新型預(yù)制裝配節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算及設(shè)計(jì)方法研究

杜定發(fā)

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 南京分院，南京210019）

1 引言

預(yù)制裝配節(jié)點(diǎn)作為預(yù)制裝配結(jié)構(gòu)的傳力樞紐，直接關(guān)系著整個(gè)裝配式結(jié)構(gòu)的受力性能[1]，在預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用實(shí)踐中，應(yīng)重點(diǎn)加以分析和研究。

本文所研究的2種新型預(yù)制裝配節(jié)點(diǎn)是某風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室混凝土筒體上所使用的2種新型節(jié)點(diǎn)。前期研究階段已對(duì)2種新型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究和數(shù)值分析工作。

2 新型節(jié)點(diǎn)及其試驗(yàn)研究介紹

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室工程主體部分為風(fēng)洞筒體結(jié)構(gòu)，筒體由混凝土預(yù)制板拼裝而成。預(yù)制板體之間由2種新型預(yù)制裝配節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，分別為縱向縫節(jié)點(diǎn)和橫向縫節(jié)點(diǎn)。本文分別命名為節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2，如圖1所示。

圖1 新型節(jié)點(diǎn)詳圖

在本文前期研究階段，已完成了節(jié)點(diǎn)1試件的受拉、受壓、受剪試驗(yàn)研究，以及節(jié)點(diǎn)2試件的受彎、受剪、受拉試驗(yàn)研究，新型節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)加載圖如圖2所示。為使2種新型節(jié)點(diǎn)在實(shí)際工程中有更廣泛和可靠的應(yīng)用，為試驗(yàn)研究的結(jié)果提供參考和補(bǔ)充，本文將對(duì)2種新型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行承載力計(jì)算，并進(jìn)行相關(guān)承載力設(shè)計(jì)計(jì)算方法的分析和研究。

3 承載力分析和計(jì)算

通過(guò)節(jié)點(diǎn)1試件的受拉、受壓、受剪試驗(yàn)研究可知，試件破壞時(shí)，焊縫處未出現(xiàn)任何破壞，滿(mǎn)足承載力要求。對(duì)于鋼棒和鋼板連接處的焊縫強(qiáng)度，可按不焊透的對(duì)接焊縫（單形V形坡口）和對(duì)接焊縫2種情況分別進(jìn)行承載力計(jì)算[2]。

圖2 新型節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)加載圖

3.1 節(jié)點(diǎn)1受拉承載力計(jì)算

節(jié)點(diǎn)1焊縫處為斜角角焊縫（鋼板與圓鋼的夾角約45°）。按不焊透的對(duì)接焊縫計(jì)算，正面角焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值增大系數(shù)βf=1.22 ，焊縫有效厚度he=10mm，焊縫總長(zhǎng)度∑lw=283mm時(shí)，

式中，σ為拉應(yīng)力；N為軸心拉力；fwt為焊縫抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

按對(duì)接焊縫計(jì)算，焊縫長(zhǎng)度lw=290mm,對(duì)接接頭中連接件的較小厚度t=10mm時(shí)，

單根栓釘抗剪承載力根據(jù)式（3）計(jì)算：

式中，Ncv為單根栓釘抗剪承載力設(shè)計(jì)值；As為栓釘釘桿截面面積；Ec為混凝土彈性模量；fc為混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；γ為栓釘材料屈強(qiáng)比；f為栓釘抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

因節(jié)點(diǎn)區(qū)域鋼板一側(cè)有12根栓釘，因此，總承載力為752 kN?？傮w來(lái)說(shuō)，當(dāng)拉力達(dá)到691 kN時(shí)，焊縫處已破壞，承載力建議值為691 kN。

3.2 節(jié)點(diǎn)1受壓承載力計(jì)算

節(jié)點(diǎn)1試件焊縫處受壓承載力計(jì)算同受拉承載力，承載力建議值為691 kN。

3.3 節(jié)點(diǎn)1受剪承載力計(jì)算

根據(jù)試驗(yàn)研究和工程經(jīng)驗(yàn)判斷，節(jié)點(diǎn)1焊縫處的抗剪能力相對(duì)較弱，故只計(jì)算焊縫處受剪時(shí)的承載力。

按不焊透的對(duì)接焊縫計(jì)算，βf=1.0 ，h e=8.4 mm，∑lw=283mm時(shí)，剪應(yīng)力按式（4）計(jì)算，

式中，τ為剪應(yīng)力；fwv為焊縫抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

按對(duì)接焊縫計(jì)算，lw=290mm，t=10mm時(shí)，剪應(yīng)力按式（5）計(jì)算，

根據(jù)計(jì)算，當(dāng)壓力N≥476 kN時(shí)，焊縫處破壞，承載力建議值為476 kN。

3.4 節(jié)點(diǎn)2受彎承載力計(jì)算

節(jié)點(diǎn)2鋼筋拉、壓力作用點(diǎn)距離為0.121 m，如圖1中節(jié)點(diǎn)灌漿區(qū)詳圖所示，荷載作用點(diǎn)離支座距離為0.75 m，如圖3所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)二試件受彎加載示意圖

承載力計(jì)算過(guò)程：

式中，F(xiàn)為節(jié)點(diǎn)鋼筋所受拉力；fy為節(jié)點(diǎn)鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；As為節(jié)點(diǎn)鋼筋截面面積；M為彎矩；P為節(jié)點(diǎn)所受集中荷載；d為節(jié)點(diǎn)鋼筋拉、壓力作用點(diǎn)距離。

根據(jù)計(jì)算，節(jié)點(diǎn)2所受最大彎矩為8.6 kN·m，承載力建議值為11.5 kN。

3.5 節(jié)點(diǎn)2受剪承載力計(jì)算

節(jié)點(diǎn)2試件受剪所受荷載為集中荷載，根據(jù)試驗(yàn)研究可知，試件發(fā)生近支座處斜截面破壞，因此，采用式（6）進(jìn)行承載力計(jì)算[3]。

式中，Vcs為斜截面受剪承載力；λ為剪跨比；ft為軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；b為截面寬度；h0為截面有效高度；fyv為箍筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Asv為箍筋截面面積；s為箍筋間距。

根據(jù)計(jì)算，節(jié)點(diǎn)2試件所受最大剪力為252.6 kN，承載力建議值為252.6 kN。

3.6 節(jié)點(diǎn)2受拉承載力計(jì)算

節(jié)點(diǎn)2試件節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼筋承受拉力，混凝土不承受拉力，承載力計(jì)算過(guò)程如式（7）所示：

根據(jù)計(jì)算，當(dāng)荷載達(dá)到142.4 kN時(shí)，節(jié)點(diǎn)區(qū)破壞。因縱筋間距為200mm，每延米承載力為711.9 kN，因而，承載力建議值為213.6 kN。

綜上所述，2種新型節(jié)點(diǎn)均具有較強(qiáng)的承載力。對(duì)節(jié)點(diǎn)1進(jìn)行受拉、受壓、受彎承載力分析時(shí)，可按照不焊透的對(duì)接焊縫（單形V形坡口）和對(duì)接焊縫2種情況，分別進(jìn)行承載力計(jì)算，承載力極限值取二者之間值。對(duì)于節(jié)點(diǎn)2，受彎承載力計(jì)算可按受拉鋼筋屈服，同時(shí)，考慮部分鋼筋參與抗壓的情形進(jìn)行承載力計(jì)算；節(jié)點(diǎn)2受剪承載力可按普通矩形截面梁承受集中荷載的情形進(jìn)行承載力計(jì)算；節(jié)點(diǎn)2受拉承載力可按受拉鋼筋屈服，同時(shí)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)連接鋼筋的間距考慮其每延米承載力的情形，計(jì)算極限承載力。

4 數(shù)值試驗(yàn)及設(shè)計(jì)方法

為進(jìn)一步科學(xué)地分析2種新型節(jié)點(diǎn)的破壞形式和極限承載力，并提出相應(yīng)設(shè)計(jì)方法，本文采用有限元分析軟件（ABAQUS）結(jié)合2種新型節(jié)點(diǎn)的相關(guān)構(gòu)造特點(diǎn)，建立相關(guān)節(jié)點(diǎn)試件數(shù)值試驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚4]，如圖4所示。本文通過(guò)改變新型節(jié)點(diǎn)試件有限元模型相關(guān)參數(shù)的形式開(kāi)展數(shù)值試驗(yàn)，同時(shí)，根據(jù)2種新型節(jié)點(diǎn)的受力特點(diǎn)及破壞形式，分別提出了相關(guān)承載力設(shè)計(jì)方法[5]，現(xiàn)以新型節(jié)點(diǎn)2受彎數(shù)值試驗(yàn)為例做相關(guān)分析。

圖4 節(jié)點(diǎn)2試件數(shù)值試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

在節(jié)點(diǎn)2受彎數(shù)值試驗(yàn)中，主要考慮節(jié)點(diǎn)區(qū)域節(jié)點(diǎn)單側(cè)受拉鋼筋面積、節(jié)點(diǎn)含剛特征值、灌漿區(qū)截面有效高度等因素，通過(guò)改變相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，并提出節(jié)點(diǎn)2受彎承載力設(shè)計(jì)方法如式（8）所示，相關(guān)分析計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1：

式中，σs為鋼筋屈服強(qiáng)度；A′s為節(jié)點(diǎn)單側(cè)受拉鋼筋面積；ξ為節(jié)點(diǎn)含鋼特征值，0＜ξ＜0.87 ；h0為灌漿區(qū)域截面有效高度。

表1 節(jié)點(diǎn)2受彎承載力計(jì)算值、試驗(yàn)研究結(jié)果和數(shù)值分析結(jié)果

通過(guò)表1可知，根據(jù)式（8）所得計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)研究結(jié)果以及數(shù)值分析結(jié)果基本吻合，即所提設(shè)計(jì)方法可有效應(yīng)用于實(shí)際工程。

5 結(jié)論

本文在2種新型節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)承載力分析和計(jì)算，同時(shí)，通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)，進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)方法分析，并得出以下結(jié)論：

1）依據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果和相關(guān)規(guī)范，對(duì)2種新型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行承載力分析和計(jì)算，其結(jié)果可為試驗(yàn)研究提供相應(yīng)補(bǔ)充。與此同時(shí)，在進(jìn)行承載力計(jì)算時(shí)，因?qū)ο嚓P(guān)因素的考慮還不夠全面，導(dǎo)致其計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有一定的出入。

2）通過(guò)改變新型節(jié)點(diǎn)試件有限元模型相關(guān)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，進(jìn)一步全面了解了2種新型節(jié)點(diǎn)的破壞形式和極限承載力，同時(shí)，提出了相關(guān)設(shè)計(jì)方法。以節(jié)點(diǎn)2受彎數(shù)值試驗(yàn)為例，所提承載力設(shè)計(jì)方法計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)研究和數(shù)值分析的結(jié)果基本吻合，滿(mǎn)足實(shí)際工程應(yīng)用需求。