作性能可靠，便于拆裝，螺桿和鋼板可重復(fù)利用，實(shí)際工程中建議采用此種連接構(gòu)造。附加鋼筋網(wǎng)片對(duì)試件的開裂荷載和承載力影響不大。試件SWA/30L-1承載力較試件SWA/30L-1N提高了3.16%，試件SWA/30S-1承載力較試件SWA/30S-1N提高了16.34%，說明預(yù)留圓孔貼靠正交分布鋼筋布置可以提高試件的承載力，這是因?yàn)橄虏恐行匿摪鍏^(qū)域鋼筋數(shù)量較多，銷栓作用增強(qiáng)，提高了墻體的抗剪承載力。

3.4 荷載-應(yīng)變曲線

各試件底層中部鋼筋跨中應(yīng)變測(cè)點(diǎn)規(guī)律基本相同，選取部分試件測(cè)點(diǎn)Z4的荷載F-應(yīng)變?chǔ)徘€，見圖13。根據(jù)圖13可以得出，加載初期，墻體主要受彎矩作用，鋼筋壓應(yīng)變?cè)鲩L緩慢，之后由于中心鋼板區(qū)域內(nèi)墻體的剪切效應(yīng)，鋼板區(qū)域底層鋼筋承受銷栓作用，鋼筋壓應(yīng)變出現(xiàn)回縮，鋼板區(qū)域底層鋼筋逐漸從受壓轉(zhuǎn)為受拉，隨著加載進(jìn)行，鋼筋拉應(yīng)變持續(xù)增大。隨著墻體支點(diǎn)距離的減小，鋼筋的最大彈塑性應(yīng)變顯著增加，說明墻體支點(diǎn)距離較小時(shí)，墻體在抗拉拔過程中剪切效應(yīng)有所增加。隨著墻體厚度增加，鋼筋壓應(yīng)變回縮點(diǎn)出現(xiàn)較晚，是由于增加墻厚使墻體的抗剪剛度提高。

圖13 測(cè)點(diǎn)Z4荷載F-應(yīng)變?chǔ)徘€

4 結(jié)論

(1)螺桿、錨筋及鋼板均未發(fā)生明顯損傷，試件的破壞形式為墻體彎剪破壞，剪切效應(yīng)使中心鋼板區(qū)底部鋼筋壓應(yīng)變出現(xiàn)回縮，從受壓轉(zhuǎn)為受拉，底部鋼筋出現(xiàn)銷栓作用。

(2)提高混凝土強(qiáng)度，增加墻體厚度、墻體配筋，減小墻體支點(diǎn)距離均可提高試件的承載力和剛度，就文中數(shù)據(jù)而言，承載力提高比例分別為2.81%～13.10%，22.52%～104.80%，14.92%～34.64%，48.81%～104.12%。

(3)預(yù)留圓孔貼靠正交分布鋼筋試件較預(yù)埋錨筋連接試件變形能力明顯提高，承載力提高31.15%～72.67%；附加鋼筋網(wǎng)片對(duì)試件的承載力影響不明顯，但可提高墻體剪切面的抗剪剛度，避免混凝土剪切開裂；預(yù)留圓孔貼靠正交分布鋼筋試件承受銷栓作用的鋼筋數(shù)量較多，其受力性能明顯好于預(yù)留圓孔不貼靠鋼筋試件。

(4)提出的造樓機(jī)附墻裝置與剪力墻的預(yù)留圓孔貼靠正交分布鋼筋連接構(gòu)造工作性能可靠，便于拆裝，且螺桿和鋼板可重復(fù)利用，實(shí)際工程中建議采用此種連接構(gòu)造。墻厚較小時(shí)為避免條型鋼板處混凝土剪切開裂，可在剪力墻條型鋼板受剪面處布置面積大于條形鋼板方形區(qū)域的鋼筋網(wǎng)片。連接構(gòu)造處墻體可局部增加配筋以提高其承載力和剛度。剪力墻預(yù)留圓孔的位置在施工方便的前提下，應(yīng)盡量靠近樓板或另一方向的剪力墻，以減小墻體支點(diǎn)距離從而提高承載力。