懸挑施工平臺高強螺栓附墻節點抗剪性能研究*

楊兆源，殷 飛，劉宇峰，張廣亮，李鳳丹，曹萬林

(1.北京工業大學城市建設學部，北京 100124；2.中交第四公路工程局有限公司，北京 100022)

0 引言

推進住宅建筑產業化建設是我國建筑行業發展的內在需求[1]?！笆濉币詠?，我國全力推進裝配式住宅及相關施工技術的研究與發展[2]。傳統施工平臺結構在裝配式結構工程實踐中存在諸多問題[3]，為與裝配式住宅混凝土剪力墻結構施工技術相匹配，劉樹寶[4]提出一種下撐式懸挑輕鋼施工平臺體系。

附墻節點高強螺栓連接，是該施工平臺體系設計的關鍵。陳愛華等[5]提出附墻節點有限元分析模型，方便設計人員選擇設計方案，保障施工安全。何官劍[6]基于ANSYS非線性分析法對附墻支架穩定性進行理論計算。李裴等[7]結合工程實踐，介紹塔式起重機和施工升降機的附墻裝置，并總結分析其實際應用效果。Kwon等[8]提出3種鋼-混凝土螺栓連接節點構造，并進行連接節點的靜力和疲勞性能試驗，結果表明該節點構造可顯著提升非組合鋼板梁橋的承載力。Pavlovic等[9]研究了高強螺栓鋼-混凝土連接件的力學性能。Dai等[10]使用裝配式螺栓連接件替換栓釘連接節點，并對螺栓連接件進行推出試驗，分析其受力性能和破壞過程。楊飛等[11]提出套筒型鋼-混凝土螺栓連接節點，進行推出試驗，分析螺栓連接節點的破壞形態及損傷演化過程，并提出節點抗剪承載力計算方法。目前，尚未對裝配式施工平臺高強螺栓附墻節點抗剪性能進行研究。本文提出并研發了一種適于裝配式混凝土剪力墻結構的新型裝配式懸挑支撐施工平臺體系。

該施工平臺通過高強螺栓附墻節點與混凝土剪力墻相連，形成輕鋼模架與剪力墻連接系統，如圖1所示。

圖1 新型裝配式懸挑支撐施工平臺

施工過程中，高強螺栓附墻節點主要承受拉(壓)剪作用，其中節點抗拉能力主要取決于螺栓抗拉承載力，抗壓能力取決于鋼與混凝土擠壓承載力，抗剪切能力取決于螺栓抗剪承載力或剪力墻混凝土的局部抗擠壓承載力。附墻節點抗剪切受力相對復雜，為研究新型裝配式懸挑支撐施工平臺體系附墻節點的抗剪性能，進行4個高強螺栓附墻節點足尺試件的抗剪性能試驗，分析附墻節點的損傷過程、破壞形態、極限承載力，并對試件進行數值模擬，分析其應變、應力特征及損傷破壞過程。

1 試驗概況

1.1 試件設計

設計4個高強螺栓附墻節點試件，試件SW-30表示混凝土強度等級為C30的剪力墻，試件SW-30D表示混凝土強度等級為C30且設置吊筋的剪力墻，試件SW-50，SW-50D同理。剪力墻尺寸為400mm×400mm，厚200mm，為雙排配筋φ8@200，配筋率0.25%，混凝土保護層厚20mm。SW-30和SW-50為無抗剪吊筋試件，剪力墻中部預留2個間距為200mm、直徑32mm的圓孔，圓孔內壁預埋外徑32mm、厚3mm的圓鋼管作為螺栓套筒，螺栓套筒與周圍鋼筋點焊定位。無吊筋試件基礎上，試件SW-30D和SW-50D在螺栓套筒位置布置U形抗剪吊筋，以增強墻體抗剪能力。試件均由兩側對稱布置的混凝土剪力墻、加載鋼板及高強抗剪螺栓構成，高強抗剪螺栓穿過剪力墻及中間加載鋼板，通過加載鋼板對試件施加剪力，兩側混凝土剪力墻提供抗剪反力，剪力墻與加載鋼板間的高強螺栓截面處于受剪狀態。各試件采用2根8.8級M30高強螺栓，螺栓預緊力為875N·m[12]。C30混凝土試件兩側混凝土剪力墻設計如圖2所示。

圖2 試件設計

1.2 材料力學性能

實測C30混凝土立方體抗壓強度均值為41.03MPa，彈性模量為3.23×104MPa；C50混凝土立方體抗壓強度均值為58.51MPa，彈性模量為3.38×104MPa。各試件均采用HRB400級受力鋼筋，制作3組鋼筋標準拉伸試件，實測φ8鋼筋屈服強度fy為484.3MPa，極限強度fu為698.7MPa，彈性模量Es為1.98×105MPa，延伸率δ為19.70%。

1.3 試驗方案

試件兩側混凝土剪力墻板及中間設置的T形鋼板加載件如圖3所示。

圖3 試件剖面

試驗采用2 000kN壓力試驗機，在T形鋼板加載件中心施加壓力。采用加載控制荷載，當試件承受荷載下降至峰值荷載的85%后停止加載。對稱布置4個位移計測試T形鋼板加載件與剪力墻板間的相對位移，并取均值。各試件布置7個應變片測量高強螺栓、剪力墻分布鋼筋、抗剪吊筋及混凝土的應變。

2 試驗結果及分析

2.1 試件破壞形態

試驗所得混凝土剪力墻、高強螺栓破壞形態如圖4，5所示。各試件破壞形態基本相似，表現為高強螺栓剪斷及剪力墻板螺栓孔附近混凝土壓潰的破壞模式。試件在混凝土剪力墻板預留螺栓孔附近均產生發散裂縫，并向墻體底部延伸，最終導致高強螺栓下側混凝土壓碎剝落，剪力墻下端與側面邊緣處開裂。部分試件側面出現平行于荷載方向的裂縫。高強螺栓剪斷時伴隨響聲，其脆性剪切破壞特征明顯。

圖4 混凝土剪力墻破壞形態

圖5 高強螺栓破壞形態

2.2 荷載-位移曲線與極限抗剪承載力

各試件實測荷載-位移曲線對比如圖6,7所示。

圖6 不同混凝土強度等級試件的荷載-位移曲線對比

圖7 不同構造試件的荷載-位移曲線對比

由圖6,7可知，各試件荷載-位移曲線變化趨勢基本一致，可分為3個受力變形階段：①加載初期由于螺栓預緊力的存在，T形鋼板加載件與剪力墻板處于無相對滑動的靜摩擦階段，曲線呈快速上升趨勢，此時試件整體處于彈性階段。②隨著豎向荷載增大，T形鋼板與混凝土剪力墻間的剪力超過二者的靜摩擦力，T形鋼板加載件出現相對滑移，螺栓開始受剪，該階段試件剛度降低主要原因為螺栓與預埋套筒內壁間存在一定間隙；螺栓完全受剪后，試件剛度增大，但隨著螺栓受剪變形，呈逐漸降低趨勢；該階段高強螺栓下部混凝土已出現局部受壓損傷，剪力墻裂縫也開始發展延伸。③試件達到峰值荷載后，螺栓突然剪斷，下部混凝土壓碎，最終試件呈脆性破壞特征。剪力墻混凝土強度的提升可提高鋼-混凝土螺栓節點的極限抗剪承載力。采用抗剪吊筋構造的試件極限抗剪承載力高、峰值位移小。因此，抗剪吊筋構造可提高鋼-混凝土螺栓節點抗剪能力，限制節點變形，在實際工程中可在預留螺栓孔周圍布置抗剪吊筋，以提高節點抗剪承載力。

實測試件SW-30，SW-30D，SW-50，SW-50D極限承載力分別為1 051.94，1 273.36，1 228.93，1 418.93kN。

試件SW-50較試件SW-30極限抗剪承載力提高16.83%，試件SW-50D較試件SW-30D極限抗剪承載力提高11.43%，說明提高混凝土強度可顯著提高試件的極限抗剪承載力。試件SW-30D較試件SW-30極限抗剪承載力提高21.05%；試件SW-50D較試件SW-50極限抗剪承載力提高15.46%，說明采用抗剪吊筋可顯著提高試件抗剪承載力。

2.3 應變分析

實測試件SW-50D抗剪吊筋應變測點D1(距螺栓較近測點)和D2(距螺栓較遠測點)的荷載-應變曲線如圖8所示。

圖8 試件SW-50D抗剪吊筋應變測點荷載-應變曲線

由圖8可知，加載初期由于T形鋼板與混凝土接觸面間的靜摩擦作用，抗剪吊筋受力在彈性范圍，荷載-應變曲線呈線性；隨著荷載及變形的增大，吊筋應變快速增加，達到極限荷載后，測點D1應變大于測點D2，說明剪力墻在螺栓孔附近有明顯的應力集中。

3 有限元分析

3.1 有限元建模

采用ABAQUS建立各試件三維有限元模型，如圖9所示。試件中的混凝土、鋼板及螺栓采用3D Solid 可變形拉伸模型，鋼筋采用3D Wire模型，混凝土、鋼板及螺栓采用8結點三維實體線性減縮積分單元(C3D8R)，鋼筋采用桁架單元(T3D2)。

圖9 有限元模型

鋼材本構關系為二折線彈性-強化模型，相關參數采用實測值，泊松比取0.3。采用損傷塑性模型模擬混凝土材料的受力性能。

T形鋼板加載件與螺栓采用綁定約束；T形鋼板加載件與混凝土墻體切線方向采用“罰”函數定義，法線方向采用硬接觸；鋼筋骨架嵌入混凝土墻體中；螺栓套筒與混凝土墻體采用綁定約束；高強螺栓與混凝土墻體連接采用通用接觸，可自動選擇接觸面。

3.2 有限元計算結果

3.2.1承載力及變形

計算各試件極限抗剪承載力，與試驗結果對比如表1所示，其中Fu為各試件極限抗剪承載力試驗值，Fcu為各試件極限抗剪承載力有限元模擬值，二者誤差在8%以內。數值模擬得到的高強螺栓及混凝土墻板破壞形態與試驗現象基本一致，如圖10,11所示。

圖10 混凝土破壞形態對比

表1 極限承載力試驗結果與模擬結果對比

3.2.2剪力墻混凝土應力

抗剪極限承載力狀態下，各試件混凝土墻體破壞截面Von Mises應力分布情況及混凝土破壞高度如圖12所示。

圖11 高強螺栓破壞形態對比

圖12 混凝土墻體Von Mises應力云圖與應力分布曲線

由圖12可知：①抗剪極限承載力狀態下，螺栓孔下邊緣混凝土墻體應力較集中，以大致45°方向沿墻體下側傳遞應力，應力值沿遠離螺栓孔的方向逐漸降低；沿墻體厚度方向，混凝土墻體受到的壓應力集中于與T形鋼板加載件貼近的界面一側，因螺栓在受剪作用過程中沿螺栓長度方向會發生應力重分布，隨著螺栓剪切面處桿件變形增大，螺栓對墻體的壓力方向不再與墻面垂直，靠近螺栓一側的混凝土墻體應力顯著增大。②試件SW-30D混凝土破壞高度為40mm，SW-30混凝土破壞高度為50mm，說明抗剪吊筋構造可明顯提高鋼-混凝土墻體螺栓連接節點抗剪能力；試件SW-50的混凝土破壞高度略高于試件SW-30，說明混凝土強度等級較高的試件破壞范圍較大。

3.2.3高強螺栓應力

極限抗剪承載力狀態下，各試件高強螺栓的Von Mises應力分布情況如圖13所示。

圖13 高強螺栓的Von Mises應力云圖及應力分布曲線

由圖13可知，螺栓應力分布主要集中于抗剪截面處，各試件螺栓表面應力分布沿長度方向的180，320mm處均出現波峰，這主要是螺栓受剪變形達到一定程度后，在剪切面附近出現彎矩作用，彎曲應力在剪切截面發展形成應力重分布。試件SW-30與SW-30D、試件SW-50與SW-50D相比，試件達到極限抗剪承載力狀態后，有吊筋構造試件的螺栓剪切面應力水平均高于無吊筋試件，采用抗剪吊筋構造后高強螺栓的抗剪強度可得到更充分發揮。對比不同混凝土強度等極試件可知，混凝土強度等極較高的試件螺栓應力水平較高。

4 結語

1)各試件荷載-位移曲線形式大致相同，加載初期由于螺栓預緊力的存在，T形鋼板加載件與剪力墻板處于無相對滑動的靜摩擦階段，曲線表現快速上升趨勢，此時試件整體處于彈性階段；隨著豎向荷載增大，T形鋼板與混凝土剪力墻間的剪力超過二者的靜摩擦力，T形鋼板加載件出現相對滑移，螺栓開始受剪；試件達到峰值荷載后，螺栓突然剪斷，下部混凝土壓碎，最終試件呈脆性破壞特征。

2)剪力墻混凝土強度等級的提升可明顯提高試件的極限抗剪承載力，采用抗剪吊筋構造可顯著提升試件的極限抗剪承載力。

3)采用三維有限元模型對試件剪切受力過程進行模擬，模擬結果與試驗結果基本一致，試件極限承載力的數值模擬結果與試驗結果相差在8%以內。

4)實際工程中，剪力墻高強螺栓孔宜采取鋼套筒加強，以增強混凝土墻體螺栓孔周圍的局部抗壓及抗劈裂性能。