裝配式鋼圍檁抗彎性能試驗(yàn)研究

李夢飛， 繆 言， 朱 華， 蔡 敏， 李慶中， 周 安

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.安徽寰宇建筑設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230009；3.安徽省城建設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230009；4.馬鞍山瑞馬鋼構(gòu)材料有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

0 引 言

對于基坑施工，傳統(tǒng)鋼支撐剛度小，連接節(jié)點(diǎn)多為拼接焊接的方式，導(dǎo)致支撐整體性差，節(jié)點(diǎn)受力狀態(tài)復(fù)雜，安全性降低，對基坑的變形極為不利[1]。裝配式H型鋼支撐支護(hù)是更加綠色經(jīng)濟(jì)的基坑支護(hù)形式，由鋼支撐、組合圍檁、鋼板樁、連桿、立柱、托梁、托座、三角傳力構(gòu)件、蓋板、預(yù)應(yīng)力伺服系統(tǒng)等組成[2]。其通過螺栓連接，現(xiàn)場拼裝，安拆方便，工效快，且構(gòu)件生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化，全部構(gòu)件都由工廠生產(chǎn)，并可重復(fù)利用，質(zhì)量可靠，因而具有綠色環(huán)保低耗能的優(yōu)勢。

鋼支撐和鋼圍檁采用相同的節(jié)點(diǎn)連接方式，但是鋼支撐受力特點(diǎn)以軸壓為主，鋼圍檁受力特點(diǎn)以抗彎為主[3]，相同的節(jié)點(diǎn)形式對于受力特點(diǎn)的影響可能不同。國內(nèi)外學(xué)者以半剛性節(jié)點(diǎn)為對象進(jìn)行了模擬分析[4-5]，本文將對裝配式鋼圍檁的半剛性節(jié)點(diǎn)抗彎性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，以求對于今后的研究提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

試件由2根3 m長尺寸為400 mm×400 mm×13 mm×21 mm的H型鋼、2塊16 mm×395 mm×850 mm的蓋板通過8.8級承壓型高強(qiáng)螺栓連接而成[6]，8.8級承壓型高強(qiáng)螺栓抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為400 MPa，抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為250 MPa。鋼材等級為Q345級，鋼材相關(guān)參數(shù)[7]見表1，試件節(jié)點(diǎn)構(gòu)造以及應(yīng)變測點(diǎn)布置如圖1所示。

表1 鋼材力學(xué)性能參數(shù)表

圖1 試件節(jié)點(diǎn)構(gòu)造以及應(yīng)變測點(diǎn)布置

1.2 試件加載

本次試驗(yàn)在合肥工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室進(jìn)行，加載裝置如圖2所示。加載裝置由2個門式反力架提供荷載支承，采用2臺由三通連接的1 500 kN液壓千斤頂結(jié)合1臺手動油泵同步加載，兩端支座處采用空心鋼墩作為支座，試驗(yàn)加載分2個階段：前期采用力控制加載分級，單邊荷載值增加約25 kN為一級；后期采用位移控制加載分級，以跨中測點(diǎn)位移增加約3 mm為一級。

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

試件加載初期，鋼圍檁表面各測點(diǎn)的應(yīng)變均勻緩慢增長，純彎段各位移測點(diǎn)的位移增幅也很小，對接處張開縫寬度緩慢增長，螺栓變形不明顯。當(dāng)荷載逐級增加到某一值時，純彎段各位移測點(diǎn)撓度明顯增大，H型鋼對接處上下蓋板應(yīng)變數(shù)值增長加快。加載至跨中撓度達(dá)到1/100，但曲線仍處于上升段，故加載至千斤頂量程達(dá)到最大，跨中撓度達(dá)到16.9 cm左右，停止加載并緩慢卸載，卸載完成后，試件仍有很大殘余變形，蓋板出現(xiàn)彎曲變形，跨中殘余撓度約為跨度的1/50，占峰值撓度的76%，對接處端板變形，最下端張開縫寬度較大，受剪螺栓發(fā)生彎曲變形。

2.2 彎矩-跨中撓度關(guān)系曲線

試件的彎矩-跨中撓度曲線如圖3所示。

圖3 彎矩-跨中撓度關(guān)系曲線

可將裝配式鋼圍檁的彎矩-跨中撓度曲線分為三個階段：

(1) 彈性階段：純彎段彎矩0～800 kN·m，跨中撓度0～60 mm階段。

(2) 彈塑性階段：純彎段彎矩800～1 100 kN·m，跨中撓度60～100 mm階段。

(3) 塑性階段：純彎段彎矩達(dá)到1 100 kN·m至試驗(yàn)結(jié)束，跨中撓度100～170 mm階段。

2.3 彎矩-蓋板應(yīng)變關(guān)系曲線

試件的彎矩-蓋板應(yīng)變曲線如圖4、圖5所示。上蓋板的縱向測點(diǎn)的應(yīng)變值遠(yuǎn)小于下蓋板的縱向測點(diǎn)應(yīng)變值。受壓區(qū)范圍內(nèi)2根H型鋼在對接處相互擠壓，與上蓋板共同承受壓應(yīng)力；下蓋板測點(diǎn)縱向應(yīng)變呈現(xiàn)兩側(cè)應(yīng)變明顯小于腹板下方測點(diǎn)應(yīng)變，且在彎矩較大的情況下，出現(xiàn)縱向拉應(yīng)變減小的現(xiàn)象。推測認(rèn)為，造成這種現(xiàn)象的原因可能有以下幾點(diǎn)：

圖4 對接處彎矩-蓋板應(yīng)變曲線

圖5 非對接處彎矩-蓋板應(yīng)變曲線

(1) 可能由于群栓效應(yīng)導(dǎo)致，在螺栓翹曲力作用下，螺栓所內(nèi)蓋板的應(yīng)變變小。

(2) 可能由于翼緣翹曲現(xiàn)象導(dǎo)致，腹板受集中力向下位移導(dǎo)致翼緣沿橫向發(fā)生彎曲變形，橫向受拉縱向受壓變形，導(dǎo)致兩側(cè)拉應(yīng)力較中間拉應(yīng)力小。

3 抗彎承載能力分析

本文采用修正割線法[8]以獲得曲線屈服點(diǎn)，如圖6所示，屈服點(diǎn)參數(shù)見表2。裝配式鋼圍檁屈服彎矩平均值為1 031.6 kN·m，對應(yīng)屈服撓度值的平均值為87.6 mm，約在跨中撓度達(dá)到l/70時達(dá)到彈性承載力極限狀態(tài)，可以看出此種節(jié)點(diǎn)連接方式對于抗彎構(gòu)件來說，達(dá)到屈服強(qiáng)度時構(gòu)件的撓度較大，和整根鋼梁[9]相比延性較差，節(jié)點(diǎn)處強(qiáng)度無法做到和H型鋼等強(qiáng)，故在此節(jié)點(diǎn)連接方式基礎(chǔ)上通過理論計(jì)算設(shè)計(jì)等強(qiáng)節(jié)點(diǎn)。

圖6 修正割線法曲線

表2 抗彎承載能力特征值

4 節(jié)點(diǎn)等強(qiáng)設(shè)計(jì)

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)[10]中的表3.5.1可得截面等級為S2截面，根據(jù)GB 50017—2017中的6.1.2可知γx=1.05，查閱手冊[11]得WX=3 330 cm3，通過以下公式計(jì)算：

Mx=fyφbWx=Afyh

(1)

(2)

由公式(1)可得蓋板厚度為25.8 mm，取26 mm；由公式(2)可得所需螺栓個數(shù)為21.2顆，為加工方便且螺栓抗剪強(qiáng)度安全儲備較大，取20顆。等強(qiáng)設(shè)計(jì)下的蓋板尺寸以及螺栓布置如圖7所示，相關(guān)參數(shù)見表3。

圖7 蓋板尺寸以及螺栓布置

表3 蓋板以及螺栓相關(guān)參數(shù)

5 結(jié) 論

(1) 裝配式鋼圍檁的彎矩-跨中撓度曲線分為三個階段：①彈性階段：純彎段彎矩0～800 kN·m，跨中撓度0～60 mm階段；②彈塑性階段：純彎段彎矩800～1 100 kN·m，跨中撓度60～100 mm階段；③塑性階段：純彎段彎矩達(dá)到1 100 kN·m至試驗(yàn)結(jié)束，跨中撓度100～170 mm階段。

(2) 受壓區(qū)范圍內(nèi)左右2根H型鋼在對接處相互擠壓，與上蓋板共同承受壓應(yīng)力。下蓋板測點(diǎn)縱向應(yīng)變呈現(xiàn)兩側(cè)應(yīng)變明顯小于腹板下方測點(diǎn)應(yīng)變，可能由于群栓效應(yīng)和翼緣翹曲所致。

(3) 通過修正割線法得到裝配式鋼圍檁的屈服點(diǎn)，并以屈服彎矩作為研究抗彎性能的特征值，此種蓋板螺栓連接節(jié)點(diǎn)下的裝配式鋼圍檁屈服彎矩平均值為1 031.6 kN·m，對應(yīng)屈服撓度值的平均值為87.6 mm，約在跨中撓度達(dá)到l/70時達(dá)到彈性承載力極限狀態(tài)。通過理論計(jì)算，可將蓋板尺寸增加至26 mm×395 mm×1 150 mm，使用10.9級承壓型高強(qiáng)螺栓，并增加螺栓數(shù)目，以此方式達(dá)到等強(qiáng)。