全預(yù)制主次梁節(jié)點(diǎn)做法分析

陳 悅，華 良

（上海中森建筑與工程設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司，上海 200062）

0 引言

在強(qiáng)調(diào)節(jié)能降碳、推動(dòng)城市綠色發(fā)展的今天，裝配式建筑全干法施工的建造方式憑借其低污染、低能耗、高效益、高質(zhì)量、周期短、成本較優(yōu)等優(yōu)勢(shì)引起業(yè)內(nèi)專(zhuān)家的廣泛關(guān)注，但因多種因素影響，在裝配式混凝土建筑中應(yīng)用并不普遍，并未形成體系。在裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)的性能強(qiáng)弱是決定建筑體系的關(guān)鍵因素[1-4]。目前裝配式建筑中混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)形式多樣，可大致分為兩大類(lèi)：等同現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)（濕法）和螺栓或焊接節(jié)點(diǎn)（干法）。等同現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)根據(jù)是否需要對(duì)節(jié)點(diǎn)施加預(yù)應(yīng)力，主要分為預(yù)應(yīng)力拼接節(jié)點(diǎn)與后澆整體式節(jié)點(diǎn)兩種節(jié)點(diǎn)形式；裝配式節(jié)點(diǎn)依據(jù)鋼材之間連接方式的不同可分為螺栓連接節(jié)點(diǎn)和焊接節(jié)點(diǎn)。

張建等[5-7]開(kāi)展基于疊合構(gòu)件主次梁節(jié)點(diǎn)的研究及相應(yīng)的實(shí)踐。其基本是通過(guò)現(xiàn)澆段、槽口、牛腿擱置等做法實(shí)現(xiàn)連接。但全預(yù)制主次梁節(jié)點(diǎn)連接的研究很少?？紤]到混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)際工程應(yīng)用中，理想化的鉸接受力模式很難實(shí)施，本文提出兩種新型主次梁連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)：鉸接節(jié)點(diǎn)和半剛接節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)有限元軟件模擬分析這兩種連接節(jié)點(diǎn)下的應(yīng)力分布情況，并對(duì)兩種新型主次梁連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，細(xì)化構(gòu)造做法。

1 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

研發(fā)新型裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)全預(yù)制主次梁連接節(jié)點(diǎn)，目標(biāo)是能滿足主次梁傳遞內(nèi)力需要，構(gòu)造簡(jiǎn)單，且傳力路徑盡可能直接；安裝簡(jiǎn)便，利于工人操作；要有保證防預(yù)制構(gòu)件塌落措施。

1.1 節(jié)點(diǎn)模型設(shè)計(jì)

1）新型主次梁鉸接節(jié)點(diǎn)模型設(shè)計(jì) 新型主次梁鉸接節(jié)點(diǎn)如圖1所示，其設(shè)計(jì)原理是預(yù)制主梁與預(yù)制次梁通過(guò)將主梁中的預(yù)埋鋼筋插入次梁的預(yù)留螺紋盲孔中即可完成連接，同時(shí)預(yù)留鋼筋可預(yù)防預(yù)制構(gòu)件滑落。在該新型節(jié)點(diǎn)建模分析設(shè)計(jì)中，預(yù)制主梁截面尺寸為500mm×250mm，預(yù)制次梁尺寸為400mm×200mm，主次梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30；預(yù)制主梁上側(cè)面設(shè)有牛腿，預(yù)制次梁擱置在牛腿上，預(yù)埋鋼筋設(shè)置在牛腿中，預(yù)埋連接鋼筋直徑16mm（HRB400，伸出長(zhǎng)150mm）；預(yù)制次梁上預(yù)留螺紋盲孔直徑為50mm。預(yù)埋鋼筋插入螺紋盲孔后，再在孔洞內(nèi)灌注高強(qiáng)灌漿料。

圖1 新型主次梁鉸接節(jié)點(diǎn)

2）新型主次梁半剛性節(jié)點(diǎn)模型設(shè)計(jì) 新型主次梁半剛性節(jié)點(diǎn)如圖2所示，連接處由鋼板、螺栓組成，局部采用高強(qiáng)砂漿灌注密實(shí)，該節(jié)點(diǎn)具有一定的抗彎能力。在有限元模型設(shè)計(jì)中，預(yù)制主梁截面尺寸為500mm×250mm，預(yù)制次梁截面尺寸為400mm×200mm，主次梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30；預(yù)制主梁上側(cè)面設(shè)有牛腿，預(yù)制次梁擱置在牛腿上；主梁與次梁上部設(shè)有凹槽，槽內(nèi)設(shè)有270mm×80mm×6mm的鋼板，試件鋼材均為Q345鋼；螺栓采用10.9級(jí)M16高強(qiáng)螺栓。

圖2 新型主次梁半剛性節(jié)點(diǎn)

1.2 加載方案

本設(shè)計(jì)模型通過(guò)加載集中荷載在次梁上表面中心點(diǎn)的位置，將主梁兩端設(shè)為剛接、次梁端部邊界條件設(shè)為鉸接模擬設(shè)計(jì)受力工況。為使結(jié)果更能反映節(jié)點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)力變化情況，結(jié)合工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，模擬集中荷載取600kN。

2 有限元分析

2.1 數(shù)值模型建立

2.1.1 新型鉸接節(jié)點(diǎn)模型

分析選用ABAQUS數(shù)值模擬平臺(tái)，基于新型主次梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，數(shù)值模擬具體做法如下。

1）創(chuàng)建部件 根據(jù)各部件的幾何形狀，創(chuàng)建主梁、次梁、預(yù)埋鋼筋3個(gè)部件。

2）設(shè)置材料和截面特性 主要研究荷載作用下主次梁及連接處的應(yīng)力變化情況，所有部件均為彈性體?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C30，預(yù)留插筋為HRB400，彈性模量、泊松比及屈服強(qiáng)度采用現(xiàn)行規(guī)范提供數(shù)值。主梁、次梁截面特性為Solid單元，預(yù)埋鋼筋則為T(mén)russ單元，并設(shè)置鋼筋截面為201mm2。

3）部件組裝 在Assembly模塊中，將主梁、次梁、連接件等部件在統(tǒng)一的整體坐標(biāo)系中進(jìn)行裝配，使其成為一個(gè)整體。

4）定義分析步 在Initial初始步之外，定義Step2用來(lái)設(shè)置主次梁接觸條件，并定義Step3以給裝配件施加荷載。

5）定義接觸面性質(zhì) 在新型鉸接節(jié)點(diǎn)和新型半剛性節(jié)點(diǎn)研究中，為使新型主次梁連接節(jié)點(diǎn)的分析結(jié)果能夠更加直觀地反映節(jié)點(diǎn)構(gòu)造對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響，將主梁與次梁間的水平接觸面設(shè)為無(wú)摩擦，具體做法為：選擇Contact作為相互作用屬性的類(lèi)型，并定義其Tangential Behavior（切向?qū)傩裕闊o(wú)摩擦，而后對(duì)主梁與次梁之間的接觸面定義為面-面接觸，并賦予以上接觸屬性。預(yù)埋鋼筋截面特性為T(mén)russ，且插入鋼筋后的螺紋盲孔做灌漿處理，因此鋼筋在模型中應(yīng)嵌固在主、次梁中，具體處理為：分別對(duì)主梁和次梁定義一個(gè)Embedded Region嵌固約束，將主梁、次梁設(shè)為Host Region被嵌入?yún)^(qū)域，鋼筋分為兩段，均設(shè)為Embedded Region嵌入體，從而將鋼筋分別嵌固進(jìn)主、次梁中。

6）施加載荷和邊界條件 在Initial初始步中定義邊界條件：主梁梁兩端為剛接，次梁端部設(shè)為鉸接。集中荷載大小為600kN施加在次梁上表面中心點(diǎn)的位置，具體做法為：在次梁上表面中心點(diǎn)位置設(shè)置參考點(diǎn)RP-1，定義一個(gè)Coupling耦合約束，將參考點(diǎn)RP-1與次梁上表面耦合，后定義荷載類(lèi)型為集中荷載Concentrated Load，大小為600kN，施加在參考點(diǎn)上，從而將集中荷載施加在次梁上。

7）劃分網(wǎng)格 主、次梁的種子密度為0.025mm，預(yù)埋鋼筋種子密度為0.01mm。主次梁間面-面接觸無(wú)摩擦，為小位移無(wú)接觸問(wèn)題，因此主次梁?jiǎn)卧獮镃3D10四面體二次單元；而鋼筋截面特性為T(mén)russ，其單元類(lèi)型為T(mén)3D2三維二節(jié)點(diǎn)桁架單元。

8）分析作業(yè) 檢查數(shù)據(jù)后提交作業(yè)。

2.1.2 新型半剛性節(jié)點(diǎn)模型

基于新型主次梁半剛性節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，數(shù)值模擬具體做法如下。

1）創(chuàng)建部件 創(chuàng)建主梁、次梁、鋼板、螺栓4個(gè)部件。由于本分析并不考慮螺栓對(duì)鋼板的受力影響，因此將鋼板與螺栓通過(guò)Merge命令形成整體。

2）設(shè)置材料和截面特性 本模型主要研究荷載作用下主次梁及連接處的應(yīng)力變化情況，所有部件均為彈性體。主梁和次梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，鋼板為Q345B，螺栓采用10.9級(jí)M16螺栓，彈性模量、泊松、屈服強(qiáng)度等采用現(xiàn)行規(guī)范提供數(shù)值。主梁、次梁、鋼板及螺栓截面特性均為Solid。

3）部件組裝 在Assembly模塊中，將主梁、次梁、連接件等部件在統(tǒng)一的整體坐標(biāo)系中進(jìn)行裝配，使其成為一個(gè)整體。

4）定義分析步 在Initial初始步之外，定義Step2用來(lái)設(shè)置主次梁接觸條件，并定義Step3以給裝配件施加荷載。

5）定義接觸 與新型鉸接節(jié)點(diǎn)模型相似，將主梁與次梁間的接觸面設(shè)為無(wú)摩擦，具體做法為：選擇Contact作為相互作用屬性的類(lèi)型，并定義其Tangential Behavior（切向?qū)傩裕闊o(wú)摩擦，而后對(duì)主梁與次梁之間的接觸面定義為面-面接觸，并賦予以上接觸屬性。除定義主次梁間的面-面接觸為無(wú)摩擦外，鋼板與主次梁接觸面也設(shè)為面-面接觸無(wú)摩擦，螺栓則作為嵌入體分別嵌固在主梁和次梁中。

6）施加載荷和邊界條件 在Initial初始步中定義邊界條件：主梁梁兩端為剛接，次梁端部設(shè)為鉸接。集中荷載大小為600kN施加在次梁上表面中心點(diǎn)的位置，具體做法為：在次梁上表面中心點(diǎn)位置設(shè)置參考點(diǎn)RP-1，定義一個(gè)Coupling耦合約束，將參考點(diǎn)RP-1與次梁上表面耦合，后定義荷載類(lèi)型為集中荷載Concentrated Load，大小為600kN，施加在參考點(diǎn)上，從而將集中荷載施加在次梁上。

7）劃分網(wǎng)格 主、次梁的種子密度為0.025mm，鋼板與螺栓組件種子密度為0.02mm。且主梁、次梁及鋼板螺栓組件單元均為C3D10四面體二次單元。

8）分析作業(yè) 檢查數(shù)據(jù)后提交作業(yè)。

2.2 模型模擬結(jié)果分析

2.2.1 新型主次梁鉸接節(jié)點(diǎn)模擬結(jié)果分析

結(jié)合主梁、次梁及預(yù)埋鋼筋的應(yīng)力壓力分布云圖進(jìn)行模擬結(jié)果分析。

1）主梁設(shè)置牛腿處，由于次梁傳力的偏心作用受力，從而對(duì)主梁產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

2）牛腿邊緣處由于端部直角原因，在次梁產(chǎn)生變形時(shí)，對(duì)其有局部擠壓；牛腿根部由于主次梁之間密接，次梁旋轉(zhuǎn)小變形造成局部應(yīng)力集中。

3）在次梁端部牛腿應(yīng)力集中的接觸處也相應(yīng)出現(xiàn)應(yīng)力集中，受力不利。原因同牛腿應(yīng)力集中。

4）預(yù)埋鋼筋在接縫處出現(xiàn)明顯局部變形，這表明雖然簡(jiǎn)化為鉸接，但實(shí)際工作中由于梁端部的小角位移變形下，預(yù)留插筋實(shí)際受到交界面的水平力。

2.2.2 新型主次梁半剛性節(jié)點(diǎn)模擬結(jié)果分析

結(jié)合主梁、次梁及連接組件的應(yīng)力分布云圖進(jìn)行模擬結(jié)果分析。

1）主梁設(shè)置牛腿處由于次梁傳力的偏心作用受力，從而對(duì)主梁產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；頂部鋼板螺栓連接處出現(xiàn)局部應(yīng)力集中。

2）與新型主次梁鉸接節(jié)點(diǎn)模擬計(jì)算結(jié)果相似，均有局部應(yīng)力集中情況。但缺口梁壓因上部鋼板受拉，下部受壓區(qū)域發(fā)展較為充分，應(yīng)力也較大。鋼板處有局部應(yīng)力集中及拉應(yīng)力。

3）連接組件由鋼板與螺栓組成，鋼板中心處受拉。在鋼板與螺栓連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中。

2.3 節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

2.3.1 新型主次梁鉸接節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

1）對(duì)于主梁與次梁?jiǎn)蝹?cè)連接的節(jié)點(diǎn)，由于次梁的偏心作用而對(duì)主梁產(chǎn)生扭矩，因此這種情況下，主梁兩端應(yīng)增加抗扭設(shè)計(jì)，加強(qiáng)抗扭措施。

2）次梁端預(yù)埋插筋有明顯的剪切變形，在插筋及預(yù)留孔周邊做構(gòu)造加強(qiáng)。

3）牛腿外邊緣直角邊局部應(yīng)力集中是次梁在變形過(guò)程中對(duì)牛腿擠壓造成，因此此處宜在牛腿邊緣做倒角或找平砂漿內(nèi)退，在主次梁連接處留縫并用柔性材料填充，給次梁變形留出緩沖空間。

4）在鉸接支座中，采用次梁和主梁接觸面用柔性材料隔離，削弱應(yīng)力集中。如圖3所示。

圖3 新型主次梁鉸接節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

2.3.2 新型主次梁半剛性節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

1）對(duì)于主梁與次梁?jiǎn)蝹?cè)連接的節(jié)點(diǎn)，由于次梁的半剛性節(jié)點(diǎn)及偏心作用而對(duì)主梁產(chǎn)生扭矩，因此這種情況下，主梁兩端應(yīng)增加抗扭設(shè)計(jì)，加強(qiáng)抗扭措施。

2）新型半剛性節(jié)點(diǎn)能夠承受一定的彎矩，即力偶矩。根據(jù)數(shù)值模型可知，鋼板受拉，主梁與次梁接觸處應(yīng)采用高強(qiáng)漿料灌實(shí)，提供受壓面，使受力平衡。

3）因螺栓周邊產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，所以次梁端部、主梁預(yù)埋螺栓周邊應(yīng)做構(gòu)造加強(qiáng)。

4）牛腿外邊緣直角邊局部應(yīng)力集中是次梁在變形過(guò)程中對(duì)牛腿擠壓造成的，因此此處宜在牛腿邊緣做倒角或找平砂漿內(nèi)退，在主次梁連接處留縫并用柔性材料填充，給次梁變形留出緩沖空間。如圖4所示。

圖4 新型主次梁半剛性節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

3 結(jié)語(yǔ)

工程項(xiàng)目實(shí)際設(shè)計(jì)中，主次梁的不同的應(yīng)用場(chǎng)景，受力也有不同形式。本文根據(jù)受力特點(diǎn)，考慮主要影響因素，簡(jiǎn)化成2種節(jié)點(diǎn)：鉸接節(jié)點(diǎn)、半剛接節(jié)點(diǎn)，通過(guò)仿真分析，分析其內(nèi)力分布，結(jié)果表明有以下規(guī)律：主梁在次梁梁端彎矩或偏心力作用下會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形；牛腿邊緣及根部與次梁接觸處易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；預(yù)留插筋在交接面會(huì)產(chǎn)生剪切變形；頂部鋼板的螺栓在混凝土中有局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。

主次梁連接節(jié)點(diǎn)是裝配式框架結(jié)構(gòu)重要的節(jié)點(diǎn)，本文提供的2種主次梁連接節(jié)點(diǎn)，構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工便捷、安裝效率高、現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)少，同時(shí)受力明確、傳力簡(jiǎn)潔，具有很強(qiáng)的落地性和可實(shí)施性。