帶型鋼接頭的預(yù)制鋼筋混凝土梁靜力性能研究

陳 坤， 阮海燕

(1.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009；2.安徽鴻路鋼結(jié)構(gòu)(集團(tuán))股份有限公司，安徽 合肥 231131)

0 引 言

裝配式建筑具有施工速度快、施工周期短、節(jié)約勞動(dòng)力和提高建筑質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，符合現(xiàn)代城市建設(shè)綠色施工、環(huán)保高效的理念，為此我國正在大力發(fā)展裝配式建筑，加快建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

預(yù)制構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)過程中，在考慮其安全性和可靠性的同時(shí)，也應(yīng)兼顧施工的便利性，以便裝配式建筑的進(jìn)一步推廣。帶型鋼接頭的預(yù)制鋼筋混凝土梁將型鋼植入傳統(tǒng)鋼筋混凝土梁的端部，其可以通過鋼結(jié)構(gòu)的連接方式與預(yù)制柱進(jìn)行連接，國內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)此也進(jìn)行了一些試驗(yàn)研究與理論分析[1-4]。

現(xiàn)有研究主要是對(duì)簡支邊界條件下的預(yù)制梁構(gòu)件進(jìn)行靜力試驗(yàn)，而實(shí)際工程中多采用剛性連接節(jié)點(diǎn)。因此，本文運(yùn)用ABAQUS 有限元分析軟件對(duì)固定邊界條件下的帶型鋼接頭的預(yù)制鋼筋混凝土梁進(jìn)行了非線性受力分析和破壞模式分析；并通過有限元參數(shù)化分析，探究各擬定因素對(duì)預(yù)制梁初始剛度及承載力的影響。

1 帶型鋼接頭的預(yù)制鋼筋混凝土梁設(shè)計(jì)

預(yù)制鋼筋混凝土梁的幾何尺寸及配筋如圖1所示，預(yù)制梁總長為2100 mm，混凝土梁截面尺寸為250 mm×400 mm，型鋼截面尺寸為H280 mm×160 mm×8 mm×12 mm，結(jié)合段箍筋加密為8@100，加密區(qū)長度為1.5倍的混凝土梁高600 mm。預(yù)埋進(jìn)混凝土的型鋼腹板每側(cè)焊有6個(gè)栓釘，栓釘尺寸為D16mm×70 mm。混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為26.8 MPa，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為2.39 MPa，鋼筋采用HRB400，鋼梁采用Q235。組合段內(nèi)梁縱筋需與型鋼翼緣搭焊，焊縫長度應(yīng)滿足《鋼筋焊接及驗(yàn)收規(guī)程》(JGJ 18-2012)[5]相關(guān)要求。由于荷載作用下，鋼梁段承受的彎矩大于鋼筋混凝土梁，因此，預(yù)制梁按鋼梁的受彎承載力大于混凝土梁的受彎承載力進(jìn)行設(shè)計(jì)，并滿足“強(qiáng)剪弱彎”設(shè)計(jì)原則。

圖1 預(yù)制鋼筋混凝土梁幾何尺寸及配筋

2 有限元模型的建立

2.1 計(jì)算模型與基本假定

采用ABAQUS軟件建立了帶型鋼接頭的預(yù)制鋼筋混凝土梁有限元模型，其中包括混凝土梁、梁鋼筋骨架、型鋼梁和栓釘，如圖2所示。

圖2 預(yù)制鋼筋混凝土梁的有限元模型

有限元模型應(yīng)采用以下基本假定：① 各部位焊縫質(zhì)量良好，不會(huì)發(fā)生脆性破壞；② 帶肋鋼筋與混凝土之間不發(fā)生粘結(jié)滑移；③ 不考慮各部件的幾何缺陷及焊接殘余應(yīng)力。

2.2 材料本構(gòu)關(guān)系

鋼材本構(gòu)關(guān)系采用雙線性強(qiáng)化模型，初始彈性模量為Es，強(qiáng)化段彈性模量取0.01Es。混凝土采用ABAQUS提供的混凝土塑性損傷模型進(jìn)行模擬，混凝土本構(gòu)關(guān)系采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2010)[6]中建議的曲線形式。

2.3 單元選擇與網(wǎng)格劃分

本模型中，梁鋼筋骨架采用桁架單元T3D2進(jìn)行模擬，混凝土梁、型鋼梁和栓釘采用實(shí)體單元C3D8R進(jìn)行模擬。為了提高ABAQUS有限元模型計(jì)算的精度和收斂性，網(wǎng)格劃分的密度和質(zhì)量應(yīng)保證在合理范圍之內(nèi)。本文模型的網(wǎng)格尺寸為30 mm。

2.4 約束與接觸

本模型不考慮焊縫的撕裂現(xiàn)象，采用“綁定(tie)”來模擬鋼材與鋼材之間的焊接作用。不考慮到帶肋鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移，梁鋼筋骨架采用“內(nèi)置區(qū)域(embedded region)”置于混凝土梁中。

為了防止應(yīng)力集中帶來的不利影響，便于梁端施加水平荷載作用，在預(yù)制混合梁上端建立參考點(diǎn)RP，且參考點(diǎn)RP與相應(yīng)的端面建立耦合約束。

2.5 加載方式與邊界條件

本模型的邊界條件為：①模型底端，即鋼梁底端約束X、Y、Z三個(gè)方向的平動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，以模擬固定端邊界條件；②模型頂端，即混凝土梁頂端不施加任何約束，以模擬自由端邊界條件；③模型頂端側(cè)面，在第2.4節(jié)創(chuàng)建的參考點(diǎn)RP上施加梁端水平荷載，為避免在力加載方式下模型計(jì)算導(dǎo)致的不收斂，采用位移加載方式。

3 有限元結(jié)果分析

在預(yù)制鋼筋混凝土梁模型梁端水平荷載-位移關(guān)系曲線上選取特征點(diǎn)，來詳細(xì)介紹其應(yīng)力發(fā)展及破壞情況，如圖3所示。

圖3 預(yù)制鋼筋混凝土梁模型的P-Δ關(guān)系曲線

(1)OA段：處于彈性階段，梁混凝土未發(fā)生開裂，初始剛度也基本保持不變；當(dāng)位移加載至點(diǎn)A時(shí)，梁混凝土與型鋼梁端部之間相互擠壓，造成混凝土兩側(cè)角部出現(xiàn)塑性變形，而與結(jié)合段相鄰的混凝土梁受拉一側(cè)開始出現(xiàn)第一條水平受彎裂縫。

(2)AB段：隨著位移的加載，梁混凝土上的初始裂縫不斷開展，并逐漸向梁中軸線位置延伸，而在沿梁長度方向也不斷形成新的水平彎曲裂縫。當(dāng)位移加載至點(diǎn)B時(shí)，鋼梁底部兩端翼緣邊緣與結(jié)合段相鄰處的縱向鋼筋發(fā)生屈服。

(3)BC段：隨著位移的加載，與結(jié)合段相鄰的梁混凝土塑性應(yīng)變范圍呈現(xiàn)帶狀，并逐漸延伸貫穿整個(gè)混凝土梁截面，實(shí)際表現(xiàn)為該處混凝土裂縫寬度逐漸擴(kuò)大，并不斷延伸和開展，部分混凝土被壓碎。當(dāng)位移加載至點(diǎn)C時(shí)，達(dá)到峰值荷載。

(4)CD段：達(dá)到峰值荷載后，隨著位移的增加，靠近結(jié)合段的梁縱向鋼筋應(yīng)力在累積損傷作用下開始緩慢降低，當(dāng)位移加載至點(diǎn)D時(shí)，承載能力降低到了峰值荷載的85%，視為預(yù)制梁發(fā)生破壞。

預(yù)制鋼筋混凝土梁的最終破壞模式均主要為梁縱向鋼筋屈服、近結(jié)合段梁混凝土壓潰，形成塑性鉸而發(fā)生破壞，如圖4所示。

圖4 預(yù)制鋼筋混凝土梁模型最終破壞模式

4 有限元參數(shù)化分析

為探究梁縱筋配筋率、結(jié)合段的箍筋間距和結(jié)合段鋼梁預(yù)埋長度等擬定參數(shù)對(duì)帶型鋼接頭的預(yù)制鋼筋混凝土梁的承載能力及初始剛度的影響，以上文所建模型為基本模型，進(jìn)行有限元參數(shù)化分析。各不同研究參數(shù)下模型的P-Δ曲線如圖5所示。

4.1 梁縱筋配筋率

如圖5a所示，隨著梁縱筋配筋率的增大，預(yù)制鋼筋混凝土梁的初始剛度和承載能力均逐漸增大，與配筋率0.7%的模型相比， 配筋率1.05%和 1.4%的模型的初始剛度分別提高了5.6%和18.9%，承載能力分別提高了25.8%和45.5%。這說明在本研究的參數(shù)范圍內(nèi)，增大梁縱筋配筋率，預(yù)制鋼筋混凝土梁的承載能力和初始剛度有所越大。

圖5 不同研究參數(shù)下模型的P-Δ曲線

4.2 結(jié)合段箍筋間距

如圖5b所示，隨著結(jié)合段的箍筋間距的減小，間距為100 mm、80 mm和50 mm模型的初始剛度基本不變，承載能力略有增大，但變化幅度很小。這說明在研究參數(shù)范圍內(nèi)，減小箍筋間距可以提高預(yù)制鋼筋混凝土梁的承載能力，但承載力增幅效果不明顯。100 mm結(jié)合段的箍筋間距已經(jīng)可以使得結(jié)合段鋼梁與其周圍的混凝土協(xié)調(diào)工作。

4.3 結(jié)合段鋼梁預(yù)埋長度

如圖5c所示，隨著結(jié)合段鋼梁預(yù)埋長度的增加，預(yù)制鋼筋混凝土梁的初始剛度和承載能力場逐漸增大，與預(yù)埋長度為200 mm的模型相比，長度為300 mm和400 mm模型的初始剛度分別提高了4.4%和7.7%，承載能力分別提高了3.6%和4.7%。這說明在研究參數(shù)范圍內(nèi)，增加結(jié)合段鋼梁預(yù)埋長度可以提高預(yù)制鋼筋混凝土梁的初始剛度和承載能力。

4.4 鋼梁段長度

如圖5d所示，隨著鋼梁段長度的增加，預(yù)制鋼筋混凝土梁的初始剛度略有降低，承載能力逐漸增大，與長度為400 mm的模型相比， 長度增加至500 mm和600 mm時(shí)初始剛度分別提高了2.1%和3.1%，承載能力分別提高了8.2%和11.0%。這說明在本研究的參數(shù)范圍內(nèi)，增加鋼梁段長度，預(yù)制鋼筋混凝土梁初始剛度變化較小，承載能力逐漸提高，但幅度逐漸減小。

5 結(jié) 論

本文建立了固定邊界條件下帶型鋼接頭的預(yù)制鋼筋混凝土梁的有限元數(shù)值模型，并對(duì)其靜力性能進(jìn)行了分析，從中得到了以下結(jié)論：

(1)當(dāng)預(yù)制梁按鋼梁的受彎承載力大于混凝土梁的受彎承載力和“強(qiáng)剪弱彎”原則進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，其最終破壞模式主要為梁縱向鋼筋屈服、近結(jié)合段梁混凝土壓潰，形成塑性鉸而發(fā)生破壞。

(2)在本研究的參數(shù)范圍內(nèi)，增加梁縱筋配筋率和結(jié)合段鋼梁預(yù)埋長度可以提高預(yù)制鋼筋混凝土梁的初始剛度和承載能力；而增加鋼梁段長度，預(yù)制鋼筋混凝土梁初始剛度變化較小，承載能力逐漸提高。

(3)當(dāng)結(jié)合段箍筋間距為100 mm時(shí)，已經(jīng)可以使結(jié)合段鋼梁與其周圍的混凝土協(xié)調(diào)工作，再減小箍筋間距對(duì)其初始剛度和承載能力基本沒有影響。