杨兆源，殷 飞，刘宇峰，张广亮，李凤丹，曹万林

(1.北京工业大学城市建设学部，北京 100124；2.中交第四公路工程局有限公司，北京 100022)

0 引言

推进住宅建筑产业化建设是我国建筑行业发展的内在需求[1]。“十三五”以来，我国全力推进装配式住宅及相关施工技术的研究与发展[2]。传统施工平台结构在装配式结构工程实践中存在诸多问题[3]，为与装配式住宅混凝土剪力墙结构施工技术相匹配，刘树宝[4]提出一种下撑式悬挑轻钢施工平台体系。

附墙节点高强螺栓连接，是该施工平台体系设计的关键。陈爱华等[5]提出附墙节点有限元分析模型，方便设计人员选择设计方案，保障施工安全。何官剑[6]基于ANSYS非线性分析法对附墙支架稳定性进行理论计算。李裴等[7]结合工程实践，介绍塔式起重机和施工升降机的附墙装置，并总结分析其实际应用效果。Kwon等[8]提出3种钢-混凝土螺栓连接节点构造，并进行连接节点的静力和疲劳性能试验，结果表明该节点构造可显著提升非组合钢板梁桥的承载力。Pavlovic等[9]研究了高强螺栓钢-混凝土连接件的力学性能。Dai等[10]使用装配式螺栓连接件替换栓钉连接节点，并对螺栓连接件进行推出试验，分析其受力性能和破坏过程。杨飞等[11]提出套筒型钢-混凝土螺栓连接节点，进行推出试验，分析螺栓连接节点的破坏形态及损伤演化过程，并提出节点抗剪承载力计算方法。目前，尚未对装配式施工平台高强螺栓附墙节点抗剪性能进行研究。本文提出并研发了一种适于装配式混凝土剪力墙结构的新型装配式悬挑支撑施工平台体系。

该施工平台通过高强螺栓附墙节点与混凝土剪力墙相连，形成轻钢模架与剪力墙连接系统，如图1所示。

图1 新型装配式悬挑支撑施工平台

施工过程中，高强螺栓附墙节点主要承受拉(压)剪作用，其中节点抗拉能力主要取决于螺栓抗拉承载力，抗压能力取决于钢与混凝土挤压承载力，抗剪切能力取决于螺栓抗剪承载力或剪力墙混凝土的局部抗挤压承载力。附墙节点抗剪切受力相对复杂，为研究新型装配式悬挑支撑施工平台体系附墙节点的抗剪性能，进行4个高强螺栓附墙节点足尺试件的抗剪性能试验，分析附墙节点的损伤过程、破坏形态、极限承载力，并对试件进行数值模拟，分析其应变、应力特征及损伤破坏过程。

1 试验概况

1.1 试件设计

设计4个高强螺栓附墙节点试件，试件SW-30表示混凝土强度等级为C30的剪力墙，试件SW-30D表示混凝土强度等级为C30且设置吊筋的剪力墙，试件SW-50，SW-50D同理。剪力墙尺寸为400mm×400mm，厚200mm，为双排配筋φ8@200，配筋率0.25%，混凝土保护层厚20mm。SW-30和SW-50为无抗剪吊筋试件，剪力墙中部预留2个间距为200mm、直径32mm的圆孔，圆孔内壁预埋外径32mm、厚3mm的圆钢管作为螺栓套筒，螺栓套筒与周围钢筋点焊定位。无吊筋试件基础上，试件SW-30D和SW-50D在螺栓套筒位置布置U形抗剪吊筋，以增强墙体抗剪能力。试件均由两侧对称布置的混凝土剪力墙、加载钢板及高强抗剪螺栓构成，高强抗剪螺栓穿过剪力墙及中间加载钢板，通过加载钢板对试件施加剪力，两侧混凝土剪力墙提供抗剪反力，剪力墙与加载钢板间的高强螺栓截面处于受剪状态。各试件采用2根8.8级M30高强螺栓，螺栓预紧力为875N·m[12]。C30混凝土试件两侧混凝土剪力墙设计如图2所示。

图2 试件设计

1.2 材料力学性能

实测C30混凝土立方体抗压强度均值为41.03MPa，弹性模量为3.23×104MPa；C50混凝土立方体抗压强度均值为58.51MPa，弹性模量为3.38×104MPa。各试件均采用HRB400级受力钢筋，制作3组钢筋标准拉伸试件，实测φ8钢筋屈服强度fy为484.3MPa，极限强度fu为698.7MPa，弹性模量Es为1.98×105MPa，延伸率δ为19.70%。

1.3 试验方案

试件两侧混凝土剪力墙板及中间设置的T形钢板加载件如图3所示。

图3 试件剖面

试验采用2 000kN压力试验机，在T形钢板加载件中心施加压力。采用加载控制荷载，当试件承受荷载下降至峰值荷载的85%后停止加载。对称布置4个位移计测试T形钢板加载件与剪力墙板间的相对位移，并取均值。各试件布置7个应变片测量高强螺栓、剪力墙分布钢筋、抗剪吊筋及混凝土的应变。

2 试验结果及分析

2.1 试件破坏形态

试验所得混凝土剪力墙、高强螺栓破坏形态如图4，5所示。各试件破坏形态基本相似，表现为高强螺栓剪断及剪力墙板螺栓孔附近混凝土压溃的破坏模式。试件在混凝土剪力墙板预留螺栓孔附近均产生发散裂缝，并向墙体底部延伸，最终导致高强螺栓下侧混凝土压碎剥落，剪力墙下端与侧面边缘处开裂。部分试件侧面出现平行于荷载方向的裂缝。高强螺栓剪断时伴随响声，其脆性剪切破坏特征明显。

图4 混凝土剪力墙破坏形态

图5 高强螺栓破坏形态

2.2 荷载-位移曲线与极限抗剪承载力

各试件实测荷载-位移曲线对比如图6,7所示。

图6 不同混凝土强度等级试件的荷载-位移曲线对比

图7 不同构造试件的荷载-位移曲线对比

由图6,7可知，各试件荷载-位移曲线变化趋势基本一致，可分为3个受力变形阶段：①加载初期由于螺栓预紧力的存在，T形钢板加载件与剪力墙板处于无相对滑动的静摩擦阶段，曲线呈快速上升趋势，此时试件整体处于弹性阶段。②随着竖向荷载增大，T形钢板与混凝土剪力墙间的剪力超过二者的静摩擦力，T形钢板加载件出现相对滑移，螺栓开始受剪，该阶段试件刚度降低主要原因为螺栓与预埋套筒内壁间存在一定间隙；螺栓完全受剪后，试件刚度增大，但随着螺栓受剪变形，呈逐渐降低趋势；该阶段高强螺栓下部混凝土已出现局部受压损伤，剪力墙裂缝也开始发展延伸。③试件达到峰值荷载后，螺栓突然剪断，下部混凝土压碎，最终试件呈脆性破坏特征。剪力墙混凝土强度的提升可提高钢-混凝土螺栓节点的极限抗剪承载力。采用抗剪吊筋构造的试件极限抗剪承载力高、峰值位移小。因此，抗剪吊筋构造可提高钢-混凝土螺栓节点抗剪能力，限制节点变形，在实际工程中可在预留螺栓孔周围布置抗剪吊筋，以提高节点抗剪承载力。

实测试件SW-30，SW-30D，SW-50，SW-50D极限承载力分别为1 051.94，1 273.36，1 228.93，1 418.93kN。

试件SW-50较试件SW-30极限抗剪承载力提高16.83%，试件SW-50D较试件SW-30D极限抗剪承载力提高11.43%，说明提高混凝土强度可显著提高试件的极限抗剪承载力。试件SW-30D较试件SW-30极限抗剪承载力提高21.05%；试件SW-50D较试件SW-50极限抗剪承载力提高15.46%，说明采用抗剪吊筋可显著提高试件抗剪承载力。

2.3 应变分析

实测试件SW-50D抗剪吊筋应变测点D1(距螺栓较近测点)和D2(距螺栓较远测点)的荷载-应变曲线如图8所示。

图8 试件SW-50D抗剪吊筋应变测点荷载-应变曲线

由图8可知，加载初期由于T形钢板与混凝土接触面间的静摩擦作用，抗剪吊筋受力在弹性范围，荷载-应变曲线呈线性；随着荷载及变形的增大，吊筋应变快速增加，达到极限荷载后，测点D1应变大于测点D2，说明剪力墙在螺栓孔附近有明显的应力集中。

3 有限元分析

3.1 有限元建模

采用ABAQUS建立各试件三维有限元模型，如图9所示。试件中的混凝土、钢板及螺栓采用3D Solid 可变形拉伸模型，钢筋采用3D Wire模型，混凝土、钢板及螺栓采用8结点三维实体线性减缩积分单元(C3D8R)，钢筋采用桁架单元(T3D2)。

图9 有限元模型

钢材本构关系为二折线弹性-强化模型，相关参数采用实测值，泊松比取0.3。采用损伤塑性模型模拟混凝土材料的受力性能。

T形钢板加载件与螺栓采用绑定约束；T形钢板加载件与混凝土墙体切线方向采用“罚”函数定义，法线方向采用硬接触；钢筋骨架嵌入混凝土墙体中；螺栓套筒与混凝土墙体采用绑定约束；高强螺栓与混凝土墙体连接采用通用接触，可自动选择接触面。

3.2 有限元计算结果

3.2.1承载力及变形

计算各试件极限抗剪承载力，与试验结果对比如表1所示，其中Fu为各试件极限抗剪承载力试验值，Fcu为各试件极限抗剪承载力有限元模拟值，二者误差在8%以内。数值模拟得到的高强螺栓及混凝土墙板破坏形态与试验现象基本一致，如图10,11所示。

图10 混凝土破坏形态对比

表1 极限承载力试验结果与模拟结果对比

3.2.2剪力墙混凝土应力

抗剪极限承载力状态下，各试件混凝土墙体破坏截面Von Mises应力分布情况及混凝土破坏高度如图12所示。

图11 高强螺栓破坏形态对比

图12 混凝土墙体Von Mises应力云图与应力分布曲线

由图12可知：①抗剪极限承载力状态下，螺栓孔下边缘混凝土墙体应力较集中，以大致45°方向沿墙体下侧传递应力，应力值沿远离螺栓孔的方向逐渐降低；沿墙体厚度方向，混凝土墙体受到的压应力集中于与T形钢板加载件贴近的界面一侧，因螺栓在受剪作用过程中沿螺栓长度方向会发生应力重分布，随着螺栓剪切面处杆件变形增大，螺栓对墙体的压力方向不再与墙面垂直，靠近螺栓一侧的混凝土墙体应力显著增大。②试件SW-30D混凝土破坏高度为40mm，SW-30混凝土破坏高度为50mm，说明抗剪吊筋构造可明显提高钢-混凝土墙体螺栓连接节点抗剪能力；试件SW-50的混凝土破坏高度略高于试件SW-30，说明混凝土强度等级较高的试件破坏范围较大。

3.2.3高强螺栓应力

极限抗剪承载力状态下，各试件高强螺栓的Von Mises应力分布情况如图13所示。

图13 高强螺栓的Von Mises应力云图及应力分布曲线

由图13可知，螺栓应力分布主要集中于抗剪截面处，各试件螺栓表面应力分布沿长度方向的180，320mm处均出现波峰，这主要是螺栓受剪变形达到一定程度后，在剪切面附近出现弯矩作用，弯曲应力在剪切截面发展形成应力重分布。试件SW-30与SW-30D、试件SW-50与SW-50D相比，试件达到极限抗剪承载力状态后，有吊筋构造试件的螺栓剪切面应力水平均高于无吊筋试件，采用抗剪吊筋构造后高强螺栓的抗剪强度可得到更充分发挥。对比不同混凝土强度等极试件可知，混凝土强度等极较高的试件螺栓应力水平较高。

4 结语

1)各试件荷载-位移曲线形式大致相同，加载初期由于螺栓预紧力的存在，T形钢板加载件与剪力墙板处于无相对滑动的静摩擦阶段，曲线表现快速上升趋势，此时试件整体处于弹性阶段；随着竖向荷载增大，T形钢板与混凝土剪力墙间的剪力超过二者的静摩擦力，T形钢板加载件出现相对滑移，螺栓开始受剪；试件达到峰值荷载后，螺栓突然剪断，下部混凝土压碎，最终试件呈脆性破坏特征。

2)剪力墙混凝土强度等级的提升可明显提高试件的极限抗剪承载力，采用抗剪吊筋构造可显著提升试件的极限抗剪承载力。

3)采用三维有限元模型对试件剪切受力过程进行模拟，模拟结果与试验结果基本一致，试件极限承载力的数值模拟结果与试验结果相差在8%以内。

4)实际工程中，剪力墙高强螺栓孔宜采取钢套筒加强，以增强混凝土墙体螺栓孔周围的局部抗压及抗劈裂性能。