裝配式鋼圍檁抗彎性能試驗研究

李夢飛， 繆 言， 朱 華， 蔡 敏， 李慶中， 周 安

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；2.安徽寰宇建筑設計院，安徽 合肥 230009；3.安徽省城建設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230009；4.馬鞍山瑞馬鋼構材料有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

0 引 言

對于基坑施工，傳統鋼支撐剛度小，連接節點多為拼接焊接的方式，導致支撐整體性差，節點受力狀態復雜，安全性降低，對基坑的變形極為不利[1]。裝配式H型鋼支撐支護是更加綠色經濟的基坑支護形式，由鋼支撐、組合圍檁、鋼板樁、連桿、立柱、托梁、托座、三角傳力構件、蓋板、預應力伺服系統等組成[2]。其通過螺栓連接，現場拼裝，安拆方便，工效快，且構件生產標準化，全部構件都由工廠生產，并可重復利用，質量可靠，因而具有綠色環保低耗能的優勢。

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

1 試驗概況

1.1 試件設計

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級承壓型高強螺栓連接而成[6]，8.8級承壓型高強螺栓抗拉強度設計值為400 MPa，抗剪強度設計值為250 MPa。鋼材等級為Q345級，鋼材相關參數[7]見表1，試件節點構造以及應變測點布置如圖1所示。

表1 鋼材力學性能參數表

圖1 試件節點構造以及應變測點布置

1.2 試件加載

本次試驗在合肥工業大學結構試驗室進行，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，以跨中測點位移增加約3 mm為一級。

圖2 試驗裝置示意圖

2 試驗結果與分析

2.1 試驗現象

試件加載初期，鋼圍檁表面各測點的應變均勻緩慢增長，純彎段各位移測點的位移增幅也很小，對接處張開縫寬度緩慢增長，螺栓變形不明顯。當荷載逐級增加到某一值時，純彎段各位移測點撓度明顯增大，H型鋼對接處上下蓋板應變數值增長加快。加載至跨中撓度達到1/100，但曲線仍處于上升段，故加載至千斤頂量程達到最大，跨中撓度達到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，受剪螺栓發生彎曲變形。

2.2 彎矩-跨中撓度關系曲線

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：純彎段彎矩達到1 100 kN·m至試驗結束，跨中撓度100～170 mm階段。

2.3 彎矩-蓋板應變關系曲線

試件的彎矩-蓋板應變曲線如圖4、圖5所示。上蓋板的縱向測點的應變值遠小于下蓋板的縱向測點應變值。受壓區范圍內2根H型鋼在對接處相互擠壓，與上蓋板共同承受壓應力；下蓋板測點縱向應變呈現兩側應變明顯小于腹板下方測點應變，且在彎矩較大的情況下，出現縱向拉應變減小的現象。推測認為，造成這種現象的原因可能有以下幾點：

圖4 對接處彎矩-蓋板應變曲線

圖5 非對接處彎矩-蓋板應變曲線

(1) 可能由于群栓效應導致，在螺栓翹曲力作用下，螺栓所內蓋板的應變變小。

(2) 可能由于翼緣翹曲現象導致，腹板受集中力向下位移導致翼緣沿橫向發生彎曲變形，橫向受拉縱向受壓變形，導致兩側拉應力較中間拉應力小。

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，如圖6所示，屈服點參數見表2。裝配式鋼圍檁屈服彎矩平均值為1 031.6 kN·m，對應屈服撓度值的平均值為87.6 mm，約在跨中撓度達到l/70時達到彈性承載力極限狀態，可以看出此種節點連接方式對于抗彎構件來說，達到屈服強度時構件的撓度較大，和整根鋼梁[9]相比延性較差，節點處強度無法做到和H型鋼等強，故在此節點連接方式基礎上通過理論計算設計等強節點。

圖6 修正割線法曲線

表2 抗彎承載能力特征值

4 節點等強設計

根據《鋼結構設計標準》(GB 50017—2017)[10]中的表3.5.1可得截面等級為S2截面，根據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)可得所需螺栓個數為21.2顆，為加工方便且螺栓抗剪強度安全儲備較大，取20顆。等強設計下的蓋板尺寸以及螺栓布置如圖7所示，相關參數見表3。

圖7 蓋板尺寸以及螺栓布置

表3 蓋板以及螺栓相關參數

5 結 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：純彎段彎矩達到1 100 kN·m至試驗結束，跨中撓度100～170 mm階段。

(2) 受壓區范圍內左右2根H型鋼在對接處相互擠壓，與上蓋板共同承受壓應力。下蓋板測點縱向應變呈現兩側應變明顯小于腹板下方測點應變，可能由于群栓效應和翼緣翹曲所致。

(3) 通過修正割線法得到裝配式鋼圍檁的屈服點，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點下的裝配式鋼圍檁屈服彎矩平均值為1 031.6 kN·m，對應屈服撓度值的平均值為87.6 mm，約在跨中撓度達到l/70時達到彈性承載力極限狀態。通過理論計算，可將蓋板尺寸增加至26 mm×395 mm×1 150 mm，使用10.9級承壓型高強螺栓，并增加螺栓數目，以此方式達到等強。