装配式H型钢支撑轴压承载力研究

李亚文， 李梦飞， 蔡 敏， 李庆中， 朱 华， 周 安

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

0 引 言

随着我国建筑工程技术的发展，装配式H型钢支撑作为一种新型钢支撑体系应运而生，弥补了传统钢管支撑、混凝土支撑的形式比较单一、连接不够方便、在其弯曲平面外刚度较小的缺点。装配式H型钢支撑是一种整体刚度较大、承载力较强、拼接节点全螺栓连接、安装拆除方便、可重复使用的内支撑系统，如图1所示，同时对基坑周边的环境影响小，施工便捷，节约资源，能够满足国家对环境保护的要求[1-4]。

图1 装配式H型钢支撑体系

装配式钢支撑由多根H型钢组合而成，H型钢间以盖板和端板组合成整体，对撑通过横梁和立柱连接，构件连接均采用高强螺栓连接[5]。

由于采用端板和盖板通过高强螺栓连接的节点受力性能的研究并不充分，采用理论计算分析螺栓连接节点对装配式钢支撑的弯曲刚度的影响比较困难，本文通过对装配式H型钢支撑进行弯曲刚度试验，采用等效刚度的方法确定装配式钢支撑的整体弯曲刚度。然后根据文献[6]的规定，确定装配式钢支撑体系轴压承载力的影响系数，进而确定装配式钢支撑体系的轴压承载力。

1 装配式H型钢支撑弯曲刚度试验

1.1 试件设计

装配式H型钢支撑的试件是由2根带有端板的H型钢通过盖板和高强螺栓进行连接形成的构件，节点形式如图2所示，构件的几何尺寸见表1。螺栓采用8.8级M22高强螺栓，螺栓孔的直径为23.5 mm。根据产品质量保证书和文献[7]，H型钢及盖板采用Q355B,屈服强度为375 MPa，极限强度为550 MPa，伸长率为28%，弹性模量为2.1×105N/mm2，泊松比为0.3。

图2 装配式H型钢支撑节点详图(单位：mm)

表1 试件的几何尺寸

1.2 试验加载

装配式H型钢支撑弯曲刚度试验在合肥工业大学结构试验室进行，采用2个油压千斤顶通过2个反力架来实现竖向静力荷载的加载，试验装置如图3所示。

图3 加载装置图(单位：mm)

让构件各部分充分接触，消除安装误差，并验证各测点是否准确和正常工作，以提高试验的准确性。在正式加载前，对装配式钢支撑进行预加载，预加载的荷载值取屈服荷载计算值的5%。正式加载采用先荷载控制后位移增量控制的混合加载方案：在构件达到屈服以前，由于试件的刚度比较大，挠度的增加幅度较小，采用荷载控制加载分级，单边荷载增量约25 kN为一级；当构件屈服后，荷载增加较小而挠度增加较大，采用位移控制加载分级，以跨中竖向位移增加约2 mm为一级。在试验过程中发生下列现象之一即可停止加载：高强螺栓拉断或者连接的盖板和端板发生撕裂、钢构件进入明显的大变形状态、H钢截面加载点出现局部屈曲现象、其他可能出现的意外情况[7]。

2 装配式H型钢支撑等效刚度

为了分析装配式H型钢支撑的弯曲刚度，装配式H型钢支撑的支座和跨中布置5个位移测点，得到单侧千斤顶的荷载-跨中挠度关系曲线，如图4所示。

图4 荷载-挠度曲线图

由图4可知，H型钢截面构件通过盖板和端板用高强螺栓的拼接节点具有一定的半刚性，整个受弯过程中可分为未滑移阶段(OA)、滑移阶段(AB)、线弹性承压阶段(BC)、整体屈服阶段(CD)和破坏阶段(DE)五个阶段。

针对装配式杆，当其最大弯曲挠度与某受力状态相同的匀质杆的最大挠度相同时，则该匀质杆的弯曲刚度称为装配式杆的等效刚度。将等效弯矩刚度与基本构件的弯曲刚度的比值定义为装配式杆的刚度折减系数。进行装配式钢支撑轴压承载力分析时，文献[6]通过引入初始缺陷的方式综合考虑滑移等因素影响，故在分析等效刚度时，仅考虑线性阶段(OA段)的受力情况。

匀质杆跨中挠度理论计算简图如图5所示，公式(1)为跨中挠度理论计算公式。

图5 挠度理论计算简图

(1)

本文选取弹性阶段的A点作为研究对象，根据试验数据得到A点对应的挠度为13.8 mm、荷载为90.6 kN。将挠度带入公式(1)，能够得到同长度基本构件的荷载的理论计算值为253.6 kN。根据公式(1)，能够得到等效弯曲刚度与基本构件弯曲刚度的关系式如公式(2)所示，代入上述数值，得到关系式(3)。

(2)

(EI)eq=0.357EI

(3)

式中：(EI)eq为等效弯曲刚度；EI为H型钢的弯曲刚度；peq为同长度基本构件产生相同跨中挠度的荷载的理论计算值；p为试验实测荷载。

3 装配式H型钢支撑轴压承载力

装配式H型钢支撑的轴压承载力分为绕着强轴的轴压承载力和绕着弱轴的轴压承载力。由于在弱轴方向，装配式钢支撑通过横杆组合成桁架结构，整体刚度比较大，本文仅考虑绕着强轴方向的装配式钢支撑的轴压承载力。

根据文献[6]的规定，代入装配式钢支撑相应的参数，能够得到轴压稳定系数关系式，如下所示：

(4)

(5)

(6)

式中：l为装配式H型钢支撑的计算长度；φ为轴心轴力稳定系数；α2、α3的取值参考文献[6]；A为钢支撑的截面面积；i为回转半径；I为截面惯性矩;λ为长细比。

根据轴压稳定承载力公式(7)，能够得到装配式钢支撑和同长度基本构件的轴压稳定承载力与支撑杆长度的关系曲线，如图6所示。

图6 稳定轴压承载力与支撑杆长度关系

N=φfA

(7)

式中：f为钢材的抗压强度设计值。

由图6可知，同长度基本构件和装配式钢支撑的轴压承载力都随着杆件的增长而减小，并且减小的速率先增大后减小。当杆件长度较小时，同长度基本构件与装配式钢支撑的轴压承载力差别不大，随着杆件的增长两者之间差值先增大后减小；当长度为11～17 m时，同长度基本构件的轴压承载大约为装配式支撑杆的2倍；当长度为17～30 m时，同长度基本构件的轴压承载大约为装配式支撑杆的3倍。

4 结 论

通过对装配式H型钢支撑进行弯曲刚度试验和理论分析，得到以下结论：

(1) 装配式H型钢支撑在受弯过程中具有明显的非线性，经历未滑移阶段、滑移阶段、线弹性承压阶段、整体屈服阶段和破坏阶段五个阶段。

(2) 装配式H型钢支撑的螺栓连接节点会降低基本构件的弯曲刚度，弯曲刚度降低约64.3%。

(3) 当杆件长度较小时，同长度基本构件与装配式钢支撑的轴压承载力差别不大；当构件长度为11～17 m、17～30 m时，同长度基本构件的轴压承载力分别大约为装配式支撑杆轴压承载力的2倍、3倍。