界面橡膠對(duì)鋼抱箍承載力的影響

黃修平，范世磊，曾 健，陳小龍，顧程磊

(1. 中交第二航務(wù)工程局有限公司， 湖北 武漢 430040；2. 中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司， 湖北 武漢 430040；3. 安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司， 安徽 合肥 230088)

鋼抱箍(圖1)作為一種施工臨時(shí)設(shè)施，廣泛應(yīng)用于承臺(tái)、主梁和蓋梁等構(gòu)件施工中[1～5]。它通過高強(qiáng)螺栓的預(yù)緊力將兩片對(duì)稱的鋼抱箍與墩柱、基樁或臨時(shí)支撐緊貼，使鋼抱箍與被箍構(gòu)件之間的界面產(chǎn)生環(huán)向壓應(yīng)力，進(jìn)而提供強(qiáng)大的摩擦力用以支撐施工平臺(tái)，傳遞施工期間上部結(jié)構(gòu)下傳的荷載，避免搭設(shè)大量支架，克服滿堂支架和穿插鋼棒法的不足。

圖1 鋼抱箍實(shí)際應(yīng)用

鋼抱箍成功實(shí)施的關(guān)鍵是確保抱箍與所箍構(gòu)件之間的界面具備足夠的摩擦力，足以承擔(dān)上部支架傳遞的荷載且留有一定的富余[6～8]。為減少鋼抱箍數(shù)量且能安全抵御高樁承臺(tái)鋼套箱及大體積承臺(tái)混凝土的重量，降低在潮汐環(huán)境中鋼套箱支撐困難問題，針對(duì)溫州甌江口跨海南大橋承臺(tái)施工，范遠(yuǎn)林等[9]詳細(xì)分析了鋼抱箍與鋼護(hù)筒界面摩擦力及其受海水銹蝕影響的時(shí)變規(guī)律，在該工程中將鋼-鋼接觸摩擦系數(shù)由通常的取值0.15提高至0.49，最后將原估算的12套雙抱箍?jī)?yōu)化至6個(gè)?；炷炼罩c鋼抱箍界面之間的橡膠可能改變鋼抱箍的破壞模態(tài)，劉晨旭[10]對(duì)帶牛腿的抱箍進(jìn)行承載力試驗(yàn)，佐證了上述現(xiàn)象。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在鋼抱箍自身破壞前，橡膠墊因顯著的滑移而提前退出工作狀態(tài)。依托實(shí)際工程開展鋼抱箍分析，文獻(xiàn)[11～15]從抱箍開裂原因、溫變對(duì)抱箍承載力的影響、抱箍應(yīng)用場(chǎng)景等多方面進(jìn)行了深入探索，為相應(yīng)工程的鋼抱箍應(yīng)用提供了指導(dǎo)。

為此，通過開展2組6件(每組3件)設(shè)置橡膠墊與否的鋼抱箍對(duì)比試驗(yàn)，基于二者的破壞模態(tài)和承載力比較，詳細(xì)研究界面橡膠墊對(duì)鋼抱箍承載力的影響，為鋼抱箍的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)方案

6套鋼抱箍試件內(nèi)徑均為300 mm，按照是否設(shè)置橡膠墊將抱箍分成2組：無橡膠墊組和橡膠墊組。鋼抱箍和鋼管材質(zhì)為Q235，抱箍壁厚10 mm，所箍鋼管壁厚12 mm。鋼抱箍和所箍鋼管詳細(xì)尺寸如圖2。橡膠墊組在抱箍與鋼管界面之間滿布一厚度為5 mm的丁腈橡膠，無橡膠墊組鋼抱箍?jī)?nèi)表面與鋼管外表面直接接觸。最后，兩組每個(gè)試件均通過4個(gè)8.8級(jí)M20高強(qiáng)螺栓施加預(yù)緊力，各試件詳細(xì)信息見表1。

圖2 鋼抱箍及所箍鋼管/mm

表1 試驗(yàn)構(gòu)件信息

1.2 材料性能及預(yù)緊力

鋼抱箍和鋼管材質(zhì)均為Q235，實(shí)測(cè)鋼材材料力學(xué)性能如表2。螺栓采用8.8級(jí)M20高強(qiáng)螺栓，根據(jù)JGJ 82-2011《鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接技術(shù)規(guī)程》[19]規(guī)定：?jiǎn)蝹€(gè)螺栓最大預(yù)緊力不超過110.0 kN，所施加的螺栓扭矩與預(yù)緊力關(guān)系為：

表2 鋼材力學(xué)性能實(shí)測(cè)參數(shù)

M0=kP0d

(1)

式中：M0為螺栓施加的扭矩(N·m)；k為扭矩系數(shù)(取k=0.13)；P0為高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力(kN)；d為螺栓公稱直徑(mm)。

1.3 加載及測(cè)試

將抱箍?jī)梢碇斡谥ё希ㄟ^電液伺服控制加載裝置將荷載施加于被箍鋼管頂部(圖3)，模擬鋼抱箍實(shí)際受力狀態(tài)。采用位移控制進(jìn)行加載，首先按最大理論荷載的30%，分三級(jí)對(duì)鋼抱箍進(jìn)行預(yù)加載，預(yù)加載完成后采用位移加載，按0.15 mm/min的速率對(duì)鋼抱箍施加載荷，直至抱箍出現(xiàn)破壞，繼而卸載。

圖3 試驗(yàn)加載

在鋼管與抱箍相關(guān)位置分別布置了位移計(jì)(圖4)，試驗(yàn)過程測(cè)試了抱箍承載力和位移。本文以下內(nèi)容所指位移δ皆為測(cè)點(diǎn)n-N-1～n-N-10的平均值，鋼抱箍力F指抱箍所受壓力，即等效為反力架提供的力。

圖4 位移測(cè)點(diǎn)布置

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

無論有無橡膠墊，6個(gè)試件最終破壞均源自于界面滑移。其中，設(shè)置橡膠墊組的3個(gè)試件，抱箍破壞時(shí)，橡膠面出現(xiàn)明顯的剪切滑移磨損現(xiàn)象(圖5)，隨著螺栓預(yù)緊力增大，橡膠面磨損程度加深,磨損范圍顯著增大。

圖5 橡膠墊組界面磨損

無橡膠墊組抱箍與鋼管破壞時(shí)，3個(gè)試件界面特征非常相似，其界面損傷現(xiàn)象雖不如橡膠墊組顯著，但也出現(xiàn)細(xì)微挫傷(圖6，圖中白色為鋼管打磨痕跡，小框內(nèi)為滑移挫傷)。

嚴(yán)格生豬定點(diǎn)屠宰可管理。根據(jù)國家法律法規(guī)，切實(shí)做好生豬定點(diǎn)屠宰管理工作，嚴(yán)厲打擊私宰、違法使用瘦肉精、生豬注水等行為。增加巡檢和抽檢頻率，杜絕病死動(dòng)物上市銷售，構(gòu)建嚴(yán)格的病死動(dòng)物無害化處理機(jī)制。同時(shí)，還應(yīng)該嚴(yán)格落實(shí)屠宰部門的主體責(zé)任，動(dòng)物在屠宰前應(yīng)該進(jìn)行嚴(yán)格的產(chǎn)地檢疫、屠宰檢疫，執(zhí)行進(jìn)場(chǎng)后登記、肉品檢驗(yàn)、瘦肉精自檢等制度[2]；另外，積極推行標(biāo)準(zhǔn)化畜牧養(yǎng)殖模式，加快構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)，強(qiáng)化養(yǎng)殖技術(shù)示范推廣，推行全程標(biāo)準(zhǔn)化管理和畜產(chǎn)品認(rèn)證。

圖6 無橡膠墊組界面磨損

橡膠墊組的3個(gè)試件，在接近極限荷載時(shí)，過程緩慢平靜，無任何明顯聲響。而無橡膠墊組的3個(gè)試件，當(dāng)即將達(dá)到極限荷載時(shí)，首先發(fā)出“砰”的一聲，隨即出現(xiàn)小幅度卸載，緊接著繼續(xù)加載，之后再次出現(xiàn)“砰”聲，再次小幅卸載，如此多次反復(fù)后，抱箍最終進(jìn)入失效狀態(tài)。

3 結(jié)果討論

為進(jìn)一步弄清橡膠介質(zhì)對(duì)抱箍與鋼管界面的影響，基于經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證的數(shù)值模型對(duì)更多設(shè)置橡膠墊與否的鋼抱箍開展分析。抱箍和被箍鋼管材質(zhì)均為Q235，其材料本構(gòu)采用理想的彈塑性模型，彈性模量為2.01×105MPa ，屈服強(qiáng)度為235 MPa ，泊松比為0.3；橡膠為丁腈橡膠，采用Mooney-Rivlin二參數(shù)模型，參數(shù)分別取為C10=0.352，C01=0.027。在圓形抱箍和翼板、加勁肋之間設(shè)置tie約束，并通過“罰”函數(shù)建立界面接觸對(duì)，最后合理劃分單元及網(wǎng)格，有限元模型如圖7所示。

圖7 鋼抱箍有限元模型

基于上述模型首先對(duì)試驗(yàn)試件進(jìn)行承載力對(duì)比分析，如表3所示，計(jì)算得到的兩組鋼抱箍承載力與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值非常吻合，誤差均在5%以內(nèi)，說明該數(shù)值模型可以很好地描述抱箍行為。

表3 計(jì)算最大承載力與實(shí)測(cè)最大承載力對(duì)比

對(duì)設(shè)置橡膠墊與否的鋼抱箍，在不同螺栓預(yù)緊力下進(jìn)行更多樣本的力-位移分析，計(jì)算所得F-δ曲線如圖8所示，其中GG-01～GG-06分別代表無橡膠墊組螺栓預(yù)緊力從50 kN逐漸增到150 kN(單個(gè)螺栓的預(yù)緊力，抱箍單側(cè)共計(jì)兩個(gè)螺栓)；XJ-01～XJ-06分別代表橡膠墊組螺栓預(yù)緊力從50 kN逐漸增到150 kN。

圖8 不同螺栓預(yù)緊力下的F-δ曲線

由圖8可見，抱箍與被箍試件之間是否設(shè)置橡膠墊顯著改變了抱箍受力性能和破壞模式：對(duì)于不設(shè)橡膠墊組的鋼抱箍試件，從加載開始，抱箍位移隨載荷基本呈線性遞增至破壞，且破壞發(fā)生較為突然，抱箍極限承載力與螺栓預(yù)緊力呈正向遞增關(guān)系； 然而，一旦設(shè)置橡膠墊后，鋼抱箍受力后期呈現(xiàn)典型的非線性特征，承載力隨位移緩慢遞增，接近破壞時(shí)，荷載不再提高而位移無法收斂，破壞不會(huì)再瞬間發(fā)生，該組試件的承載力隨螺栓預(yù)緊力也呈正向遞增關(guān)系。

試驗(yàn)所測(cè)得兩組6個(gè)試件的荷載-位移曲線如圖9，圖中01～03試件鋼抱箍與鋼管界面之間設(shè)置了橡膠墊，04～06試件為無橡膠墊組。根據(jù)表1所示的螺栓預(yù)緊力可知，作為直接對(duì)比，兩組試件中預(yù)緊力相同的對(duì)應(yīng)試件為：01試件(橡膠墊)/04試件(鋼-鋼直接接觸)、02試件(橡膠墊)/05試件(鋼-鋼直接接觸)及03試件(橡膠墊)/06試件(鋼-鋼直接接觸)。分析圖8可得出：

圖9 抱箍F-δ曲線

無論是橡膠墊組還是無橡膠墊組，試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算得到的抱箍承載力均隨螺栓預(yù)緊力提高而上升：當(dāng)螺栓預(yù)緊力由50→65→80→100→120→150 kN時(shí)，XJ-01～XJ-06試件的極限承載力由135→175→219→275→330→412 kN，預(yù)緊力提高了200%，橡膠墊組的極限承載力提高了205.2%；GG-01～GG-06試件的極限承載力由245→300→370→462→555→694 kN，預(yù)緊力提高了200%，無橡膠墊組的極限承載力提高了283.3%。對(duì)比兩組試件，無橡膠墊組鋼抱箍的極限承載力顯著大于橡膠墊組，在預(yù)緊力等條件均相同的前提下，GG-01試件的承載力是XJ-01試件的181.48%，GG-02試件的承載力是XJ-02試件的171.43%，GG-03試件的承載力是XJ-03試件的168.95%，GG-04試件的承載力是XJ-04試件的168.00%，GG-05試件的承載力是XJ-05試件的168.18%，GG-06試件的承載力是XJ-06試件的168.45%，平均提高幅度達(dá)71.1%。即同等條件下，鋼抱箍與被箍鋼管直接接觸的承載力是二者界面之間設(shè)置橡膠墊承載力的1.7倍。

從圖9可見，當(dāng)壓力達(dá)到20～30 kN時(shí)(約為極限承載力的10%～15%)，不管界面是否設(shè)置橡膠墊的鋼抱箍結(jié)構(gòu)，其F-δ曲線均出現(xiàn)一個(gè)初始平臺(tái)，此時(shí)位移逐漸增大，承載力幾乎維持不變，該平臺(tái)的位移增幅約為1～1.5 mm。表明鋼抱箍承載力來自于被箍構(gòu)件界面之間的摩擦，這種摩擦力開始階段主要為靜摩擦，此時(shí)鋼抱箍與被箍構(gòu)件界面相對(duì)位移較小，但壓力超過一定幅值后，二者界面出現(xiàn)相對(duì)微小滑移，此階段承載力維持不變。該特征在實(shí)際工程中表現(xiàn)為，在抱箍加載的初期階段，往往存在一個(gè)略微明顯的滑移下降轉(zhuǎn)折點(diǎn)。而數(shù)值計(jì)算結(jié)果并未體現(xiàn)該特征，其與鋼抱箍和被箍試件的界面接觸狀態(tài)及參數(shù)關(guān)系較大，但鑒于實(shí)際界面不可能完全理想全面接觸。因此，建議鋼抱箍的實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)進(jìn)行預(yù)加載且預(yù)加最小荷載不宜小于極限載荷的15%，以減輕直至消除該現(xiàn)象，避免抱箍突然滑落現(xiàn)象。此后，鋼抱箍與被箍構(gòu)件界面獲得新的動(dòng)態(tài)平衡，抱箍承載力大幅度提高。相比橡膠墊鋼抱箍，鋼-鋼直接接觸的抱箍，其界面同等位移下可獲得更高的承載力。故如果在抱箍構(gòu)件制作精良，抱箍外界環(huán)境良好等工程條件下，可以適當(dāng)提高安全系數(shù)以選擇界面鋼材直接接觸。

圖10 鋼抱箍與被箍試件相對(duì)滑移

(3)無論是抱箍與被箍試件之間設(shè)置橡膠墊與否，試驗(yàn)表明從加載至極限荷載的70%左右，抱箍承載力與位移之間大體呈線性關(guān)系(數(shù)值計(jì)算無橡膠墊組全程基本均呈現(xiàn)線性關(guān)系，說明對(duì)無墊的鋼抱箍界面本構(gòu)后期需要考慮非線性特征；橡膠墊組與試驗(yàn)結(jié)果吻合更好)。但無橡膠墊的鋼抱箍其F-δ曲線的斜率明顯大于橡膠墊組，說明同等壓力下，界面設(shè)置橡膠墊后，鋼抱箍與被箍試件之間產(chǎn)生更大的相對(duì)位移。主要是因?yàn)橄鹉z內(nèi)外面均存在相對(duì)滑移，在此過程橡膠墊將隨鋼抱箍發(fā)生移位(圖10，橡膠墊隨著滑移而外露)。此外，當(dāng)施加載荷超過極限荷載的70%后，橡膠墊組的鋼抱箍承載力提高速率迅速降低，增幅放緩，試驗(yàn)中鋼抱箍位移增長(zhǎng)顯著，F(xiàn)-δ曲線表現(xiàn)較為平緩且圓滑。然而，無橡膠墊組，在接近極限荷載前仍然表現(xiàn)為荷載隨位移不斷提高，臨近極限荷載時(shí)，F(xiàn)-δ曲線呈現(xiàn)明顯鋸齒狀(圖9d～9f)。

(4)如上所述，無橡膠墊組的鋼抱箍在接近極限承載力時(shí)，F(xiàn)-δ曲線出現(xiàn)明顯的鋸齒狀，試驗(yàn)中發(fā)出連續(xù)的“砰”聲。如圖11所示，該組抱箍，在極限承載力附近，鋼抱箍與被箍試件界面之間存在不斷的滑移、鎖定交替狀態(tài)，每次滑移使承載力下降約5～20 kN(約占極限承載力的2.5%～10%)，界面震蕩的初期，承載力降幅較小，但隨著震蕩次數(shù)增加，承載力降幅越來越明顯，直至抱箍喪失承載力。而橡膠墊組在接近破壞階段，并無鋼抱箍與被箍試件之間的“震蕩”現(xiàn)象，不會(huì)出現(xiàn)持續(xù)跳躍的動(dòng)態(tài)平衡過程，而是承載力不再增加，但界面滑移持續(xù)增加，直至鋼抱箍失效。

圖11 無橡膠墊抱箍的滑移、鎖定交替“震蕩”F-δ曲線

(5)從兩組試件最終破壞模態(tài)的殘余位移可見，橡膠墊組鋼抱箍與被箍試件的殘余位移分別為6.8，9.2，9.4 mm，平均為8.47 mm，無橡膠墊組的殘余位移分別為2.6，3.6，3.2 mm，平均為3.13 mm。說明界面設(shè)置橡膠墊后，界面剪切剛度大幅度降低，其破壞時(shí)界面殘余位移是不設(shè)橡膠墊抱箍的2.7倍?？梢?，實(shí)際工程中在鋼抱箍與被箍試件之間設(shè)置橡膠墊，用以改善界面緊貼度和避免構(gòu)件局部損傷，但橡膠墊加大了界面滑移量和殘余位移，應(yīng)謹(jǐn)慎設(shè)置諸如橡膠等墊層。

4 結(jié) 論

(1)界面之間的橡膠墊降低了鋼抱箍承載力，在同等螺栓預(yù)緊力下，鋼抱箍與被箍鋼管直接接觸的承載力是二者界面之間設(shè)置橡膠墊承載力的1.7倍。

(2)鋼抱箍與被箍試件的界面設(shè)置橡膠墊后，界面剪切剛度顯著降低，破壞時(shí)界面滑移明顯，殘余位移是不設(shè)橡膠墊抱箍的2.7倍。

(3)無論設(shè)置橡膠墊與否，當(dāng)抱箍所受壓力達(dá)到極限承載力的10%～15%時(shí)，鋼抱箍均存在一個(gè)明顯的滑移過程，此后鋼抱箍從靜態(tài)平衡過渡到動(dòng)態(tài)平衡階段，并保持壓力隨位移逐漸增大的態(tài)勢(shì)，但相比設(shè)置橡膠墊組，無橡膠墊試件在界面同等相對(duì)滑移值下具有更高的承載力。

(4)當(dāng)壓力超過極限承載力的70%后，界面設(shè)置橡膠墊的鋼抱箍承載力隨位移的增長(zhǎng)速率顯著放緩，而不設(shè)橡膠墊的鋼抱箍承載力仍基本保持原有速率而增長(zhǎng)。接近極限承載力時(shí)，不設(shè)橡膠墊的鋼抱箍持續(xù)不斷地發(fā)出“砰”聲，此時(shí)鋼抱箍與被箍試件界面之間存在不斷的滑移、鎖定的交替狀態(tài)，每次滑移使承載力下降約為極限承載力的2.5%～10%，震蕩發(fā)生的初期，承載力下降較小，隨著震蕩次數(shù)增加，承載力降幅越趨顯著，直至抱箍喪失承載力。而設(shè)置橡膠墊后，鋼抱箍接近破壞時(shí)，不發(fā)出“砰”聲，也未出現(xiàn)上述“震蕩”現(xiàn)象，只是承載力不再隨位移增大而增長(zhǎng)。