螺栓拼接鋼梁的抗彎性能

童樂為， 牟曉亮， 周 鋒， 龔 劍， 黃玉林， 王小安

(1. 同濟大學 土木工程學院，上海 200092； 2. 上海建工集團股份有限公司， 上海 200080；3. 上海裝配式建筑技術集成工程技術研究中心， 上海 200011)

近幾十年來，隨著超高層建筑施工技術的迅猛發展，我國陸續建成了一批超高層建筑，包括金茂大廈、廣州西塔、上海環球金融中心、上海中心等[1].上海建工集團通過技術集成，研發出鋼柱筒架交替支撐液壓爬升整體鋼平臺模架裝備系統(以下簡稱模架裝備)，并已成功應用于上海中心大廈、上海北外灘白玉蘭廣場和上海大中里綜合發展項目T2主樓等重大工程項目的施工[2-5].

模架裝備由鋼平臺、筒架支撐、工具式鋼柱、腳手架、模板5大系統組成.其中，鋼平臺系統為模塊化設計，采用標準化的鋼梁截面和高強度螺栓連接方式，施工應用時可根據建筑幾何尺寸需要，拼裝鋼平臺，實現通用性.鋼梁截面均為H型鋼.為了滿足各種幾何尺寸的工程項目施工的需要和連接的方便，鋼梁之間采用拼接板，通過高強度螺栓連接形成所需要的長度.在實際施工中，高強度螺栓連接處的構件表面不做專門的摩擦處理，且不對螺栓施加預拉力，實際上就是高強度螺栓按照普通螺栓的受力方式使用.兩根H型鋼通過螺栓拼接形成一根梁，在鋼平臺設計時將該拼接節點視作剛性節點.

有關鋼梁的螺栓拼接節點的性能，國內外學者進行了一些研究.國外學者Kulak等[6]對僅進行腹板拼接的H型鋼梁進行了試驗研究，測量了腹板螺栓孔在擠壓作用下的變形方向，確定了設計中的剪力偏心矩.Sheikh-Ibrahim等[7]研究了翼緣采用焊接拼接板或者無拼接、腹板采用高強度螺栓拼接板(螺栓無預拉力)的鋼梁剪力和彎矩分別在翼緣拼接板和腹板拼接板中的分配問題.Zygomalas等[8]對有無高強度螺栓拼接板的H型鋼梁跨中撓度進行了比較試驗.國內學者的研究主要針對超高層鋼結構的鋼梁拼接，如李啟才等[9-12]將鋼梁高強螺栓拼接節點作為梁柱連接節點的一部分進行試驗研究，分析其承載力、耗能能力以及高強螺栓的摩擦系數、拼接板厚度對拼接節點性能的影響，但并沒有對單純鋼梁的拼接節點進行研究.

因此，本文結合爬升整體鋼平臺模架裝備的工程應用，對H型鋼梁高強度螺栓拼接板節點進行試驗研究，分析其抗彎承載力和剛度性能.

1 試驗概況

1.1 試件設計

本試驗共設計了2個具有高強度螺栓拼接板節點的H型鋼梁試件，均采用HN400×200×8×13型鋼、8 mm厚拼接板和8.8級M22高強度螺栓(板上螺栓孔直徑23 mm)，型鋼和拼接板均為Q345B鋼材.2個試件的區別在于腹板拼接螺栓數目不同，節點參數詳見表1.鋼梁試件以及拼接節點的幾何尺寸詳見圖1.

表1 螺栓拼接節點參數

本試驗的鋼梁拼接按照等強度和等抗彎剛度相等設計，其中，等抗彎剛度是指拼接截面的慣性矩Ip不小于被拼接H型鋼梁本身的截面慣性矩I.

1.2 鋼材力學性能試驗

本文針對H型鋼的翼緣和腹板以及拼接板，進行了3種情況的Q345B鋼材力學性能試驗.試樣均為板材，按照有關標準進行加工和拉伸試驗[13-14]，試驗結果的平均值如表2所示.

1.3 加載及測試方案

如圖2～4所示，兩個鋼梁試件均采用兩端簡支、四點對稱單調加載.為防止試驗過程中鋼梁整體側向彎扭失穩，采用了側向支撐.

圖1 試件及螺栓拼接節點尺寸(單位：mm)

試樣編號取樣位置屈服強度fy/MPa屈服應變εy/10-6極限強度fu/MPa伸長率δ10/%M8拼接板3421 66056024.1MH8型鋼腹板3281 59249320.8MH13型鋼翼緣3001 45651025.7

圖2 試件加載圖式

按照《鋼結構設計規范》(GB20017—2003)[15]，預估節點承載力P=265 kN.試驗先預加載60 kN，大約為預估荷載的20%，觀察應變片及位移計讀數無異常后進行正式加載.

試驗中采用位移計、應變片來測量鋼梁及其拼接部位的位移、應變.兩個試件的位移計及應變片的布置完全相同，具體布置如圖5所示，其中1—1和3—3為H型鋼梁截面，2—2為拼接板截面.

圖3 試驗加載裝置

圖4 試驗現場

a 位移計布置

b 應變片布置

2 試驗結果和分析

2.1 拼接鋼梁破壞模式分析

兩個拼接鋼梁試件在荷載作用下的最終破壞模式相同，均為純彎段非拼接處鋼梁上翼緣受壓屈曲，隨后試件喪失承載力，破壞形態如圖6所示.

a 試件J1b 試件J2

圖6試件受彎破壞模式

Fig.6Bendingfailureofspecimens

2.2 拼接鋼梁荷載-撓度曲線

圖7給出了試件J1和J2跨中截面2—2在加載過程中的荷載-跨中撓度曲線，可見兩個試件的曲線走勢基本一致.該曲線基本上可分為6個階段：①摩擦傳力的線彈性階段(雖然沒有對螺栓施加預拉力，但仍有一定的摩擦力)；②螺栓滑移階段，此時螺栓所受剪力大于板間摩擦力而突然產生滑移；③螺栓抗剪、承壓傳力的線彈性階段；④拼接節點屈服階段，此時下翼緣外拼接板屈服，拼接節點進入屈服，而鋼梁仍處于彈性階段，荷載-跨中撓度曲線開始表現出非線性特征；⑤鋼梁彈塑性階段，此時鋼梁的上、下翼緣均屈服，撓度的增長速度明顯大于荷載的增長速度，拼接鋼梁的剛度明顯降低，荷載-跨中撓度曲線出現明顯的彎折且非線性顯著；⑥鋼梁屈曲及破壞階段，此時鋼梁上翼緣受壓屈曲，荷載增加不大，但鋼梁撓度迅速地增加，最終喪失承載力.

圖7 試件荷載-跨中撓度曲線

2.3 拼接鋼梁應變分布及荷載-應變曲線

圖8為試件J1和J2在1—1截面(H型鋼)上的應變分布情況，由圖8可見，對于處于純彎段的1—1截面，實測應變分布符合平截面假定，且中和軸位于截面的形心處.

圖9為2—2截面(拼接板)的應變分布情況，可知：當P<80 kN時，即螺栓滑移前，截面上的應變分布基本符合平截面假定，且中和軸位于截面形心處；當P=80 kN時，螺栓產生滑移，接觸關系發生變化，中和軸上移至梁高h=120 mm處；當P>80 kN時，截面上的應變分布不再符合平截面假定，并且隨著荷載的增加，腹板應變增加很小，主要靠上、下翼緣拼接板傳力.

圖10為試件J1和J2在3—3截面(H型鋼)上的應變分布情況，可見3—3截面的應變分布情況和1—1截面基本相同，應變分布符合平截面假定，且中和軸位于截面的形心處.

a 試件J1

b 試件J2

a 試件J1

b 試件J2

a 試件J1

b 試件J2

2.4 拼接鋼梁承載力分析

根據實測的H型鋼截面尺寸及材性數據，H型鋼梁的邊緣屈服彎矩MB,e及全截面塑性彎矩MB,p計算值如表3所示.

根據試驗現象(圖7)，當荷載P=80 kN時，試件J1和J2節點區螺栓出現滑移，此時作用彎矩為88 kN·m，將此彎矩定義為節點的滑移彎矩Ms.

在荷載作用下，鋼梁拼接區的下翼緣外拼接板首先屈服，此時對應的彎矩定義為節點屈服彎矩My.試件J1和J2的節點屈服彎矩分別為：My1=275 kN·m，My2=237 kN·m，My2/My1=0.862.試件J2的節點屈服彎矩比試件J1低，其原因為J1和J2的腹板一側分別采用兩列和一列螺栓，在相同的荷載作用下，后者腹板拼接板分配彎矩比前者少，因此后者翼緣拼接板承擔彎矩比前者多，會首先進入屈服.

雖然本試驗的鋼梁拼接按照相等的抗彎剛度設計，但是由表3可知，My

表3 拼接節點抗彎承載力試驗結果

試件J1和J2最終喪失承載力時均發生了鋼梁非拼接段的上翼緣受壓屈曲，兩個試件的極限彎矩分別為Mu1=405 kN·m，Mu2=413 kN·m，如表3所示.兩個試件的極限彎矩基本相等，且與鋼梁全截面屈服彎矩MB,p基本相等.

2.5 拼接鋼梁剛度分析

在工程設計中，圖1所示的H型鋼梁螺栓拼接通常按照剛接處理，即拼接鋼梁可視為沒有拼接的鋼梁.因此，圖2所示荷載方式的鋼梁在彈性階段的理論撓度曲線可由式(1)計算.

ft(x,M)=

(1)

圖11為試件J1和J2在加載過程中，鋼梁的理論計算撓度曲線與實測數據的對比.當荷載P<80 kN時，即螺栓滑移之前，鋼梁的實測撓度與理論計算撓度基本相同，表明螺栓拼接節點可視為剛接，鋼梁可按照公式(1)計算撓度.當荷載P>80 kN、拼接螺栓滑移之后，鋼梁實測撓度逐漸大于理論計算撓度，計算誤差越來越大.例如，當荷載P=100 kN和200 kN時，試件J1跨中撓度的實測值與理論計算值之比分別為2.30和2.99，試件J2的情況分別為2.97和3.67，表明拼接節點達不到剛接，用于沒有拼接節點的梁的理論計算撓度公式(1)已不適用，需要提出新的方法來計算螺栓拼接鋼梁的撓度.

根據試件J1和J2各個位移計測得的數據分析，當M≤MB,e時，各測點的荷載-撓度曲線的基本形式如圖12所示.

圖12中，fs1和fs2分別為鋼梁拼接節點螺栓滑移開始和結束時各測點的撓度，fy為下翼緣外拼接板屈服時，也就是節點屈服時各測點的撓度.由圖12可見，當外加彎矩M≤MB,e時，荷載-撓度曲線基本分為4段：①M

a 試件J1

b 試件J2

圖12 M≤MB,e時螺栓拼接鋼梁的荷載-撓度曲線

為了提出螺栓拼接鋼梁在彈性階段的撓度計算公式，本文引入轉動彈簧來模擬具有螺栓拼接節點的鋼梁抗彎剛度，如圖13所示，圖中K為彈簧的轉動剛度.在荷載作用下，鋼梁的撓度由兩部分構成：①僅由拼接節點轉動引起的鋼梁撓度；②拼接節點無轉動時鋼梁產生的撓度.

圖13 螺栓拼接試件的抗彎剛度理論計算模型

如圖14所示，在節點彎矩M作用下，僅由節點轉動引起的鋼梁撓度可由式(2)計算.

圖14 僅由螺栓拼接節點轉動引起的試件撓度

(2)

拼接節點無轉動時的鋼梁撓度仍由式(1)計算.因此，計入拼接節點轉動的鋼梁撓度計算為

fK(x,M)=ft(x,M)+fz(x,M)

(3)

進一步考慮節點滑移以及節點抗彎剛度的變化，則拼接鋼梁在彈性階段(拼接節點屈服之前)的最終撓度可按照公式(4)進行修正計算.

f(x,M)=

(4)

在試驗過程中，已測得試件J1和J2在不同荷載作用下的撓度，因此根據公式(4)可反推得到試件J1和J2鋼梁拼接節點在不同荷載階段的轉動剛度KJ1、KJ2，如表4所示.

表4 螺栓拼接節點的轉動剛度K

由表4可知：當M

將表4的節點轉動剛度代入公式(2)，最終由公式(4)來計算拼接鋼梁在節點屈服之前的彈性階段的實際撓度.圖15為公式(4)的計算撓度曲線與實測數據的對比，可見兩者吻合良好，驗證了公式(4)的可靠性.

a 試件J1

b 試件J2

3 結論

(1) 拼接鋼梁在整個加載過程中的力學行為依次呈現出以下特性：鋼梁和節點的彈性階段，節點螺栓滑移的非承載階段，鋼梁和節點恢復承載力的彈性階段，節點處受拉翼緣拼接板屈服階段，鋼梁彈塑性階段，鋼梁受壓翼緣屈曲破壞階段.

(2) 拼接節點進入屈服時的彎矩試驗值明顯小于鋼梁邊緣屈服的彎矩理論計算值，前者為后者的69% ～ 80%，但是，拼接節點最終破壞時的極限彎矩試驗值可達到鋼梁全截面屈服彎矩的理論計算值.拼接節點破壞時的極限彎矩試驗值為其進入屈服時的彎矩試驗值的1.47～1.74倍.

(3) 拼接節點在螺栓滑移之前，翼緣和腹板拼接板上的應變符合平截面假定，但是滑移之后不再符合平截面假定，彎矩主要由翼緣拼接板承受和傳力，腹板傳力很少.

(4) 拼接節點的螺栓滑移對鋼梁抗彎剛度有較大的影響，當螺栓未滑移時，拼接鋼梁整體性好，如同未有螺栓拼接的整根鋼梁，拼接節點可視為剛接，但是，當螺栓發生滑移后，鋼梁抗彎剛度減小，拼接節點不能按剛接處理，相當于半剛性節點.

(5) 拼接腹板上螺栓數量由雙列螺栓減少至單列螺栓，拼接節點的抗彎剛度約有20%的降低.

(6) 本文在試驗數據分析的基礎上，提出了考慮拼接節點轉動剛度影響的鋼梁撓度理論計算方法和公式，理論計算值與試驗值吻合良好.

(7) 在施工現場進行鋼平臺梁拼接時，建議盡可能對高強度螺栓施加預拉力，充分利用和發揮摩擦力的作用，延遲螺栓滑移的不利影響，從而提高拼接鋼梁的抗彎剛度.