李亞文， 李夢(mèng)飛， 蔡 敏， 李慶中， 朱 華， 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.安徽省城建設(shè)計(jì)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(jì)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

隨著我國(guó)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(yùn)而生，彌補(bǔ)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(diǎn)。裝配式H型鋼支撐是一種整體剛度較大、承載力較強(qiáng)、拼接節(jié)點(diǎn)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(shí)對(duì)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(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)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(duì)撐通過橫梁和立柱連接，構(gòu)件連接均采用高強(qiáng)螺栓連接[5]。

由于采用端板和蓋板通過高強(qiáng)螺栓連接的節(jié)點(diǎn)受力性能的研究并不充分，采用理論計(jì)算分析螺栓連接節(jié)點(diǎn)對(duì)裝配式鋼支撐的彎曲剛度的影響比較困難，本文通過對(duì)裝配式H型鋼支撐進(jìn)行彎曲剛度試驗(yàn)，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(xiàn)[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(jìn)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(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)

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(qiáng)螺栓進(jìn)行連接形成的構(gòu)件，節(jié)點(diǎn)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(jí)M22高強(qiáng)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(xiàn)[7]，H型鋼及蓋板采用Q355B,屈服強(qiáng)度為375 MPa，極限強(qiáng)度為550 MPa，伸長(zhǎng)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(diǎn)詳圖(單位：mm)

表1 試件的幾何尺寸

1.2 試驗(yàn)加載

裝配式H型鋼支撐彎曲剛度試驗(yàn)在合肥工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室進(jìn)行，采用2個(gè)油壓千斤頂通過2個(gè)反力架來實(shí)現(xiàn)豎向靜力荷載的加載，試驗(yàn)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(yàn)證各測(cè)點(diǎn)是否準(zhǔn)確和正常工作，以提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。在正式加載前，對(duì)裝配式鋼支撐進(jìn)行預(yù)加載，預(yù)加載的荷載值取屈服荷載計(jì)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(dá)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(jí)，單邊荷載增量約25 kN為一級(jí)；當(dāng)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(jí)，以跨中豎向位移增加約2 mm為一級(jí)。在試驗(yàn)過程中發(fā)生下列現(xiàn)象之一即可停止加載：高強(qiáng)螺栓拉斷或者連接的蓋板和端板發(fā)生撕裂、鋼構(gòu)件進(jìn)入明顯的大變形狀態(tài)、H鋼截面加載點(diǎn)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(gè)位移測(cè)點(diǎn)，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(qiáng)螺栓的拼接節(jié)點(diǎn)具有一定的半剛性，整個(gè)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(gè)階段。

針對(duì)裝配式桿，當(dāng)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(shí)，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(jìn)行裝配式鋼支撐軸壓承載力分析時(shí)，文獻(xiàn)[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(shí)，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(jì)算簡(jiǎn)圖如圖5所示，公式(1)為跨中撓度理論計(jì)算公式。

圖5 撓度理論計(jì)算簡(jiǎn)圖

(1)

本文選取彈性階段的A點(diǎn)作為研究對(duì)象，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到A點(diǎn)對(duì)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(zhǎng)度基本構(gòu)件的荷載的理論計(jì)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(zhǎng)度基本構(gòu)件產(chǎn)生相同跨中撓度的荷載的理論計(jì)算值；p為試驗(yàn)實(shí)測(cè)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(qiáng)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(qiáng)軸方向的裝配式鋼支撐的軸壓承載力。

根據(jù)文獻(xiàn)[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(jì)算長(zhǎng)度；φ為軸心軸力穩(wěn)定系數(shù)；α2、α3的取值參考文獻(xiàn)[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(zhǎng)細(xì)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(zhǎng)度基本構(gòu)件的軸壓穩(wěn)定承載力與支撐桿長(zhǎng)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(zhǎng)度關(guān)系

N=φfA

(7)

式中：f為鋼材的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

由圖6可知，同長(zhǎng)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(zhǎng)而減小，并且減小的速率先增大后減小。當(dāng)桿件長(zhǎng)度較小時(shí)，同長(zhǎng)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(zhǎng)兩者之間差值先增大后減??；當(dāng)長(zhǎng)度為11～17 m時(shí)，同長(zhǎng)度基本構(gòu)件的軸壓承載大約為裝配式支撐桿的2倍；當(dāng)長(zhǎng)度為17～30 m時(shí)，同長(zhǎng)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(duì)裝配式H型鋼支撐進(jìn)行彎曲剛度試驗(yàn)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(gè)階段。

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

(3) 當(dāng)桿件長(zhǎng)度較小時(shí)，同長(zhǎng)度基本構(gòu)件與裝配式鋼支撐的軸壓承載力差別不大；當(dāng)構(gòu)件長(zhǎng)度為11～17 m、17～30 m時(shí)，同長(zhǎng)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。