整体钢平台模架竖向支撑装置搁置部位混凝土结构局部承压受力性能研究

王庆春 王小安

1. 上海建工集团股份有限公司 上海 200080；

2. 上海高大结构建造工艺与装备工程技术研究中心 上海 201114

整体爬升钢平台模架是当前我国超高层建筑施工的主要施工装备之一，为提高施工效率，其附墙支撑装置一般为采用伸缩式承重销的竖向支撑装置[1]。承重销搁置支撑于混凝土预留洞口内，将整体钢平台模架的竖向荷载传递给混凝土结构，因此，承重销接触部位混凝土的局部承压能力直接决定了竖向支撑装置的竖向承载能力。由于受到加工组装误差以及与竖向支撑装置连接的钢梁受力变形等多重因素的影响，承重销受力后底面与混凝土接触面会形成一定的倾角，将影响混凝土墙体的局部承压能力。本文对竖向支撑装置承重销与混凝土墙体之间倾斜接触状态下的局部承压性能进行深入分析，研究增设间接钢筋及预埋钢板等方式对混凝土局部承压能力的影响，从而提出改善混凝土墙体局部承压承载力的有效措施[2-3]。

1 理论分析

承重销搁置部位处混凝土结构的局部承压面积由承重销的宽度及搁置于混凝土墙体的长度决定。在混凝土抗压强度已知的情况下，局部承压面积决定了此处混凝土局部承压承载力大小。局部承压面积越大，则对局部承压越有利，但同时也意味着需要增大预留洞口的尺寸，导致混凝土墙体竖向钢筋截断根数增多，不利于混凝土结构受力。

竖向支撑装置承重销搁置支撑处的混凝土结构受力通常可按照GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》给出的局部承压公式计算[4]，式（1）～（3）分别为素混凝土局部承压承载力、配置间接钢筋的混凝土局部承载承压面积验算及配置间接钢筋的混凝土局部承压承载力计算公式。

F ι≤ω βlfccAl（1）

由于承重销存在一定的倾角，实际情况承重销与混凝土接触压力并非为理想的均匀分布，靠近洞口外侧的接触压力明显较内侧大，如图1所示。

图1 承重销与混凝土墙体倾斜接触

对倾角进行分组，从①号到⑥号倾角逐渐增大，如图2所示。不同倾角的承重销接触混凝土表面时，混凝土的应变沿着局部承压长度方向而变化，如图3所示。虽然混凝土的应变沿承压长度方向呈线性变化，但混凝土本构模型为非线性，导致接触面的混凝土应力分布随着倾角的增大发生非线性改变。当没有倾角时，承重销与混凝土直接面-面接触，混凝土应力在承压长度方向成均匀分布。当倾角逐渐增大时，先接触的部位应力增大，达到峰值应力后，应力降低。后接触的部位应力逐渐增大，当达到最大应力后降低。后接触部位应力达到最大值时，混凝土墙体已无法承受更大荷载。此时的倾角为混凝土墙体在此荷载作用下的允许最大倾角。若倾角继续增大，则在该荷载作用下混凝土墙体将无法承载，如倾角⑤、倾角⑥。

图2 不同倾角混凝土应变示意

图3 不同倾角混凝土应力示意

考虑到接触压力不均的影响，GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》对混凝土墙体局部承压承载力进行折减或增加侧向预埋钢板以抵消倾角的影响。增加侧向钢板的措施是将侧向钢板与锚固钢筋焊接并预埋于混凝土墙体内，让承重销首先与侧向钢板接触。

取侧向钢板作为隔离体分析其受力情况。侧向预埋钢板顶部受到承重销的压力F1，侧边受到预埋钢筋竖向的支撑力F2，底部混凝土对其有施加支撑作用力F3，3种力处于平衡状态，如图4所示。底部混凝土的支撑力的最大值为接触的素混凝土局部承压承载力，由式（1）决定。侧向钢板顶端受到的压力最大值为顶端屈服时的压力值，由承压面积和钢板屈服强度决定。侧向钢板侧向锚固钢筋提供的支撑力需大于顶端屈服时的压力与底部最大混凝土支撑力的差值即可。从以上分析可知，在侧向预埋钢板锚固钢筋足够的情况下，侧向钢板的厚度决定钢板顶端屈服时的荷载值，是影响混凝土墙体局部承压能力的重要参数。

图4 侧向预埋钢板受力示意

2 数值分析

2.1 模型建立

选取长5 000 mm、高5 000 mm、厚250 mm的混凝土墙体建立有限元分析模型，在其顶端居中放置承重销。承重销宽度为135 mm，搁置于混凝土墙体内的长度为200 mm。混凝土材料本构采用塑性损伤模型，强度等级选为C35。模型及边界条件如图5（a）所示，约束混凝土墙体的侧向位移，释放其竖向位移，约束承重销与前端板接触位置竖向位移及其尾端的竖向位移，在混凝土墙体下方施加向上荷载，在承重销与混凝土之间设置接触单元[5-8]。

间接钢筋网片采用φ8 mm钢筋，共设置4层，间距为50 mm，网片横向5排、纵向6排钢筋，具体尺寸为160 mm×300 mm，如图5（b）所示。

为研究侧向预埋钢板的参数对承载力的影响，分别变换侧垫板高度和厚度参数，建立相应模型，如图5（c）所示。侧向预埋钢板高度参数设置3种，分别为135、202、270 mm，分别为侧垫板宽度的1倍、1.5倍、2倍，如图6所示。侧向预埋钢板厚度设置3种，分别为5、10、15 mm。

图5 混凝土墙体局部承压计算模型

图6 荷载-变形曲线

考虑承重销倾斜角度，增加间接钢筋网片以及增加侧向预埋钢板3种因素分别建立模型进行计算分析，并将各模型进行编号，编号形式为C-X1-X2-X3：X1值代表有无配置间接钢筋，0为没有配置间接钢筋，1为配置间接钢筋；X2值代表侧向钢板型号，0为未配置侧向钢板，1为配置厚5 mm、宽135 mm侧向钢板，2为配置厚10 mm、宽135 mm侧向钢板，3为配置厚15 mm、宽135 mm侧向钢板，4为配置厚10 mm、宽202 mm侧向钢板，5为配置厚10 mm、宽270 mm侧向钢板；X3值代表倾斜角度，0为未倾斜，1为倾斜0.062 5°，2为倾斜0.125°，3为倾斜0.25°，4为倾斜0.5°，5为倾斜0.75°，6为倾斜1°。

2.2 计算结果

素混凝土墙体的荷载-变形曲线见图6（a）。素混凝土墙体的局部承压能力较弱，且对于承重销的倾斜接触较为敏感，当承重销倾角逐渐增大时，混凝土墙体的局部承压承载力迅速降低。随着承重销倾斜角度增大，荷载-变形曲线在初始位置出现水平段，说明此时靠近边沿处混凝土已经被压坏，刚度急剧下降。实际施工时承重销的倾斜难以避免，且混凝土强度提高对于墙体局部承压能力提高较弱，故对于大荷载，素混凝土墙体局部承压能力无法满足要求，需在墙体内增加间接钢筋。

仅配置间接钢筋网的墙体受压荷载-变形曲线见图6（b）。相比于素混凝土墙体，配置间接钢筋的墙体局部承压能力得到大幅提高。但随着承重销倾斜角度的增加，荷载-位移曲线同样在较小荷载作用下就出现水平段，边缘部位的混凝土先发生压坏现象。这说明，配置间接钢筋网仅对小倾角状态下的局部受压性能有提高效果。

仅配置预埋侧向钢板的墙体受压荷载-位移曲线见图7（a）、图7（c）、图7（e），可以看出，相比于素混凝土墙体，配置预埋钢板的混凝土墙体在承重销倾斜接触状态下的局压承载力得到明显提升。侧向钢板的厚度从5 mm到15 mm，随着倾斜角度的增加，厚5 mm侧向钢板模型的刚度急剧退化时荷载值约为400 kN，而厚10 mm侧向钢板模型的刚度急剧退化时荷载值约为500 kN，厚15 mm侧向钢板刚度急剧退化时荷载值约为600 kN。刚度退化之后钢板与混凝土共同受力，承载力可继续增加。因此，在混凝土墙体率先与承重销接触的边缘部位配置侧向钢板，能够有效解决承重销倾斜接触承压的问题。

图7 预埋侧向钢板后荷载-变形曲线

同时预埋侧向钢板和间接钢筋网片后，墙体受压的荷载-位移曲线如图7（b）、图7（d）、图7（f）所示。承载力相对于只预埋侧向钢板、只配置间接钢筋均有明显提高。此外，为分析预埋侧向钢板高度对局压承载力的影响，将钢板厚度设定为10 mm，变化取高度分别为135、202、270 mm进行分析。计算得到钢板高度为202、270 mm的荷载-变形曲线见图8（a）、图8（b），可以看出，钢板高度的变化对墙体的局部承压承载力影响不明显。

图8 不同侧向钢板高度条件下荷载-变形曲线

3 结语

1）素混凝土墙体的局部承压能力较差，且与承重销轻微倾斜接触则承载力急剧降低，实际工程中应避免采用素混凝土墙体作为直接搁置支撑结构。

2）混凝土墙体内配置间接钢筋能够显著改善混凝土墙体的局部承载力，且对于混凝土墙体与承重销倾斜接触时，混凝土墙体的局部承压能力增强明显。

3）混凝土墙体内配置侧向钢板能显著改善混凝土墙体与承重销倾斜接触时的局部承压能力，实际工程中可在混凝土墙体内增加侧向预埋钢板应对承重销倾斜接触问题。