張力濱 周子涵

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

混凝土就其施工建造方式可以分為現(xiàn)澆式以及裝配式。然而裝配式混凝土結(jié)構(gòu)能夠改變目前混凝土適用于建筑上的一些弊端問題[1]。裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)具有環(huán)保、施工效率高等優(yōu)勢，這也是目前為止混凝土建筑技術(shù)中的一大亮點所在。

近年來由于裝配式建筑的廣泛建造，對裝配式框架梁柱節(jié)點的研究也越來越多，其中牛腿式梁柱連接的研究主要都是針對框架柱和柱牛腿的力學(xué)性能、抗震性能及變形等方面，對于節(jié)點連接處的缺口梁研究的內(nèi)容較少[2]。本課題的目的是研究裝配式框架節(jié)點干式連接中柱牛腿及缺口梁的極限承載力及剛度之間的關(guān)系，并給出設(shè)計建議，完善裝配式框架節(jié)點干式牛腿連接梁柱的理論體系和設(shè)計方法。利用ABAQUS[3]結(jié)合現(xiàn)有的鋼筋混凝土的本構(gòu)模型，變換具體參數(shù)(柱牛腿鋼筋數(shù)量和缺口梁的縱筋數(shù)量)對梁柱節(jié)點進(jìn)行有限元分析；得到理論上鋼筋數(shù)量及企口連接具體數(shù)值對框架梁柱節(jié)點性能的影響，并與實驗所得結(jié)論進(jìn)行對比分析。

1 傳統(tǒng)預(yù)制裝配式框架干式連接節(jié)點形式

預(yù)制裝配式框架干式連接節(jié)點形式主要有以下幾種：牛腿連接，鋼吊架式連接，焊接連接，螺栓連接等。

其中牛腿連接中的明牛腿連接具有承載力較大，節(jié)點剛性較好，受力可靠等優(yōu)點，因此在眾多的裝配式鋼筋混凝土多層廠房中使用頗多[4];暗牛腿連接相較于明牛腿而言，暗牛腿能夠為建筑的連接處創(chuàng)造較好的外形構(gòu)造，但其無法使用在靜力和動力性能的建筑設(shè)計上。如果一支梁的一半高度能夠承受剪力的話，則另一半梁就能夠作為柱的牛腿，而要使牛腿不凸出梁邊，梁端和牛腿的配筋則比較復(fù)雜[5]。而鋼吊架式連接的柱子模板制作簡單，在北美洲國家使用較為廣泛[6]。這一方法有一個較為極致的缺點就是構(gòu)造復(fù)雜、對施工的質(zhì)量要求很高，對安裝的精度也要求很高，這種連接方式的承載力度不足，因此不適合承受高強(qiáng)度的荷載[7]。焊接連接的施工方法避免了現(xiàn)場現(xiàn)澆混凝土，節(jié)省混凝土養(yǎng)護(hù)時間，從而達(dá)到縮短工期的效果[8]。螺栓連接方法有一個非常致命的缺點：預(yù)制時必須進(jìn)行高精度的作業(yè)，在螺栓連接中連接構(gòu)造普遍復(fù)雜、連接構(gòu)件相對較多。

2 新型預(yù)制裝配式框架干式連接節(jié)點的提出

2.1 新型裝配式框架干式連接節(jié)點的連接裝置

本課題的目的是研究裝配式框架節(jié)點干式連接中柱牛腿及缺口梁的長度與斜度同缺口梁的極限承載力及剛度之間的關(guān)系，并給出設(shè)計建議，完善裝配式框架節(jié)點干式牛腿連接梁柱的理論體系和設(shè)計方法，利用ABAQUS對現(xiàn)有的鋼筋混凝土的本構(gòu)模型，變換具體參數(shù)(柱牛腿鋼筋數(shù)量和缺口梁的縱筋數(shù)量)對梁柱節(jié)點進(jìn)行有限元分析,連接裝置如圖1所示。

2.2 新型裝配式框架干式連接節(jié)點的主要連接型式

整理思路可以發(fā)現(xiàn)：運(yùn)用鋼筋混凝土暗牛腿連接方式，之后采取預(yù)埋件進(jìn)行焊接構(gòu)造是比較理想的節(jié)點型式[9]，如圖2所示。

在分析完干式節(jié)點的主要連接型式后還應(yīng)該考慮預(yù)制構(gòu)件連接的塑性鉸設(shè)置。一般情況下將塑性鉸設(shè)置在離開柱邊一定距離的梁柱內(nèi)，這樣做的目的是為了防止節(jié)點核心區(qū)的混凝土因為地震而受到影響[10]。

3 新型預(yù)制裝配式框架干式連接節(jié)點中暗牛腿的應(yīng)用研究分析

3.1 鋼筋混凝土暗牛腿的受力分析

如圖3所示剪力V是由缺口梁與鋼筋混凝土暗牛腿之間進(jìn)行傳遞，由剪力V產(chǎn)生的彎矩M對上下鋼板傳遞，上部鋼板傳遞的力Fh1由柱中的預(yù)埋件傳遞到柱中。與企口連接節(jié)點相同，對節(jié)點的受力進(jìn)行簡化，忽略灌縫傳遞的豎向剪力和承壓面上的水平剪力。

3.2 新型預(yù)制裝配式混凝土框架連接節(jié)點中鋼筋混凝土暗牛腿的有限元分析

根據(jù)模型以及工程的實際應(yīng)用情況，暗牛腿模型的尺寸如圖4所示，混凝土暗牛腿有限元模型如表1所示。

表1 混凝土暗牛腿有限元模型

混凝土等級C20C30上部受力鋼筋直徑/mm18201820模型編號一二三四

鋼筋單元劃分見圖5，混凝土及承壓鋼板單元劃分見圖6。

根據(jù)上述的分析，圖7為所得出的混凝土應(yīng)力分部情況，而圖8則是在極限荷載下混凝土裂縫的分布情況。

通過分析我們發(fā)現(xiàn)鋼筋混凝土暗牛腿與梁柱相交的地方有著非常明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，我們所設(shè)計的模型均是因為梁柱鉸接面上鋼筋混凝土暗牛腿下部混凝土壓碎而破壞的。而模型中暗牛腿上部的水平受力鋼筋并沒有因此而屈服，在極限荷載情況下，暗牛腿的變形現(xiàn)象也不是很明顯。

3.3 有限元分析與理論分析結(jié)果對比

經(jīng)過計算結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，在本尺寸下的暗牛腿沒有發(fā)生下截面的破壞，也沒有發(fā)生暗牛腿上部受拉鋼筋的屈服，而是發(fā)生了斜壓桿在節(jié)點的混凝土壓碎。在實際工程中由于各種因素的影響鋼筋混凝土暗牛腿仍可能發(fā)生混凝土壓桿破壞和梁柱交界面的剪切破壞和上部受拉鋼筋的屈服破壞。將公式計算結(jié)果與有限元分析求得的極限承載力進(jìn)行對比，如表2所示。

表2 暗牛腿承載力理論計算值與有限元分析結(jié)果對比 kN

根據(jù)表2得出的結(jié)果分析，計算得出的結(jié)果是極限承載力基本保持一致，經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)由暗牛腿上部的受力鋼筋決定的承載力與有限元結(jié)果有點出入，說明有限元模型中暗牛腿半高處的構(gòu)造鋼筋不僅對混凝土具有一定的約束作用，并且對暗牛腿的承載能力有直接的影響?？梢姡羧∮嬎銜r的較小值進(jìn)行設(shè)計，鋼筋混凝土暗牛腿具有一定的安全儲備。

4 結(jié)論與展望

本文采用理論和有限元ABAQUS軟件分析，對新型裝配式干式連接節(jié)點核心區(qū)暗牛腿剪切性能進(jìn)行分析，通過模型實驗對比得出了以下幾個結(jié)論：

1)在預(yù)制裝配式混凝土框架中，不同的連接方式有著各自的優(yōu)缺點，實驗采用不同的構(gòu)造方式實現(xiàn)干式連接彌補(bǔ)這些缺陷；

2)筆者利用有限元ABAQUS軟件對新型連接構(gòu)造進(jìn)行分析，結(jié)果顯示利用合理構(gòu)造干式企口連接節(jié)點、鋼筋混凝土暗牛腿缺口梁干式節(jié)點能夠滿足承載力且性能優(yōu)異。

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