裝配式混凝土疊合梁鋼企口節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)分析及應(yīng)用研究*

黃 澤,王 黎,劉津成,黃奕斌,程從密,何 娟

(1.華南理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東 廣州 510640;2.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院,廣東 廣州 510006)

0 引言

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中,主次梁連接是構(gòu)件設(shè)計(jì)、加工和現(xiàn)場(chǎng)施工的難題,同時(shí)也是控制裝配式結(jié)構(gòu)成本及工期的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)[1]。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)制主次梁鋼企口連接是一種新型連接方法,廣泛應(yīng)用于預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)中[2-4]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中鋼-混凝土混合連接節(jié)點(diǎn)已有較多研究[5-6],其中多數(shù)為梁柱組合節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究,對(duì)預(yù)制主次梁組合連接研究較少。同時(shí),裝配式技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中僅列出相應(yīng)的構(gòu)造要求和計(jì)算要求[7],未明確具體計(jì)算方法及拓展鋼企口應(yīng)用。為此,結(jié)合華南理工大學(xué)廣州國(guó)際校區(qū)一期工程中裝配式宿舍樓中預(yù)制主次梁鋼企口連接節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用,分析鋼企口節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì),驗(yàn)證其設(shè)計(jì)計(jì)算方法和應(yīng)用研究。

1 設(shè)計(jì)分析

1.1 鋼企口

鋼企口由鋼板和栓釘雙面滿焊連接而成,鋼企口連接節(jié)點(diǎn)如圖1所示,鋼企口尺寸及栓釘布置如圖2所示。鋼板厚度常用規(guī)格為16,18,20,24,26mm;栓釘常用規(guī)格為13,16,19mm。

圖1 預(yù)制主次梁鋼企口連接節(jié)點(diǎn)Fig.1 Steel groove connection of prefabricated main and secondary beams

圖2 鋼企口尺寸及栓釘布置Fig.2 Steel groove size and bolt arrangement

1.2 基本假定

預(yù)制次梁通過(guò)梁端帶栓釘?shù)匿撈罂趯⒘憾思袅鬟f給預(yù)制主梁槽口中的預(yù)埋承壓板,預(yù)埋承壓板通過(guò)局部受壓將剪力傳給主梁,其連接如圖3所示。主次梁節(jié)點(diǎn)及連續(xù)次梁節(jié)點(diǎn)采用鋼企口做法,需在計(jì)算模型上修改連接節(jié)點(diǎn)為鉸接[8]。

圖3 主次梁鋼企口連接Fig.3 Steel groove connection between main and secondary beams

預(yù)制次梁端部剪力使栓釘群偏心受剪,將剪力V向栓釘群形心進(jìn)行簡(jiǎn)化,則栓釘群可簡(jiǎn)化為同時(shí)受軸心剪力V1和彎矩M1的聯(lián)合作用。在聯(lián)合作用下鋼企口受力控制點(diǎn)主要為:①鋼企口截面A,B的抗彎、抗剪強(qiáng)度;②鋼企口外挑部分的穩(wěn)定性;③栓釘?shù)目辜魪?qiáng)度;④鋼企口擱置處的局部受壓承載力。栓釘群受力受扭和受剪如圖4所示。

圖4 栓釘群受扭和受剪示意Fig.4 Blt group under torsion and shear

假定鋼企口平面內(nèi)是剛性的,栓釘是彈性的,其受力大小與到栓釘群形心的距離成正比,方向與栓釘至形心的直線垂直。

預(yù)埋承壓板與主梁混凝土間接觸面上的壓應(yīng)力可假定為均勻分布。

1.3 荷載選取及內(nèi)力設(shè)計(jì)值

1.3.1施工和使用階段荷載

施工階段荷載基本組合設(shè)計(jì)值[9]S1為:

S1=1.3×(SGK1+SGK2)+1.5SQ1K

(1)

使用階段荷載基本組合設(shè)計(jì)值[9]S2為:

S2=1.3×(SGK1+SGK2+SGK3)+1.5SQ2K

(2)

式中:SGK1為傳遞至預(yù)制次梁上的板自重(包含預(yù)制次梁上部現(xiàn)澆混凝土自重);SGK2為預(yù)制次梁自重;SQ1K為傳遞至次梁上的施工荷載;SGK3為傳遞至次梁上的額外附加恒荷載;SQ2K為傳遞至次梁上的可變荷載,與房間使用功能有關(guān)。

以上荷載均為按照等代梁的等效截面寬度折算到等代梁上的線荷載。

1.3.2內(nèi)力設(shè)計(jì)值

預(yù)制次梁的梁端剪力計(jì)算如下:

(3)

式中:Sd=max(S1,S2);L為疊合次梁軸向跨度。1.4受力驗(yàn)算

1.4.1鋼企口外挑部分穩(wěn)定性驗(yàn)算

在次梁端部向上的梁端剪力V作用下,鋼企口外挑自由邊可能受壓彎曲,從而產(chǎn)生穩(wěn)定性破壞,故設(shè)計(jì)時(shí)須采用相關(guān)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)控制鋼企口外挑部分的寬厚比[10]:

(4)

式中:c為鋼企口外伸部分的鋼板長(zhǎng)度;t1為鋼企口外伸部分的鋼板厚度;fy為鋼板材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度值。

1.4.2鋼企口栓釘強(qiáng)度驗(yàn)算

栓釘群形心的剪力V1和彎矩M1計(jì)算如下:

V1=V

(5)

M1=V(A/2+e1+a)

(6)

式中:A為栓釘橫向間距;e1為栓釘橫向邊距;a為剪力V作用位置距預(yù)制梁端的距離。

在彎矩M1作用下,采用彈性分析,栓釘剪力大小與該栓釘至栓釘群形心距離成正比,方向與栓釘和形心的連線垂直。由此可知,離栓釘群形心最遠(yuǎn)的栓釘受力最大。

(7)

式中:n為栓釘總數(shù)量。

(8)

(9)

式中:x,y為栓釘距離栓釘群形心的距離。

栓釘在彎矩和剪力作用下的合力應(yīng)滿足下式:

(10)

(11)

1.4.3鋼企口鋼板強(qiáng)度驗(yàn)算

鋼企口的鋼板在偏心剪力作用下,需驗(yàn)算截面A,B彎剪組合作用下的應(yīng)力(見(jiàn)圖4)。

截面B所受的正應(yīng)力σB和剪應(yīng)力τB為:

(12)

τB=0

(13)

截面A所受的正應(yīng)力σA和剪應(yīng)力τA為:

(14)

(15)

(16)

1.4.4預(yù)埋承壓板抗彎及承壓驗(yàn)算

預(yù)埋承壓板單位寬度上的最大彎矩M2為:

(17)

承壓鋼板下混凝土局部受壓承載力應(yīng)滿足[9]:

V≤1.35βcβlfcAln

(18)

式中:βc為荷載分布影響系數(shù);β1為混凝土局部受壓時(shí)的強(qiáng)度提高系數(shù);fc為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;Aln為混凝土局部受壓凈面積,取a1b1。

1.4.5主梁附加箍筋計(jì)算

鋼企口連接處的集中剪力,由附加箍筋承擔(dān)。附加箍筋布置在主梁長(zhǎng)度為S(S=3b+2h1)的范圍內(nèi)[11],如圖5所示(b為預(yù)制次梁寬度,h1為主次梁高差)。

圖5 主次梁連接處附加箍筋范圍Fig.5 Additional stirrup range at the connection of main and secondary beams

附加箍筋所需的截面面積計(jì)算如下:

(19)

式中:ASV為承受集中荷載所需的附加箍筋總截面面積;V為次梁端部的剪力設(shè)計(jì)值;fyv為箍筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

2 工程實(shí)例計(jì)算

以華南理工大學(xué)廣州國(guó)際校區(qū)一期工程裝配式項(xiàng)目[2]學(xué)生宿舍標(biāo)準(zhǔn)單元中主次梁中鋼企口連接設(shè)計(jì)為例,進(jìn)行受力驗(yàn)算及有限元分析,標(biāo)準(zhǔn)單元結(jié)構(gòu)平面如圖6所示,鋼企口截面如圖7所示,預(yù)制構(gòu)件及荷載的基本信息如表1～3所示。

表1 預(yù)制次梁構(gòu)件的基本信息Table 1 Basic information of prefabricated secondary beam components

表2 預(yù)制疊合板基本信息Table 2 Basic information of prefabricated laminated slab

表3 荷載基本信息Table 3 Basic information of loads

圖6 標(biāo)準(zhǔn)單元結(jié)構(gòu)平面和受荷面積Fig.6 Structural plan and loading area of standard cell

圖7 鋼企口截面Fig.7 Steel groove section size

2.1 鋼企口選取及參數(shù)計(jì)算

鋼企口截面如圖7所示。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),鋼企口鋼材采用Q345B,鋼企口鋼板厚18mm,栓釘直徑為19mm。

2.2 次梁端剪力計(jì)算

由第1節(jié)內(nèi)容計(jì)算可知,SGK1為3.64kN/m,SGK2為2.99kN/m,SGK3為8.06kN/m,SQ1K為5.36kN/m,SQ2K為7.15kN/m;計(jì)算可得S1=16.66kN/m,S2=29.83kN/m;綜上得Sd=29.83kN/m,V=78.31kN。

2.3 鋼企口外挑部分穩(wěn)定性計(jì)算

2.4 鋼企口栓釘強(qiáng)度計(jì)算

2.5 鋼企口鋼板強(qiáng)度計(jì)算

MB=14.88kN·m,WB=145200mm3;計(jì)算得截面B最大應(yīng)力σB=122.26N/mm2

2.6 預(yù)埋承壓板抗彎及承壓計(jì)算

2.7 主梁附加箍筋計(jì)算

ASV1=217.52mm2,預(yù)埋承壓板兩側(cè)須附加3道肢數(shù)和直徑與主梁相同的箍筋,間距不大于100mm,布置在長(zhǎng)度S(750mm)范圍內(nèi)。

2.8 有限元驗(yàn)證分析

采用ABAQUS有限元軟件對(duì)預(yù)制次梁鋼企口進(jìn)行建模,鋼材、栓釘、混凝土均采用三維8節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分實(shí)體單元(C3D8R)模擬。模型采用細(xì)網(wǎng)格對(duì)混凝土與栓釘?shù)慕唤缑娼唤犹帒?yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行劃分,采用較粗的網(wǎng)格對(duì)其他部位進(jìn)行劃分,如圖8所示。

圖8 有限元分析模型Fig.8 Finite element analysis model

連接節(jié)點(diǎn)是預(yù)制次梁中預(yù)埋鋼企口,鋼企口栓釘與混凝土間采用無(wú)滑移連接,并通過(guò)鋼企口伸出端的鋼板將預(yù)制次梁荷載以剪力形式作用在預(yù)制主梁槽口上,荷載計(jì)算包括預(yù)制梁自重和樓板傳遞的恒荷載、活荷載,計(jì)算組合工況按1.3×恒荷載+1.5×活荷載,使用階段鋼企口等效應(yīng)力分布如圖9所示。

圖9 使用階段鋼企口等效應(yīng)力分布(單位:MPa)Fig.9 Equivalent stress distribution of steel groove during use stage(unit:MPa)

由圖9可知,使用階段鋼企口等效應(yīng)力為80.04MPa,均小于鋼板截面允許應(yīng)力,滿足要求。

3 鋼企口拓展應(yīng)用

3.1 鋼企口設(shè)計(jì)階段選用列表

基于鋼企口設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用,可針對(duì)不同剪力設(shè)計(jì)值、次梁截面高度、鋼企口自重等變量因素進(jìn)行設(shè)計(jì)分析,預(yù)設(shè)預(yù)制次梁端部的設(shè)計(jì)剪力值為100～400kN,以50kN遞增的7個(gè)荷載值設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的鋼企口尺寸并形成選用列表(見(jiàn)圖10),可直接運(yùn)用于裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì),提高裝配式的設(shè)計(jì)效率。

圖10 主次梁鋼企口選取Fig.10 Selection of steel grooves for main and secondary beams

3.2 鋼企口其他應(yīng)用

鋼企口的連接設(shè)計(jì)方法不局限于預(yù)制主次梁中運(yùn)用,可根據(jù)不同預(yù)制構(gòu)件和不同受力形式進(jìn)行其他方面的設(shè)計(jì)運(yùn)用。

1)無(wú)支撐疊合梁板設(shè)計(jì)可采用鋼企口連接(見(jiàn)圖11),須基于本文鋼企口設(shè)計(jì)方法,驗(yàn)算施工階段和使用階段的預(yù)制梁板裂縫和撓度等。

2)基于鋼企口連接的整體預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì),華南理工大學(xué)廣州國(guó)際校區(qū)一期工程宿舍樓裝配式深化設(shè)計(jì)中采用整體預(yù)制沉箱的構(gòu)件設(shè)計(jì)[12],其連接節(jié)點(diǎn)方式為鋼企口連接,如圖12所示。

圖12 整體預(yù)制沉箱的鋼企口連接Fig.12 Steel groove connection of integral prefabricated caisson

3)雙鋼企口的抗扭連接節(jié)點(diǎn)運(yùn)用[13],對(duì)于寬度較大的預(yù)制構(gòu)件可采取雙鋼企口預(yù)制,基于雙鋼企口的平衡性,再將鋼企口外挑部分與預(yù)制豎向構(gòu)件預(yù)埋筋進(jìn)行螺栓連接,可實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件的抗扭連接,帶雙鋼企口的預(yù)制梯梁如圖13所示。

圖13 帶雙鋼企口的預(yù)制梯梁Fig.13 Prefabricated ladder beams with double steel grooves

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)中主次梁鋼企口連接節(jié)點(diǎn)的尺寸選取、荷載選取和內(nèi)力設(shè)計(jì)值、受力驗(yàn)算及連接構(gòu)造要求等內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)分析,并結(jié)合實(shí)際工程運(yùn)用節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和有限元分析,得出以下結(jié)論。

1)鋼企口的設(shè)計(jì)分析計(jì)算及構(gòu)造措施可滿足現(xiàn)行裝配式技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求和裝配式項(xiàng)目預(yù)制構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)的要求。

2)基于設(shè)計(jì)思路的反向推導(dǎo),可根據(jù)剪力包絡(luò)值、梁高、質(zhì)量等因素采取鋼企口列表選取鋼企口進(jìn)行裝配式節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)。

3)鋼企口節(jié)點(diǎn)可優(yōu)化拓展應(yīng)用于其他不同預(yù)制構(gòu)件、不同受力形式的連接節(jié)點(diǎn)中,其在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工安裝均有優(yōu)勢(shì)。