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        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

        2021-10-11 03:41:08杜定發(fā)
        工程建設(shè)與設(shè)計(jì) 2021年16期
        關(guān)鍵詞:承載力焊縫試件

        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。總體來(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,滿足實(shí)際工程應(yīng)用需求。

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