整體鋼平臺模架豎向支撐裝置擱置部位混凝土結(jié)構(gòu)局部承壓受力性能研究

王慶春 王小安

1. 上海建工集團股份有限公司 上海 200080；

2. 上海高大結(jié)構(gòu)建造工藝與裝備工程技術(shù)研究中心 上海 201114

整體爬升鋼平臺模架是當前我國超高層建筑施工的主要施工裝備之一，為提高施工效率，其附墻支撐裝置一般為采用伸縮式承重銷的豎向支撐裝置[1]。承重銷擱置支撐于混凝土預留洞口內(nèi)，將整體鋼平臺模架的豎向荷載傳遞給混凝土結(jié)構(gòu)，因此，承重銷接觸部位混凝土的局部承壓能力直接決定了豎向支撐裝置的豎向承載能力。由于受到加工組裝誤差以及與豎向支撐裝置連接的鋼梁受力變形等多重因素的影響，承重銷受力后底面與混凝土接觸面會形成一定的傾角，將影響混凝土墻體的局部承壓能力。本文對豎向支撐裝置承重銷與混凝土墻體之間傾斜接觸狀態(tài)下的局部承壓性能進行深入分析，研究增設間接鋼筋及預埋鋼板等方式對混凝土局部承壓能力的影響，從而提出改善混凝土墻體局部承壓承載力的有效措施[2-3]。

1 理論分析

承重銷擱置部位處混凝土結(jié)構(gòu)的局部承壓面積由承重銷的寬度及擱置于混凝土墻體的長度決定。在混凝土抗壓強度已知的情況下，局部承壓面積決定了此處混凝土局部承壓承載力大小。局部承壓面積越大，則對局部承壓越有利，但同時也意味著需要增大預留洞口的尺寸，導致混凝土墻體豎向鋼筋截斷根數(shù)增多，不利于混凝土結(jié)構(gòu)受力。

豎向支撐裝置承重銷擱置支撐處的混凝土結(jié)構(gòu)受力通常可按照GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》給出的局部承壓公式計算[4]，式（1）～（3）分別為素混凝土局部承壓承載力、配置間接鋼筋的混凝土局部承載承壓面積驗算及配置間接鋼筋的混凝土局部承壓承載力計算公式。

F ι≤ω βlfccAl（1）

由于承重銷存在一定的傾角，實際情況承重銷與混凝土接觸壓力并非為理想的均勻分布，靠近洞口外側(cè)的接觸壓力明顯較內(nèi)側(cè)大，如圖1所示。

圖1 承重銷與混凝土墻體傾斜接觸

對傾角進行分組，從①號到⑥號傾角逐漸增大，如圖2所示。不同傾角的承重銷接觸混凝土表面時，混凝土的應變沿著局部承壓長度方向而變化，如圖3所示。雖然混凝土的應變沿承壓長度方向呈線性變化，但混凝土本構(gòu)模型為非線性，導致接觸面的混凝土應力分布隨著傾角的增大發(fā)生非線性改變。當沒有傾角時，承重銷與混凝土直接面-面接觸，混凝土應力在承壓長度方向成均勻分布。當傾角逐漸增大時，先接觸的部位應力增大，達到峰值應力后，應力降低。后接觸的部位應力逐漸增大，當達到最大應力后降低。后接觸部位應力達到最大值時，混凝土墻體已無法承受更大荷載。此時的傾角為混凝土墻體在此荷載作用下的允許最大傾角。若傾角繼續(xù)增大，則在該荷載作用下混凝土墻體將無法承載，如傾角⑤、傾角⑥。

圖2 不同傾角混凝土應變示意

圖3 不同傾角混凝土應力示意

考慮到接觸壓力不均的影響，GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》對混凝土墻體局部承壓承載力進行折減或增加側(cè)向預埋鋼板以抵消傾角的影響。增加側(cè)向鋼板的措施是將側(cè)向鋼板與錨固鋼筋焊接并預埋于混凝土墻體內(nèi)，讓承重銷首先與側(cè)向鋼板接觸。

取側(cè)向鋼板作為隔離體分析其受力情況。側(cè)向預埋鋼板頂部受到承重銷的壓力F1，側(cè)邊受到預埋鋼筋豎向的支撐力F2，底部混凝土對其有施加支撐作用力F3，3種力處于平衡狀態(tài)，如圖4所示。底部混凝土的支撐力的最大值為接觸的素混凝土局部承壓承載力，由式（1）決定。側(cè)向鋼板頂端受到的壓力最大值為頂端屈服時的壓力值，由承壓面積和鋼板屈服強度決定。側(cè)向鋼板側(cè)向錨固鋼筋提供的支撐力需大于頂端屈服時的壓力與底部最大混凝土支撐力的差值即可。從以上分析可知，在側(cè)向預埋鋼板錨固鋼筋足夠的情況下，側(cè)向鋼板的厚度決定鋼板頂端屈服時的荷載值，是影響混凝土墻體局部承壓能力的重要參數(shù)。

圖4 側(cè)向預埋鋼板受力示意

2 數(shù)值分析

2.1 模型建立

選取長5 000 mm、高5 000 mm、厚250 mm的混凝土墻體建立有限元分析模型，在其頂端居中放置承重銷。承重銷寬度為135 mm，擱置于混凝土墻體內(nèi)的長度為200 mm。混凝土材料本構(gòu)采用塑性損傷模型，強度等級選為C35。模型及邊界條件如圖5（a）所示，約束混凝土墻體的側(cè)向位移，釋放其豎向位移，約束承重銷與前端板接觸位置豎向位移及其尾端的豎向位移，在混凝土墻體下方施加向上荷載，在承重銷與混凝土之間設置接觸單元[5-8]。

間接鋼筋網(wǎng)片采用φ8 mm鋼筋，共設置4層，間距為50 mm，網(wǎng)片橫向5排、縱向6排鋼筋，具體尺寸為160 mm×300 mm，如圖5（b）所示。

為研究側(cè)向預埋鋼板的參數(shù)對承載力的影響，分別變換側(cè)墊板高度和厚度參數(shù)，建立相應模型，如圖5（c）所示。側(cè)向預埋鋼板高度參數(shù)設置3種，分別為135、202、270 mm，分別為側(cè)墊板寬度的1倍、1.5倍、2倍，如圖6所示。側(cè)向預埋鋼板厚度設置3種，分別為5、10、15 mm。

圖5 混凝土墻體局部承壓計算模型

圖6 荷載-變形曲線

考慮承重銷傾斜角度，增加間接鋼筋網(wǎng)片以及增加側(cè)向預埋鋼板3種因素分別建立模型進行計算分析，并將各模型進行編號，編號形式為C-X1-X2-X3：X1值代表有無配置間接鋼筋，0為沒有配置間接鋼筋，1為配置間接鋼筋；X2值代表側(cè)向鋼板型號，0為未配置側(cè)向鋼板，1為配置厚5 mm、寬135 mm側(cè)向鋼板，2為配置厚10 mm、寬135 mm側(cè)向鋼板，3為配置厚15 mm、寬135 mm側(cè)向鋼板，4為配置厚10 mm、寬202 mm側(cè)向鋼板，5為配置厚10 mm、寬270 mm側(cè)向鋼板；X3值代表傾斜角度，0為未傾斜，1為傾斜0.062 5°，2為傾斜0.125°，3為傾斜0.25°，4為傾斜0.5°，5為傾斜0.75°，6為傾斜1°。

2.2 計算結(jié)果

素混凝土墻體的荷載-變形曲線見圖6（a）。素混凝土墻體的局部承壓能力較弱，且對于承重銷的傾斜接觸較為敏感，當承重銷傾角逐漸增大時，混凝土墻體的局部承壓承載力迅速降低。隨著承重銷傾斜角度增大，荷載-變形曲線在初始位置出現(xiàn)水平段，說明此時靠近邊沿處混凝土已經(jīng)被壓壞，剛度急劇下降。實際施工時承重銷的傾斜難以避免，且混凝土強度提高對于墻體局部承壓能力提高較弱，故對于大荷載，素混凝土墻體局部承壓能力無法滿足要求，需在墻體內(nèi)增加間接鋼筋。

僅配置間接鋼筋網(wǎng)的墻體受壓荷載-變形曲線見圖6（b）。相比于素混凝土墻體，配置間接鋼筋的墻體局部承壓能力得到大幅提高。但隨著承重銷傾斜角度的增加，荷載-位移曲線同樣在較小荷載作用下就出現(xiàn)水平段，邊緣部位的混凝土先發(fā)生壓壞現(xiàn)象。這說明，配置間接鋼筋網(wǎng)僅對小傾角狀態(tài)下的局部受壓性能有提高效果。

僅配置預埋側(cè)向鋼板的墻體受壓荷載-位移曲線見圖7（a）、圖7（c）、圖7（e），可以看出，相比于素混凝土墻體，配置預埋鋼板的混凝土墻體在承重銷傾斜接觸狀態(tài)下的局壓承載力得到明顯提升。側(cè)向鋼板的厚度從5 mm到15 mm，隨著傾斜角度的增加，厚5 mm側(cè)向鋼板模型的剛度急劇退化時荷載值約為400 kN，而厚10 mm側(cè)向鋼板模型的剛度急劇退化時荷載值約為500 kN，厚15 mm側(cè)向鋼板剛度急劇退化時荷載值約為600 kN。剛度退化之后鋼板與混凝土共同受力，承載力可繼續(xù)增加。因此，在混凝土墻體率先與承重銷接觸的邊緣部位配置側(cè)向鋼板，能夠有效解決承重銷傾斜接觸承壓的問題。

圖7 預埋側(cè)向鋼板后荷載-變形曲線

同時預埋側(cè)向鋼板和間接鋼筋網(wǎng)片后，墻體受壓的荷載-位移曲線如圖7（b）、圖7（d）、圖7（f）所示。承載力相對于只預埋側(cè)向鋼板、只配置間接鋼筋均有明顯提高。此外，為分析預埋側(cè)向鋼板高度對局壓承載力的影響，將鋼板厚度設定為10 mm，變化取高度分別為135、202、270 mm進行分析。計算得到鋼板高度為202、270 mm的荷載-變形曲線見圖8（a）、圖8（b），可以看出，鋼板高度的變化對墻體的局部承壓承載力影響不明顯。

圖8 不同側(cè)向鋼板高度條件下荷載-變形曲線

3 結(jié)語

1）素混凝土墻體的局部承壓能力較差，且與承重銷輕微傾斜接觸則承載力急劇降低，實際工程中應避免采用素混凝土墻體作為直接擱置支撐結(jié)構(gòu)。

2）混凝土墻體內(nèi)配置間接鋼筋能夠顯著改善混凝土墻體的局部承載力，且對于混凝土墻體與承重銷傾斜接觸時，混凝土墻體的局部承壓能力增強明顯。

3）混凝土墻體內(nèi)配置側(cè)向鋼板能顯著改善混凝土墻體與承重銷傾斜接觸時的局部承壓能力，實際工程中可在混凝土墻體內(nèi)增加側(cè)向預埋鋼板應對承重銷傾斜接觸問題。