20世纪90年代以来, 我国超高层建筑物不断涌现, 以上海为例, 相继建成了金茂大厦、上海环球金融中心、上海中心等令世界瞩目的超高层建筑, 建筑高度记录不断被刷新。超高层建筑的施工极具挑战性, 难度不言而喻。超高层建筑常采用钢框架-混凝土核心筒的结构体系, 在确保施工质量和安全的同时, 采用何种技术确保施工快速方便和环保是施工单位考虑的关键问题^[1]。上海建工集团通过技术集成与创新, 研发出一套“钢柱筒架交替支撑式液压爬升整体钢平台模架装备”^[2] (简称爬模装备) , 具有工程针对性强、承载力大、可重复使用、施工作业空间全封闭等优点。同时, 爬模装备采用先进的整体顶升液压动力系统, 适应了当前绿色建造的要求和发展趋势。

　　 爬模装备由钢平台系统、大模板系统、脚手架系统、筒架支撑系统和液压爬升系统等五大系统构成^[3,4] (图1) 。其中筒架支撑系统和液压爬升系统是爬模装备最核心的部分, 由爬升导轨钢柱 (开孔箱形钢柱) , 上、下爬升靴组, 液压油缸以及型钢提升装置等部件组成。

　　 爬模装备在施工过程中存在固定工作和顶升两种状态。在顶升状态下, 爬模装备通过液压油缸的顶升作用逐步向上爬升, 整个施工荷载通过上、下爬升靴组传递给爬升导轨钢柱, 而钢柱通过一种特殊构造形式的柱脚传递给下部刚刚浇筑不久的混凝土剪力墙结构^[5]。柱脚包括上、下两个底板, 下底板支承于混凝土剪力墙体上, 剪力墙中裸露在外的竖向抗拔钢筋 (端部加工成螺纹) 穿过柱脚上底板开设的U形槽孔, 再通过螺栓进行紧固连接 (图2) 。

　　 根据施工组织设计要求, 当剪力墙采用C60混凝土浇筑后, 养护时间为13～15h (本文称之为“特早龄期混凝土”) , 即远未达到设计强度时, 就需要将钢柱通过柱脚连接于剪力墙上, 用以顶升钢平台并承受施工作业的荷载^[6]。为确保钢平台能达到施工期间的承载能力和安全, 有必要研究这一特殊条件下柱脚的双向压弯性能及破坏模式, 为钢平台爬升钢柱装配化、重复性地可靠应用提供设计建议。

　　 本文设计了两个完全相同的, 包含一段钢柱的足尺柱脚试件, 构造细节与实际工程一致, 从柱脚下底板向上取3h (h为钢柱截面长边尺寸, 取值为300mm) 作为钢柱试件的长度。钢柱为焊接箱形截面, 尺寸为300×250×20, 定义截面强轴为X轴, 弱轴为Y轴, 见图3。将绕强轴方向进行压弯试验的试件命名为CX, 绕弱轴方向进行压弯试验的试件命名为CY。图4为试件示意图, 柱脚包括上、下两个底板, 并在两者之间设置加劲肋, 其中上底板开设有8个U形槽孔, 供混凝土中的抗拔钢筋穿过并进行螺栓连接。

　　 根据实际工程构造, 钢柱因受弯产生的拉力由螺栓传递给混凝土剪力墙内的竖向抗拔钢筋, 进而传递给结构底部的基础, 受拉侧混凝土不受力。故设计了一个钢箱模板以模拟混凝土剪力墙及竖向抗拔钢筋的实际构造, 如图5所示。钢箱模板内配筋率同实际工程中柱脚底部混凝土剪力墙体内的配筋率保持一致, 钢筋预先绑扎于钢箱模板中并通过点焊进行位置固定, 竖向抗拔钢筋下部弯折后直接焊接于钢箱底部。

　　 钢箱模板内浇筑混凝土后13～15h左右时, 通过螺栓将钢柱试件和抗拔钢筋进行紧固连接, 如图6所示。之后立即开始试验加载。

　　 箱形钢柱采用Q345钢材, 由16, 20mm两种厚度的钢板焊接而成。混凝土中用于柱脚连接的抗拔钢筋采用HRB335级, 钢筋直径为28mm。钢材及钢筋的材料力学性能见表1。钢箱模板中的混凝土采用C60商品混凝土。由于特早龄期混凝土抗压强度具有显著的时变性^[7], 故分别在试验开始加载和停止加载时刻同步测试混凝土的抗压强度, 见表2。

　　 试验在同济大学建筑工程系建筑结构试验室进行, 加载装置采用自平衡钢框架试验系统。以试件CX为例, 加载装置实景图如图7所示。

　　 试件CX, CY的试验加载装置图见图8。试验为竖向恒定荷载作用下施加水平单调荷载的静力破坏试验。竖向加载采用100t液压千斤顶, 千斤顶上端固定于自平衡钢框架上的水平滑动装置, 以实现加载过程中的水平跟动。水平加载采用50t伺服作动器, 作动器通过端板固定于自平衡钢框架。钢柱上端通过连接头分别与千斤顶和作动器进行连接, 柱脚通过螺栓与钢箱模板中伸出的抗拔钢筋进行紧固, 钢箱模板通过螺栓与自平衡钢框架固定。

　　 竖向荷载采用力控制, 分三级加载至300kN, 以模拟实际施工中爬模装备顶升状态时钢柱所受的最大竖向荷载。试验过程中保持竖向荷载不变, 然后施加水平荷载。水平荷载采用位移控制, 以柱顶的水平位移为控制目标进行连续加载直至试件破坏。

　　 试件CX, CY均布置15个位移测点, 试件CX的位移测点示意见图9, 其中位移计D1, D2, D5, D12用于量测水平位移, 位移计D3, D4用于量测竖向位移, 位移计D6～D11用于量测上、下底板的转角, 位移计D13～D15用于试验过程中钢箱模板变形的监测。数据分析表明钢箱模板的位移和转角均很小, 可忽略。试件CX的应变测点布置如图10所示, S表示单向应变片, 其中S1～S8分别位于R1～R8八根钢筋上, 其余应变片位于钢柱截面, 其命名方式为Si-j (i=1～4, j=1～12) , i表示应变片所在截面, j表示编号。试件CY的位移和应变测点与试件CX类似布置, 限于篇幅, 不再给出测点布置图。

　　 试件CX, CY的受力和变形过程相似, 随着柱顶水平位移的增大, 柱脚均不断发生显著的转动变形, 柱脚下底板受拉区逐渐与柱底混凝土脱开, 下底板与混凝土的接触面积逐渐减小。试件CX, CY的最终破坏模式相似, 均表现为:受拉区抗拔钢筋螺纹破坏, 抗拔钢筋端部弯折破坏, 柱脚上底板U形槽孔边缘弯曲破坏, 螺母垫片移位或断裂, 抗拔钢筋脱离柱脚底板边缘的U形槽孔。限于篇幅, 图11仅给出了试件CX的破坏实况。整个加载过程中, 混凝土未发生压碎破坏, 也未产生可见裂纹。

　　 试件的弯矩-转角曲线可反映其抗弯性能。柱脚下底板截面所受到弯矩M由水平荷载F在柱脚下底板产生的弯矩以及竖向荷载P因P-Δ效应而产生的附加弯矩两部分叠加而成, 计算表达式为:

　　 ${\rm M}=F({\rm H}-v)+{\rm P}w(1)$

　　 式中:F为水平荷载;P为竖向荷载;H为柱长;v为柱顶竖向位移;w为柱顶的水平位移。

　　 柱脚转角θ定义为柱脚下底板的转动角度, 根据图12中的几何关系可知:

　　 $\theta =\arcsin \frac{w}{{\rm H}}(2)$

　　 试件CX, CY的弯矩M-转角θ曲线如图13所示。由图13 (a) 可知, 在弯矩达到约200kN·m时, 柱脚弯矩突然减小, 原因是试验加载至此刻, 试件CX中钢筋R5上的螺栓垫片突然从U形槽孔中滑移脱落。由图13 (a) , (b) 可知, 当柱脚弯矩达到极限弯矩附近时曲线开始不断波动, 原因是此时柱脚连接逐渐趋于破坏, 包括螺帽与钢筋间的滑移、螺帽垫片与柱脚底板之间的滑移及螺帽垫片的断裂等。

　　 通过弯矩-转角曲线初始切线的斜率可得到两个试件的柱脚初始抗弯刚度K、极限弯矩M_max, 试件抗弯性能结果如表3所示。由表3可知, 试件CX的初始抗弯刚度比试件CY的大23.3%, 极限弯矩比试件CY大74.2%, 其主要原因是试件CX抗拔钢筋的抗弯力臂大于试件CY的。表3同时给出根据表1计算得到的钢柱截面边缘屈服弯矩M_e。由表3可知, 两个试件的极限弯矩均小于钢柱截面边缘屈服弯矩, 说明试验过程中钢柱试件处于弹性状态, 且钢柱试件的抗弯承载力大于柱脚的抗弯承载力。

　　 图14给出了试件CX中弯矩最大截面 (图9中3-3截面) 东西方向6个应变测点的弯矩-应变曲线, 横坐标为相应测点的应变值, 负值表示压应变, 正值表示拉应变, 纵坐标为截面弯矩M。图中左侧两条竖线分别代表钢柱20mm和16mm厚钢板的屈服应变值, 以便直观判定钢柱截面是否开始进入屈服状态。根据胡克定律f_y=Eε_y, 其中f_y为钢材的屈服强度, ε_y为钢材的屈服应变, E为钢材的弹性模量, 其值取为206GPa。利用表1的数据反算出试件中16mm和20mm两种板厚钢材的屈服应变ε_{y, 16}和ε_{y, 20}分别为1 500με和1 917με, 钢筋的屈服应变为2 233με。

　　 由图14可知, 试件CX的3-3截面东西方向6个应变测点在加载过程中均保持弹性。由于竖向荷载的作用, 所有测点初始应变均为压应变, 随后在水平荷载的作用下, 东侧开始受拉, 西侧进一步受压, 达到极限承载力后, 试件破坏, 曲线不再规则。

　　 图15给出了试件CX的3-3截面南北方向6个应变测点的弯矩-应变曲线, 可知试件CX在加载过程中也均保持弹性。随着截面弯矩的不断增加, 处在中性轴位置的测点S3-2和S3-8逐渐由压应变变为拉应变, 说明截面受拉区不断向西侧扩展。

　　 试件CY弯矩最大截面在东西和南北方向应变测点的弯矩-应变曲线分别与试件CX的图14, 15具有相似的特点, 说明具有相似的受力性能, 限于篇幅, 不再一一赘述。

　　 图16给出了试件CX抗拔钢筋的弯矩-应变曲线, 图中右侧竖线代表钢筋的屈服应变值。需要特别说明的是, 钢筋R3, R4上的测点由于加载不久受到意外干扰而失效, 因而弯矩-应变曲线不完整;钢筋R5处于受拉区最外侧, 其上的测点理应测得最大的拉应变, 但随着水平荷载逐渐增大反而由受拉变成受压状态, 原因在于钢筋R5自身发生局部弯曲变形, 而应变片的位置处于钢筋自身的弯曲受压侧, 这点可由图11 (b) 得到验证。处于受压区的钢筋R1, R8一直保持受压状态且未达到屈服。随着水平力的增加, 受拉区不断扩展, 钢筋R2, R7逐渐受拉。钢筋R6, R7的最大应变值接近屈服应变值, 说明这些钢筋已接近受拉屈服。

　　 图17给出了试件CY抗拔钢筋的弯矩-应变曲线, 可知受拉区中间两根钢筋R2, R3最终进入屈服状态, 而外侧的两根钢筋R1, R4逐渐由拉应变变成压应变, 原因在于钢筋R1, R4自身发生局部弯曲变形, 而应变片的位置处于钢筋自身的弯曲受压侧。处于受压区的四根钢筋R5～R8受力均匀一致, 且均保持弹性状态。

　　 (1) 在实际施工过程中, 钢柱支承于养护13～15h的C60混凝土剪力墙来承受爬升钢平台的施工荷载是可行的, 能满足快速施工的要求。柱脚的构造处理可使其具有足够的双向抗弯能力, 钢柱的承载力设计可考虑这一有利因素。

　　 (2) 柱脚绕两个主轴方向抗弯试验的最终破坏模式均表现为:柱脚受拉侧抗拔钢筋和上底板发生显著变形, 受拉侧抗拔钢筋螺纹破坏, 抗拔钢筋及螺帽脱离柱脚上底板的U形槽孔。

　　 (3) 试验过程中, 钢箱模板中的混凝土未发生压碎破坏, 也未产生可见裂纹。

　　 (4) 钢柱在整个加载过程中均保持在弹性状态, 柱脚受拉侧抗拔钢筋在加载后期逐渐进入屈服状态。

　　 (5) 若需进一步提高柱脚的抗弯能力, 可采取以下构造措施:将原设计的柱脚上底板边缘开口的U形槽孔改为无开口的长圆槽孔, 以增强底板边缘槽孔之间的联系;同时将原设计的柱脚底板厚度20mm以及螺帽垫片厚度进行增大, 以增强柱脚底板的刚度以及螺栓连接的可靠度。