裝配式H型鋼支撐軸壓承載力研究

李亞文， 李夢飛， 蔡 敏， 李慶中， 朱 華， 周 安

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

0 引 言

隨著我國建筑工程技術(shù)的發(fā)展，裝配式H型鋼支撐作為一種新型鋼支撐體系應(yīng)運而生，彌補了傳統(tǒng)鋼管支撐、混凝土支撐的形式比較單一、連接不夠方便、在其彎曲平面外剛度較小的缺點。裝配式H型鋼支撐是一種整體剛度較大、承載力較強、拼接節(jié)點全螺栓連接、安裝拆除方便、可重復(fù)使用的內(nèi)支撐系統(tǒng)，如圖1所示，同時對基坑周邊的環(huán)境影響小，施工便捷，節(jié)約資源，能夠滿足國家對環(huán)境保護的要求[1-4]。

圖1 裝配式H型鋼支撐體系

裝配式鋼支撐由多根H型鋼組合而成，H型鋼間以蓋板和端板組合成整體，對撐通過橫梁和立柱連接，構(gòu)件連接均采用高強螺栓連接[5]。

由于采用端板和蓋板通過高強螺栓連接的節(jié)點受力性能的研究并不充分，采用理論計算分析螺栓連接節(jié)點對裝配式鋼支撐的彎曲剛度的影響比較困難，本文通過對裝配式H型鋼支撐進行彎曲剛度試驗，采用等效剛度的方法確定裝配式鋼支撐的整體彎曲剛度。然后根據(jù)文獻[6]的規(guī)定，確定裝配式鋼支撐體系軸壓承載力的影響系數(shù)，進而確定裝配式鋼支撐體系的軸壓承載力。

1 裝配式H型鋼支撐彎曲剛度試驗

1.1 試件設(shè)計

裝配式H型鋼支撐的試件是由2根帶有端板的H型鋼通過蓋板和高強螺栓進行連接形成的構(gòu)件，節(jié)點形式如圖2所示，構(gòu)件的幾何尺寸見表1。螺栓采用8.8級M22高強螺栓，螺栓孔的直徑為23.5 mm。根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量保證書和文獻[7]，H型鋼及蓋板采用Q355B,屈服強度為375 MPa，極限強度為550 MPa，伸長率為28%，彈性模量為2.1×105N/mm2，泊松比為0.3。

圖2 裝配式H型鋼支撐節(jié)點詳圖(單位：mm)

表1 試件的幾何尺寸

1.2 試驗加載

裝配式H型鋼支撐彎曲剛度試驗在合肥工業(yè)大學結(jié)構(gòu)試驗室進行，采用2個油壓千斤頂通過2個反力架來實現(xiàn)豎向靜力荷載的加載，試驗裝置如圖3所示。

圖3 加載裝置圖(單位：mm)

讓構(gòu)件各部分充分接觸，消除安裝誤差，并驗證各測點是否準確和正常工作，以提高試驗的準確性。在正式加載前，對裝配式鋼支撐進行預(yù)加載，預(yù)加載的荷載值取屈服荷載計算值的5%。正式加載采用先荷載控制后位移增量控制的混合加載方案：在構(gòu)件達到屈服以前，由于試件的剛度比較大，撓度的增加幅度較小，采用荷載控制加載分級，單邊荷載增量約25 kN為一級；當構(gòu)件屈服后，荷載增加較小而撓度增加較大，采用位移控制加載分級，以跨中豎向位移增加約2 mm為一級。在試驗過程中發(fā)生下列現(xiàn)象之一即可停止加載：高強螺栓拉斷或者連接的蓋板和端板發(fā)生撕裂、鋼構(gòu)件進入明顯的大變形狀態(tài)、H鋼截面加載點出現(xiàn)局部屈曲現(xiàn)象、其他可能出現(xiàn)的意外情況[7]。

2 裝配式H型鋼支撐等效剛度

為了分析裝配式H型鋼支撐的彎曲剛度，裝配式H型鋼支撐的支座和跨中布置5個位移測點，得到單側(cè)千斤頂?shù)暮奢d-跨中撓度關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 荷載-撓度曲線圖

由圖4可知，H型鋼截面構(gòu)件通過蓋板和端板用高強螺栓的拼接節(jié)點具有一定的半剛性，整個受彎過程中可分為未滑移階段(OA)、滑移階段(AB)、線彈性承壓階段(BC)、整體屈服階段(CD)和破壞階段(DE)五個階段。

針對裝配式桿，當其最大彎曲撓度與某受力狀態(tài)相同的勻質(zhì)桿的最大撓度相同時，則該勻質(zhì)桿的彎曲剛度稱為裝配式桿的等效剛度。將等效彎矩剛度與基本構(gòu)件的彎曲剛度的比值定義為裝配式桿的剛度折減系數(shù)。進行裝配式鋼支撐軸壓承載力分析時，文獻[6]通過引入初始缺陷的方式綜合考慮滑移等因素影響，故在分析等效剛度時，僅考慮線性階段(OA段)的受力情況。

勻質(zhì)桿跨中撓度理論計算簡圖如圖5所示，公式(1)為跨中撓度理論計算公式。

圖5 撓度理論計算簡圖

(1)

本文選取彈性階段的A點作為研究對象，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)得到A點對應(yīng)的撓度為13.8 mm、荷載為90.6 kN。將撓度帶入公式(1)，能夠得到同長度基本構(gòu)件的荷載的理論計算值為253.6 kN。根據(jù)公式(1)，能夠得到等效彎曲剛度與基本構(gòu)件彎曲剛度的關(guān)系式如公式(2)所示，代入上述數(shù)值，得到關(guān)系式(3)。

(2)

(EI)eq=0.357EI

(3)

式中：(EI)eq為等效彎曲剛度；EI為H型鋼的彎曲剛度；peq為同長度基本構(gòu)件產(chǎn)生相同跨中撓度的荷載的理論計算值；p為試驗實測荷載。

3 裝配式H型鋼支撐軸壓承載力

裝配式H型鋼支撐的軸壓承載力分為繞著強軸的軸壓承載力和繞著弱軸的軸壓承載力。由于在弱軸方向，裝配式鋼支撐通過橫桿組合成桁架結(jié)構(gòu)，整體剛度比較大，本文僅考慮繞著強軸方向的裝配式鋼支撐的軸壓承載力。

根據(jù)文獻[6]的規(guī)定，代入裝配式鋼支撐相應(yīng)的參數(shù)，能夠得到軸壓穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系式，如下所示：

(4)

(5)

(6)

式中：l為裝配式H型鋼支撐的計算長度；φ為軸心軸力穩(wěn)定系數(shù)；α2、α3的取值參考文獻[6]；A為鋼支撐的截面面積；i為回轉(zhuǎn)半徑；I為截面慣性矩;λ為長細比。

根據(jù)軸壓穩(wěn)定承載力公式(7)，能夠得到裝配式鋼支撐和同長度基本構(gòu)件的軸壓穩(wěn)定承載力與支撐桿長度的關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6 穩(wěn)定軸壓承載力與支撐桿長度關(guān)系

N=φfA

(7)

式中：f為鋼材的抗壓強度設(shè)計值。

由圖6可知，同長度基本構(gòu)件和裝配式鋼支撐的軸壓承載力都隨著桿件的增長而減小，并且減小的速率先增大后減小。當桿件長度較小時，同長度基本構(gòu)件與裝配式鋼支撐的軸壓承載力差別不大，隨著桿件的增長兩者之間差值先增大后減小；當長度為11～17 m時，同長度基本構(gòu)件的軸壓承載大約為裝配式支撐桿的2倍；當長度為17～30 m時，同長度基本構(gòu)件的軸壓承載大約為裝配式支撐桿的3倍。

4 結(jié) 論

通過對裝配式H型鋼支撐進行彎曲剛度試驗和理論分析，得到以下結(jié)論：

(1) 裝配式H型鋼支撐在受彎過程中具有明顯的非線性，經(jīng)歷未滑移階段、滑移階段、線彈性承壓階段、整體屈服階段和破壞階段五個階段。

(2) 裝配式H型鋼支撐的螺栓連接節(jié)點會降低基本構(gòu)件的彎曲剛度，彎曲剛度降低約64.3%。

(3) 當桿件長度較小時，同長度基本構(gòu)件與裝配式鋼支撐的軸壓承載力差別不大；當構(gòu)件長度為11～17 m、17～30 m時，同長度基本構(gòu)件的軸壓承載力分別大約為裝配式支撐桿軸壓承載力的2倍、3倍。