胡習(xí)兵，王心意*，曾裕林，陳 瑞，李清山

(1.中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004；2.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082；3.長(zhǎng)沙三遠(yuǎn)鋼結(jié)構(gòu)有限公司，長(zhǎng)沙 410114)

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)是由預(yù)制混凝土構(gòu)件通過(guò)可靠的連接方式裝配而成的混凝土結(jié)構(gòu)[1].與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相比，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)具有工業(yè)化程度高、施工周期短、質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，且較大程度減少了建筑垃圾，降低了能耗.

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)裝配式混凝土梁的受力性能進(jìn)行了大量研究.劉昌永等[2]對(duì)兩端帶鋼接頭的裝配式組合梁進(jìn)行了抗彎性能試驗(yàn)，研究了鋼接頭與混凝土梁連接界面處的滑移問(wèn)題；孫文彬等[3]對(duì)3根裝配預(yù)制梁及1根對(duì)比梁的力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究；Yang等[4]對(duì)一種采用螺栓連接的H型鋼-混凝土預(yù)制混合梁(HSPC)進(jìn)行了受彎性能試驗(yàn)，研究了HSPC梁的延性和連接節(jié)點(diǎn)剛度；Guo等[5]對(duì)12根端部預(yù)埋槽鋼的預(yù)制混凝土梁進(jìn)行了靜力加載試驗(yàn)研究，分析了槽鋼預(yù)埋深度和箍筋加密對(duì)試件承載力和變形能力的影響；張錫治等[6]對(duì)一種兩端帶鋼梁的新型鋼-混凝土預(yù)制混合梁進(jìn)行了受彎性能試驗(yàn)，研究了端部鋼梁長(zhǎng)度對(duì)試件的裂縫、極限承載力和延性的影響.

鋼筋套筒灌漿作為目前實(shí)際工程中普遍采用的混凝土預(yù)制構(gòu)件連接方式，因施工工藝復(fù)雜，在灌漿施工過(guò)程中常會(huì)出現(xiàn)漿料不飽滿的現(xiàn)象，且工程檢測(cè)市場(chǎng)缺乏可靠和有效的灌漿質(zhì)量檢測(cè)方法[7-8].針對(duì)上述問(wèn)題，本文參考鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接方式，提出了裝配式混凝土構(gòu)件間采用型鋼連接件的連接方式.利用通用有限元分析軟件建立了型鋼連接混凝土梁的有限元模型，對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行分析；并在驗(yàn)證有限元模型合理性的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了型鋼連接件的長(zhǎng)度、腹板厚度、翼緣厚度和型鋼鋼材強(qiáng)度變化對(duì)混凝土梁力學(xué)性能的影響.

1 裝配式構(gòu)件設(shè)計(jì)

在預(yù)制混凝土梁的兩端設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)連接件(丄形鋼)，構(gòu)件構(gòu)造示意圖如圖1所示.

圖1 帶丄型鋼的裝配式混凝土梁示意

為方便該梁的安裝連接，將梁端與柱端連接部位設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)，梁與節(jié)點(diǎn)的連接示意圖如圖2所示.預(yù)制構(gòu)件間先采用螺栓連接實(shí)現(xiàn)定位安裝，再通過(guò)焊接確保連接的可靠性，施工效率高，質(zhì)量也易于保證.

圖2 裝配式組合節(jié)點(diǎn)與混凝土梁連接示意

2 有限元模型建立

2.1 有限元分析模型

為研究型鋼連接件等參數(shù)對(duì)裝配式混凝土梁力學(xué)性能的影響，本文設(shè)計(jì)了兩端帶丄型鋼連接件的預(yù)制混凝土梁的標(biāo)準(zhǔn)模型.標(biāo)準(zhǔn)模型截面尺寸為300 mm×450 mm，梁長(zhǎng)為3 600 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，型鋼材料等級(jí)為Q345鋼，縱向受力鋼筋強(qiáng)度等級(jí)為HRB400，箍筋強(qiáng)度等級(jí)為HPB300.標(biāo)準(zhǔn)模型具體尺寸及配筋見(jiàn)圖3.

圖3 裝配式型鋼連接混凝土梁詳細(xì)尺寸/mm

采用通用有限元分析軟件建立了一系列裝配式型鋼連接混凝土梁有限元分析模型.采用上述標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件模型，研究了丄型鋼連接件的長(zhǎng)度、腹板厚度、翼緣厚度和型鋼鋼材強(qiáng)度等級(jí)變化對(duì)梁力學(xué)性能的影響.數(shù)值模型參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 數(shù)值模型參數(shù)

2.2 材料本構(gòu)關(guān)系

文中混凝土材料本構(gòu)模型選用損傷塑性模型，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》(GB50010)[9]推薦的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，見(jiàn)圖4.

圖4 混凝土單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

基于所采用的混凝土單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，根據(jù)損傷力學(xué)與塑性流動(dòng)理論[10]計(jì)算混凝土受壓和受拉塑性損傷因子，得到混凝土損傷塑性模型.根據(jù)文獻(xiàn)[9]得到的混凝土材性參數(shù)取值見(jiàn)表2.

表2 混凝土材性參數(shù)

鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用三折線簡(jiǎn)化模型，該模型由彈性階段、強(qiáng)化階段和水平階段組成[11]，見(jiàn)圖5.其中，fy為屈服強(qiáng)度；εy為屈服應(yīng)變；E為彈性模量，強(qiáng)化階段彈性模量Est取0.01E.

圖5 鋼材簡(jiǎn)化應(yīng)力-應(yīng)變曲線

根據(jù)文獻(xiàn)[12]得到的鋼材參數(shù)取值見(jiàn)表3.

表3 鋼材材性參數(shù)

2.3 網(wǎng)格劃分及相互作用

本模型采用分離式建模方式：鋼筋采用三維桁架線性單元T3D2模擬，混凝土和型鋼部件均采用減縮積分實(shí)體單元C3D8R模擬，鋼筋與型鋼焊接通過(guò)Merge來(lái)模擬，鋼筋、型鋼與混凝土間采用嵌入約束(embedded region).將模型梁兩端和跨中加載位置分別耦合于參考點(diǎn)RP1、RP2和RP3，將約束與荷載分別施加在3個(gè)參考點(diǎn)上；在梁一端施加x、y、z向平動(dòng)約束和x、y、z向轉(zhuǎn)動(dòng)約束；另一端施加x、y向平動(dòng)約束和x、y、z向轉(zhuǎn)動(dòng)約束；梁跨中通過(guò)位移加載的方式進(jìn)行單調(diào)靜力加載.有限元模型及網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖6.

圖6 有限元模型示意

3 有限元分析結(jié)果

3.1 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文有限元模型各參數(shù)設(shè)置的可行性，基于課題組前期完成的裝配式型鋼連接混凝土梁柱構(gòu)件及組合節(jié)點(diǎn)在單調(diào)靜力荷載作用下的力學(xué)性能試驗(yàn)(見(jiàn)圖7)，建立梁柱構(gòu)件及組合節(jié)點(diǎn)有限元模型，將有限元分析得到的荷載-位移曲線和破壞形態(tài)與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖8和圖9.

圖7 裝配式梁與組合節(jié)點(diǎn)連接

圖8 有限元分析值與試驗(yàn)值對(duì)比

圖9 破壞形態(tài)對(duì)比

通過(guò)對(duì)比可知，有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果吻合良好.

3.2 丄型鋼連接件長(zhǎng)度對(duì)梁受力性能的影響

圖10為丄型鋼連接件長(zhǎng)度變化時(shí)梁的荷載-位移曲線.

圖10 丄型鋼連接件長(zhǎng)度對(duì)梁受力性能的影響

由圖10可以看出，隨著丄型鋼連接件長(zhǎng)度的增加，梁的極限荷載逐漸增大.丄型鋼連接件長(zhǎng)度為350，450和550 mm時(shí)的梁極限承載力較250 mm時(shí)分別提高了4.93%，9.81%和15.38%.當(dāng)丄型鋼連接件長(zhǎng)度為550 mm時(shí)，梁的荷載-跨中位移曲線在進(jìn)入塑性階段后，荷載緩慢增大至最大承載力，曲線斜率降低，但試件撓度變形還能繼續(xù)發(fā)展較長(zhǎng)一段，仍具有一定延性，說(shuō)明增加型鋼連接件的長(zhǎng)度能提高梁的變形能力.

3.3 型鋼鋼材強(qiáng)度等級(jí)對(duì)梁受力性能的影響

圖11給出了型鋼鋼材強(qiáng)度變化時(shí)梁的荷載-位移曲線.

圖11 型鋼鋼材強(qiáng)度等級(jí)對(duì)梁受力性能的影響

由圖11可知，梁的極限承載力隨鋼材強(qiáng)度等級(jí)的提高而略有上升，但影響不大.這說(shuō)明連接部位截面具有足夠的剛度.在工程應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)構(gòu)件的實(shí)際受力情況選取強(qiáng)度等級(jí)較低的鋼材，以降低工程造價(jià).

3.4 型鋼連接件腹板厚度對(duì)梁受力性能的影響

圖12給出了型鋼連接件腹板厚度變化時(shí)梁的荷載-位移曲線.由圖12可知，隨著腹板厚度的增加，梁極限承載力有少許提升，型鋼連接件腹板厚度為6，8和10 mm時(shí)的梁極限承載力較4 mm時(shí)分別提高了1.44%，3.33%和4.04%.可見(jiàn)，增加型鋼腹板厚度對(duì)梁極限承載力影響較小.

圖12 型鋼連接件腹板厚度對(duì)梁受力性能的影響

3.5 型鋼連接件翼緣厚度對(duì)梁受力性能的影響

圖13給出了型鋼連接件翼緣厚度變化時(shí)梁的荷載-位移曲線.

圖13 型鋼連接件翼緣厚度對(duì)梁受力性能的影響

由圖13可知，隨型鋼翼緣厚度的增加，梁極限承載力和剛度提升幅度不大，但其極限位移會(huì)減小.拼接段型鋼翼緣厚度為9，12和15 mm時(shí)梁的極限承載力較6 mm時(shí)分別提高了1.18%，3.52%和6.5%.這說(shuō)明增加型鋼翼緣厚度雖能略微提高梁極限承載力，但其變形能力也會(huì)下降.可見(jiàn)，在梁端型鋼連接件設(shè)計(jì)時(shí)，為使型鋼材料得到充分利用，不宜盲目通過(guò)增大翼緣厚度來(lái)提高梁的極限承載力.

4 結(jié)論

1)預(yù)制構(gòu)件連接部位采用型鋼連接件的方式進(jìn)行連接，避免了常規(guī)的套筒注漿等連接方式帶來(lái)的工程質(zhì)量安全隱患，且其承載力更高，傳力更可靠，施工安裝更快捷.

2)丄型鋼連接件長(zhǎng)度和翼緣厚度變化對(duì)梁的力學(xué)性能影響較大，且隨尺寸的增大，構(gòu)件極限承載力增加.

3)丄型鋼連接件的鋼材強(qiáng)度和腹板厚度對(duì)梁的力學(xué)性能影響相對(duì)較小.在工程應(yīng)用中，可根據(jù)構(gòu)件實(shí)際受力情況選取較為經(jīng)濟(jì)的參數(shù)，以降低工程造價(jià).