預(yù)制裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)梁間連接節(jié)點的位置研究

周萬清 門夢飛 張明玉

(1. 三峽大學(xué) 湖北省防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峽大學(xué) 三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖北 宜昌 443002)

預(yù)制裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)梁間連接節(jié)點的位置研究

周萬清1，2門夢飛1，2張明玉1，2

(1. 三峽大學(xué) 湖北省防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峽大學(xué) 三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖北 宜昌 443002)

為了研究預(yù)制裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點的設(shè)置位置問題，運用控制變量結(jié)合數(shù)值模擬的方法，用結(jié)構(gòu)分析有限元軟件SAP2000建立框架模型，研究分析梁的最小主應(yīng)力點的位置．結(jié)果表明：主、次梁截面尺寸、樓板厚度、樓面荷載的變化4因素對中間跨主梁段應(yīng)力極小值點位置(1/4處)影響極小，可以忽略；主梁跨度對應(yīng)力極小值點位置有較小影響，梁兩端極小值點距離最近端點的距離與梁長的比值接近0.25，極差僅為2×10-6，一開間次梁的根數(shù)對主梁應(yīng)力極小值點的影響較大，隨著次梁根數(shù)的增加，梁兩端極小值點距相鄰端點的距離與梁長的比值在0.2～0.25．綜合分析認(rèn)為梁柱連接節(jié)點的最佳設(shè)置位置為梁端1/5～1/4處．

預(yù)制裝配式； 節(jié)點； 位置； 影響因素； 應(yīng)力極值

在預(yù)制裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)中，梁柱連接處是最重要的節(jié)點，它直接影響結(jié)構(gòu)的整體抗震性能．以往的抗震研究主要集中在后澆整體式和預(yù)應(yīng)力拼接等現(xiàn)澆節(jié)點和結(jié)構(gòu)研究，對裝配式節(jié)點和結(jié)構(gòu)的研究很少．各國預(yù)制混凝土相關(guān)抗震規(guī)范中的一些條文規(guī)定和設(shè)計參數(shù)取值缺乏試驗和理論依據(jù)，因此，研究梁柱的連接節(jié)點有著重大的實際意義[1]．

過去對預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的研究中梁柱的連接節(jié)點一般設(shè)置在梁柱連接節(jié)點核心區(qū)位置，即在梁柱的端點位置．韓建強[2]指出了Ersoy將焊接節(jié)點設(shè)置在預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)梁跨中點的設(shè)計思路，日本社團法人預(yù)制建筑協(xié)會編制的《R-PC的設(shè)計》[3]中指出預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)中梁的豎向接合部設(shè)置在梁端部．劉菲菲[4]基于此提出了新型裝配式節(jié)點連接形式-梁跨中處節(jié)點和1/3處連接節(jié)點；此新型節(jié)點的設(shè)置位置與傳統(tǒng)的節(jié)點設(shè)置相比，充分考慮了“強柱弱梁、強節(jié)點弱構(gòu)件”的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的原則，在梁跨中和1/3處梁的主應(yīng)力相對于梁端處減小，減小了連接節(jié)點處的受力，提高了節(jié)點的安全性．

混凝土結(jié)構(gòu)中受力鋼筋的連接接頭設(shè)置在受力較小處[5]．本文運用控制變量結(jié)合數(shù)值模擬的方法，用結(jié)構(gòu)分析有限元軟件SAP2000建立框架模型，研究分析梁的最小主應(yīng)力點的位置；通過分析主梁和次梁的截面尺寸、樓面荷載的大小、樓板的厚度、一開間次梁的根數(shù)、主梁的跨度等6因素的影響，對PC框架結(jié)構(gòu)中節(jié)點的設(shè)置位置做出理論分析確定梁柱連接節(jié)點的最佳設(shè)置位置(如圖1所示)．

圖1 PC框架結(jié)構(gòu)梁柱的連接節(jié)點示意圖

1 建立模型

本文運用有限元軟件SAP2000建立框架模型，分析梁的最小主應(yīng)力點，來確定梁柱節(jié)點與中間跨梁柱的連接節(jié)點的設(shè)置位置．

1)工程概況．模型采用5層預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系，地上建筑5層，無地下室，建筑高度18 m．研究模型擬按照抗震設(shè)防烈度為8度，地震分組為第二組，設(shè)計基本地震加速度值為0.2g，場地類別為第Ⅱ類，混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比取0.05，場地特征周期為0.4 s．

2)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置．模型中混凝土強度等級采用C30，結(jié)構(gòu)受力鋼筋和箍筋均采用HRB400．

3)模型假定．首先，此模型的研究是基于對商場建筑的研究而建立的．其次，框架梁、柱和樓板的均采用自動網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格最大尺寸不超過1.2 m．再次，次梁與主梁的連接處的彎矩釋放形式采用簡支，主梁與柱子的連接形式均為連續(xù)，框架柱與基礎(chǔ)的連接形式采用剛接，最后，荷載采用考慮地震作用下的荷載效應(yīng)組合．

2 中間跨梁柱連接節(jié)點的位置確定

2.1 主梁截面尺寸的變化的影響分析

用SAP2000建立6個框架模型，運用控制變量法，6個模型中次梁截面尺寸、柱截面尺寸、樓板的厚度，建筑的跨度、層高、樓面荷載、一開間次梁的根數(shù)等條件保持不變，以主梁的尺寸大小為控制變量，具體的模型信息見表1．

表1 模型參數(shù)表

分析中間跨的梁BC的最小應(yīng)力點位置隨主梁的截面尺寸變化，為了使結(jié)果更可靠，取邊榀框架和中間榀框架進行分析．在6個有限元模型中分別取1軸框架和3軸框架上BC跨梁主應(yīng)力圖，梁的最大主應(yīng)力圖為平滑的曲線(如圖2所示)，應(yīng)力值變化從梁左端點到右端點變化規(guī)律為：先增大先遞減，再遞增，然后再遞減、再遞增，易得到梁端的兩個極值點的位置和極值的大?。?/p>

圖2 梁的應(yīng)力圖

1軸框架上BC跨右端與3軸框架上BC跨的應(yīng)力極小值點的位置如圖3所示，應(yīng)力極小值大小的變化趨勢和圖3規(guī)律相似．分析認(rèn)為當(dāng)其余設(shè)計參數(shù)不發(fā)生變化時，主梁截面尺寸增加時：1)主梁的應(yīng)力極小值點位置距主梁最近端點的距離基本保持在0.25左右，即中間跨框架梁的主梁截面尺寸的變化對主梁的應(yīng)力極小值點的位置影響極小，可以忽略．2)中間跨主梁的應(yīng)力極小值點大小均隨著梁的截面尺寸的增加而減小．

圖3 1軸框架上BC跨各層梁左端 應(yīng)力極小值點的位置和大小

2.2 樓板厚度變化對應(yīng)力極小值點位置的影響分析

用SAP2000建立6個框架模型，模型數(shù)據(jù)見表1．以樓板的厚度為控制變量，取樓板厚度分別為100、120、150、200、250 mm．

圖4 1軸框架上BC跨各層梁左端 應(yīng)力極小值點的位置和大小

1軸框架上BC跨右端與3軸框架上BC跨的應(yīng)力極小值點的位置如圖4所示，應(yīng)力極小值大小的變化趨勢和圖4規(guī)律相似．1)主梁的應(yīng)力極小值點位置距主梁最近端點的距離基本保持在0.25左右，即中間跨框架梁的主梁截面尺寸的變化對主梁的應(yīng)力極小值點的位置基本沒有影響．2)中間跨主梁的應(yīng)力極小值點大小均隨著樓板厚度的增加而增大．

2.3 次梁截面尺寸的變化對結(jié)果的影響分析

用SAP2000建立5個框架模型，框架結(jié)構(gòu)的跨度(主梁的跨度)取為7.2 m，以次梁為的截面尺寸為控制變量，在次梁的截面尺寸(單位：mm×mm)分別以200×400、200×450、200×500、200×550、200×600逐漸增長、其他變量同表1，得到圖5所示結(jié)果，從而得出以下結(jié)論：1)主梁的應(yīng)力極小值點位置距主梁最近端點的距離基本保持在0.25左右，即中間跨框架梁的主梁截面尺寸的變化對主梁的應(yīng)力極小值點的位置影響很?。?)除了200 mm×400 mm的次梁外，其余條件下主梁的應(yīng)力極小值大小基本恒定．

圖5 1軸框架上BC跨各層梁左端 應(yīng)力極小值點的位置和大小

2.4 樓面荷載的變化對結(jié)果的影響分析

用SAP2000建立兩組框架模型，模型中主次梁截面尺寸、柱子截面尺寸、樓板的厚度、層高、一開間次梁的根數(shù)等條件保持不變，同表1．模型的跨度取為7.2 m，分別以樓面恒荷載大小和活荷載大小為控制變量，第1組模型樓面活荷載取3.5 kN/m2，恒荷載分別取0.5、2.5、4.5、6.5、8.5、10.5 kN/m2，第2組模型樓面恒荷載取2.5 kN/m2，活荷載分別取0.5、1.5、2.5、3.5、4.5、5.5 kN/m2．得到的以恒荷載為控制變量時應(yīng)力極小值點位置和應(yīng)力值如圖6所示．

圖6 1軸框架上BC跨各層梁左端 應(yīng)力極小值點的位置和大小

1軸框架上BC跨右端與3軸框架上BC跨的應(yīng)力極小值點的位置如圖6所示，應(yīng)力極小值大小的變化趨勢和圖6規(guī)律相似．分析認(rèn)為當(dāng)其余設(shè)計參數(shù)不發(fā)生變化時，恒荷載和活荷載分別逐漸增加的條件下，得出以下結(jié)論：1)主梁的應(yīng)力極小值點距主梁最近端點的距離基本保持在0.25，即模型中樓面恒荷載的變化對主梁的應(yīng)力極小值點的位置影響極?。?)中間跨主梁的應(yīng)力極小值點大小均隨著梁樓面恒荷載的增加而增大．

2.5 主梁的跨度變化對結(jié)果的影響分析

用SAP2000建立6個橫跨和縱跨均為四跨的5層框架模型，樓板的恒荷載取2.5 kN/m2，活荷載取3.5 kN/m2．以主梁的跨度的變化為控制變量，主梁的跨度分別取4、5、6、7、8、9 m．

圖7 軸框架上BC跨各層梁左端應(yīng)力 極小值點的位置和大小

除了樓板厚度、主梁截面尺寸、次梁截面尺寸等幾個無關(guān)變量外，在其余設(shè)計參數(shù)不發(fā)生變化時，主梁的跨度從4 m增加到9 m，得到以下結(jié)論：梁的應(yīng)力極小值點隨主梁跨度的變化，應(yīng)力極小值點距梁最近端點的距離有所變化，梁兩端極小值點距離最近端點的距離和梁長的比值為0.249．主梁的跨度大小對主梁的應(yīng)力極小值點的位置有一定的影響，但影響較小，梁兩端極小值點距離最近端點的距離和梁長的比值接近0.25．

2.6 一開間次梁根數(shù)的變化對結(jié)果的影響分析

用SAP2000建立7個橫跨和縱跨均為四跨的5層框架模型，橫跨和縱跨的跨度均為8.4 m，層高3.6 m，主梁的截面尺寸為300 mm×700 mm，次梁的截面尺寸200 mm×500 mm，柱子的截面尺寸為600 mm×600 mm，樓板的恒荷載取2.5 kN/m2，活荷載取3.5 kN/m2．次梁的根數(shù)從0增加到4根時，樓板厚度分別取250、120、100、100、100 mm，在上一小節(jié)中得到結(jié)論樓板的厚度對主梁的極小應(yīng)力點沒有影響，屬無關(guān)變量．

1軸框架上BC跨右端和3軸框架上BC跨的應(yīng)力極小值點的位置和圖8所示相似，應(yīng)力極小值大小的變化趨勢也和上圖相同．綜上所示，除樓板厚度這個無關(guān)變量外，在其余設(shè)計參數(shù)不發(fā)生變化時，次梁根數(shù)從0增加到4時，得到以下結(jié)論：架梁兩端的應(yīng)

力極小值點距最近梁最近端點的距離與梁長的比值隨著次梁根數(shù)的增加，其值在0.2到0.25之間變化．

圖8 軸框架上BC跨各層梁左端 應(yīng)力極小值點的位置和大小

3 結(jié)果分析

通過上述建模分析比較，得出以下結(jié)論：1)主、次梁截面尺寸、樓板厚度、樓面荷載的變化對中間跨主梁上應(yīng)力極小值點位置影響極小，可以忽略，梁兩端極小值點距離最近端點的距離和梁長的比值基本恒定在0.25．2)主梁跨度對應(yīng)力極小值點位置有較小影響，梁兩端極小值點距離最近端點的距離與梁長的比值差僅為2×10-6，梁兩端極小值點距相鄰端點的距離與梁長的比值近似為0.25．3)一開間次梁的根數(shù)對主梁應(yīng)力極小值點的影響較大，隨次梁根數(shù)的增加，梁兩端極小值點距相鄰端點的距離與梁長的比值在0.2～0.25．4)預(yù)制裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)梁柱連接節(jié)點的最佳設(shè)置位置為梁端1/5～1/4處．

[1] 范 力．裝配式預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能研究[D]．上海：同濟大學(xué)，2007．

[2] 韓建強，李振寶，宋曉勝．裝配混凝土框架結(jié)構(gòu)新型連接形式-預(yù)應(yīng)力裝配框架結(jié)構(gòu)的研究[J]．工業(yè)建筑，2009(11)：100-103．

[3] R-PC的設(shè)計[S]．社團法人預(yù)制建筑協(xié)會．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012．

[4] 劉菲菲，張紀(jì)剛，于德湖，等．預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)新型梁連接節(jié)點設(shè)計與分析[J]．施工技術(shù)，2015(15)：44-47．

[5] GB50010-2010．凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011．

[責(zé)任編輯 周文凱]

Research on Positions of Beam and Column Joints of Precast Concrete Structures

Zhou Wanqing1，2Men Mengfei1,2Zhang Mingyu1,2

(1. Key Laboratory of Disaster Prevention & Mitigation of Hubei Province, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China; 2. Collaborative Innovation Center for Geo-hazards and Eco-environment in Three Gorges Area of Hubei Province & Architecture, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

In order to research the optimum positions of the joints in the precast concrete frame structure, the control variable method is used considering the main beam and secondary beam section sizes, floor load size, floor thickness, number of secondary beams, span of main beam and other factors; 6 groups of finite element framework models are built by SAP2000. Through analysing the positions of minimum stress of main beams, the positions of joints the beam and the column are determined. The results show that： the size of the main and secondary beams, the slab thickness, the changes of the surface load has little influence on the minimum stress point of the middle span girder; so it can be ignored; the main beam span has a certain impact on position of minimum stress; the minimum difference ratio of the closest endpoint distance and the beam length is only 2×10-6. The number of the secondary beam in a room inside has a great impact on the influence. with the increase of the secondary beam number, the ratio of the closest endpoint distance and the beam length ranged from 0.20 to 0.25. Finally, the precast concrete frame structure joints of beam and column sets in the distance about 1/5 to 1/4 points.

precast; joint; position; influence factors; stress extreme value

2017-01-08

國家自然科學(xué)基金(51608303，41102187)

周萬清(1978-)，男，副教授，博士，全國一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，主要從事土木工程的教學(xué)和科研．E-mail：zhouwq1978@163.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.03.008

TU375

A

1672-948X(2017)03-0036-04