李梦飞， 缪 言， 朱 华， 蔡 敏， 李庆中， 周 安

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2.安徽寰宇建筑设计院，安徽 合肥 230009；3.安徽省城建设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230009；4.马鞍山瑞马钢构材料有限公司，安徽 马鞍山 243000)

0 引 言

对于基坑施工，传统钢支撑刚度小，连接节点多为拼接焊接的方式，导致支撑整体性差，节点受力状态复杂，安全性降低，对基坑的变形极为不利[1]。装配式H型钢支撑支护是更加绿色经济的基坑支护形式，由钢支撑、组合围檩、钢板桩、连杆、立柱、托梁、托座、三角传力构件、盖板、预应力伺服系统等组成[2]。其通过螺栓连接，现场拼装，安拆方便，工效快，且构件生产标准化，全部构件都由工厂生产，并可重复利用，质量可靠，因而具有绿色环保低耗能的优势。

钢支撑和钢围檩采用相同的节点连接方式，但是钢支撑受力特点以轴压为主，钢围檩受力特点以抗弯为主[3]，相同的节点形式对于受力特点的影响可能不同。国内外学者以半刚性节点为对象进行了模拟分析[4-5]，本文将对装配式钢围檩的半刚性节点抗弯性能进行试验研究，以求对于今后的研究提供参考。

1 试验概况

1.1 试件设计

试件由2根3 m长尺寸为400 mm×400 mm×13 mm×21 mm的H型钢、2块16 mm×395 mm×850 mm的盖板通过8.8级承压型高强螺栓连接而成[6]，8.8级承压型高强螺栓抗拉强度设计值为400 MPa，抗剪强度设计值为250 MPa。钢材等级为Q345级，钢材相关参数[7]见表1，试件节点构造以及应变测点布置如图1所示。

表1 钢材力学性能参数表

图1 试件节点构造以及应变测点布置

1.2 试件加载

本次试验在合肥工业大学结构试验室进行，加载装置如图2所示。加载装置由2个门式反力架提供荷载支承，采用2台由三通连接的1 500 kN液压千斤顶结合1台手动油泵同步加载，两端支座处采用空心钢墩作为支座，试验加载分2个阶段：前期采用力控制加载分级，单边荷载值增加约25 kN为一级；后期采用位移控制加载分级，以跨中测点位移增加约3 mm为一级。

图2 试验装置示意图

2 试验结果与分析

2.1 试验现象

试件加载初期，钢围檩表面各测点的应变均匀缓慢增长，纯弯段各位移测点的位移增幅也很小，对接处张开缝宽度缓慢增长，螺栓变形不明显。当荷载逐级增加到某一值时，纯弯段各位移测点挠度明显增大，H型钢对接处上下盖板应变数值增长加快。加载至跨中挠度达到1/100，但曲线仍处于上升段，故加载至千斤顶量程达到最大，跨中挠度达到16.9 cm左右，停止加载并缓慢卸载，卸载完成后，试件仍有很大残余变形，盖板出现弯曲变形，跨中残余挠度约为跨度的1/50，占峰值挠度的76%，对接处端板变形，最下端张开缝宽度较大，受剪螺栓发生弯曲变形。

2.2 弯矩-跨中挠度关系曲线

试件的弯矩-跨中挠度曲线如图3所示。

图3 弯矩-跨中挠度关系曲线

可将装配式钢围檩的弯矩-跨中挠度曲线分为三个阶段：

(1) 弹性阶段：纯弯段弯矩0～800 kN·m，跨中挠度0～60 mm阶段。

(2) 弹塑性阶段：纯弯段弯矩800～1 100 kN·m，跨中挠度60～100 mm阶段。

(3) 塑性阶段：纯弯段弯矩达到1 100 kN·m至试验结束，跨中挠度100～170 mm阶段。

2.3 弯矩-盖板应变关系曲线

试件的弯矩-盖板应变曲线如图4、图5所示。上盖板的纵向测点的应变值远小于下盖板的纵向测点应变值。受压区范围内2根H型钢在对接处相互挤压，与上盖板共同承受压应力；下盖板测点纵向应变呈现两侧应变明显小于腹板下方测点应变，且在弯矩较大的情况下，出现纵向拉应变减小的现象。推测认为，造成这种现象的原因可能有以下几点：

图4 对接处弯矩-盖板应变曲线

图5 非对接处弯矩-盖板应变曲线

(1) 可能由于群栓效应导致，在螺栓翘曲力作用下，螺栓所内盖板的应变变小。

(2) 可能由于翼缘翘曲现象导致，腹板受集中力向下位移导致翼缘沿横向发生弯曲变形，横向受拉纵向受压变形，导致两侧拉应力较中间拉应力小。

3 抗弯承载能力分析

本文采用修正割线法[8]以获得曲线屈服点，如图6所示，屈服点参数见表2。装配式钢围檩屈服弯矩平均值为1 031.6 kN·m，对应屈服挠度值的平均值为87.6 mm，约在跨中挠度达到l/70时达到弹性承载力极限状态，可以看出此种节点连接方式对于抗弯构件来说，达到屈服强度时构件的挠度较大，和整根钢梁[9]相比延性较差，节点处强度无法做到和H型钢等强，故在此节点连接方式基础上通过理论计算设计等强节点。

图6 修正割线法曲线

表2 抗弯承载能力特征值

4 节点等强设计

根据《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)[10]中的表3.5.1可得截面等级为S2截面，根据GB 50017—2017中的6.1.2可知γx=1.05，查阅手册[11]得WX=3 330 cm3，通过以下公式计算：

Mx=fyφbWx=Afyh

(1)

(2)

由公式(1)可得盖板厚度为25.8 mm，取26 mm；由公式(2)可得所需螺栓个数为21.2颗，为加工方便且螺栓抗剪强度安全储备较大，取20颗。等强设计下的盖板尺寸以及螺栓布置如图7所示，相关参数见表3。

图7 盖板尺寸以及螺栓布置

表3 盖板以及螺栓相关参数

5 结 论

(1) 装配式钢围檩的弯矩-跨中挠度曲线分为三个阶段：①弹性阶段：纯弯段弯矩0～800 kN·m，跨中挠度0～60 mm阶段；②弹塑性阶段：纯弯段弯矩800～1 100 kN·m，跨中挠度60～100 mm阶段；③塑性阶段：纯弯段弯矩达到1 100 kN·m至试验结束，跨中挠度100～170 mm阶段。

(2) 受压区范围内左右2根H型钢在对接处相互挤压，与上盖板共同承受压应力。下盖板测点纵向应变呈现两侧应变明显小于腹板下方测点应变，可能由于群栓效应和翼缘翘曲所致。

(3) 通过修正割线法得到装配式钢围檩的屈服点，并以屈服弯矩作为研究抗弯性能的特征值，此种盖板螺栓连接节点下的装配式钢围檩屈服弯矩平均值为1 031.6 kN·m，对应屈服挠度值的平均值为87.6 mm，约在跨中挠度达到l/70时达到弹性承载力极限状态。通过理论计算，可将盖板尺寸增加至26 mm×395 mm×1 150 mm，使用10.9级承压型高强螺栓，并增加螺栓数目，以此方式达到等强。