龔子榮，李銀芳

(1.湖北交投紫云鐵路有限公司,湖北 宜昌 443000;2.三峽大學(xué)科技學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

引言

全預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的建造方式和鋼結(jié)構(gòu)基本一致，都是將工廠預(yù)先制作的混凝土構(gòu)件，通過在現(xiàn)場拼裝、連接而形成的房屋結(jié)構(gòu)[1]。與傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)相比有以下優(yōu)點(diǎn)：首先，能夠充分利用鋼結(jié)構(gòu)房屋建筑的建造特點(diǎn)，促進(jìn)節(jié)能減排，綠色施工；其次，能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工業(yè)化、施工裝配化、管理信息化，更好的促進(jìn)基于BIM 的一體化項(xiàng)目實(shí)施（IPD）的應(yīng)用研究和推廣；而且工業(yè)化程度高，現(xiàn)場濕作業(yè)少，施工周期短[2]。全預(yù)制裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)作為房屋建筑結(jié)構(gòu)的主要形式之一，對其干式連接節(jié)點(diǎn)的受力性能和構(gòu)造特點(diǎn)的研究具有重要的意義。

1 新型干式節(jié)點(diǎn)受力性能分析

1.1 方鋼管法蘭盤柱-柱連接節(jié)點(diǎn)

方鋼管法蘭盤柱-柱連接節(jié)點(diǎn)[3],根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，通常預(yù)制柱拼接節(jié)點(diǎn)設(shè)置在柱的反彎點(diǎn)附近，彎矩對節(jié)點(diǎn)的影響可以忽略，故在靜力分析時(shí)，可只考慮剪力和軸力的影響。然而在考慮地震作用時(shí)，由于不同地震工況下反彎點(diǎn)的位置不固定，因此節(jié)點(diǎn)還將承受一定的彎矩，而節(jié)點(diǎn)的抗彎承載力與方鋼管法蘭盤預(yù)埋件剛度和節(jié)點(diǎn)高強(qiáng)螺栓數(shù)量及排列方式直接相關(guān)。另外，預(yù)制柱核心區(qū)混凝土設(shè)計(jì)成凸起的榫齒，榫齒可以很好的抵抗方鋼管法蘭盤預(yù)埋件傳來的剪力，防止方鋼管法蘭盤與混凝土之間產(chǎn)生剪切面滑移，還可使預(yù)制柱上下的軸力更好的專遞。

在方鋼管法蘭盤連接中，剪力通過方鋼管法蘭盤間的摩擦力傳遞，而軸力則由鋼筋混凝土和方鋼管法蘭盤預(yù)埋件共同承受。因此拼接節(jié)點(diǎn)處的高強(qiáng)度螺栓連接承載能力以及方鋼管法蘭盤預(yù)埋件與混凝土的錨固情況將直接影響整個(gè)框架柱的承載能力。

1.2 方鋼管法蘭盤梁-柱連接節(jié)點(diǎn)

方鋼管法蘭盤梁-柱連接節(jié)點(diǎn)[3]，因梁-柱構(gòu)件的連接部位通常設(shè)置在距離梁端1/7-1/5 梁跨附近，故在靜力分析時(shí)，可只考慮剪力的影響。然而在考慮地震作用時(shí)，由于在不同地震工況下反彎點(diǎn)的位置不盡相同，通常拼接節(jié)點(diǎn)處還將受到一定的彎矩作用。

預(yù)制梁和柱節(jié)點(diǎn)處核心區(qū)混凝土同樣設(shè)計(jì)成凸起的榫齒，榫齒可以很好的抵抗方鋼管法蘭盤預(yù)埋件傳來的剪力，防止方鋼管法蘭盤與混凝土之間產(chǎn)生剪切面滑移。

2 新型柱-柱干式連接節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算

2.1 節(jié)點(diǎn)受壓承載力

因節(jié)點(diǎn)核心區(qū)凸起的混凝土榫齒與方鋼管法蘭盤預(yù)埋件共同承受軸向壓力，故受壓承載力可按下式計(jì)算

其中

式中：Nc-榫齒所能承受的軸力；Na-方鋼管法蘭盤所能承受的軸力；fc-混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Ac-榫齒截面面積；f-鋼板強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；A-構(gòu)件截面面積。

2.2 節(jié)點(diǎn)受剪承載力

方鋼管法蘭盤預(yù)制拼接柱的受剪破壞主要有兩種∶一種是預(yù)制柱自身剪切破壞;另一種是高強(qiáng)度螺栓連接破壞，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以高強(qiáng)度螺栓連接破壞為極限狀態(tài)，從而避免預(yù)制柱自身的剪切破壞。假定拼接節(jié)點(diǎn)采用摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接，且預(yù)埋件錨固良好，因而預(yù)埋件接合面處的剪力主要由鋼板間的摩擦力承擔(dān)。另外，在彎矩作用下，截面中和軸受壓一側(cè)抗剪承載能力有所增強(qiáng)，受拉一側(cè)抗剪承載能力有所減弱，假定影響相互抵消，故可不考慮彎矩作用的影響。則榫齒的混凝土抗剪承載力、方鋼管法蘭盤抗剪承載力及摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接抗剪承載力分別為

則受剪承載力為

式中：Vc-榫齒混凝土受壓部分產(chǎn)生的摩擦力：Vg-方鋼管法蘭盤受壓部分產(chǎn)生的摩擦力；VL-預(yù)埋件接合面處由高強(qiáng)度螺栓預(yù)拉力而產(chǎn)生的摩擦力；μc-混凝土接觸面之間的摩擦系數(shù)，可取0.4～0.6；μg-預(yù)埋件接合面處的摩擦系數(shù)，經(jīng)噴砂拋丸處理后可取0.5；n-拼接節(jié)點(diǎn)螺栓個(gè)數(shù)；-單個(gè)高強(qiáng)度螺栓的抗剪承載力設(shè)計(jì)值。

2.3 節(jié)點(diǎn)受彎承載力

方鋼管法蘭盤拼接節(jié)點(diǎn)受彎時(shí)的破壞形態(tài)主要有：受壓區(qū)混凝土被壓碎、預(yù)埋錨筋被拉斷、方鋼管法蘭盤鋼板局部失穩(wěn)破壞以及高強(qiáng)度螺栓連接處破壞。由于高強(qiáng)度螺栓連接破壞前有明顯征兆，且可以提前采取加固措施，因此在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按高強(qiáng)度螺栓連接處破壞作為承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)。假設(shè)方鋼管法蘭盤預(yù)埋件與預(yù)制混凝土之間錨固良好，故把預(yù)制混凝土柱和方鋼管法蘭盤預(yù)埋件作為整體進(jìn)行研究，則在彎矩作用下的受力計(jì)算簡圖，見圖1。

圖1 預(yù)制柱受彎計(jì)算簡圖

研究表明，頂力應(yīng)等于螺栓拉力乘以一個(gè)系數(shù)k，即：

式中，N1-受拉側(cè)靠近中和軸處螺栓所承擔(dān)的拉力；N2-受拉側(cè)遠(yuǎn)離中和軸處螺栓所承擔(dān)的拉力；Rf1-由N1而產(chǎn)生的頂力；Rf2-由N2而產(chǎn)生的頂力。

式中：b1-受拉側(cè)靠近中和軸處螺栓到柱截面中和軸的距離；b2-受拉側(cè)遠(yuǎn)離中和軸處螺栓到柱截面中和軸的距離；b3-法蘭盤邊緣到柱截面中和軸的距離。

對o 點(diǎn)取距，由力矩平衡條件得：

將式（10）代入式（11）得

由于在設(shè)計(jì)時(shí)，以節(jié)點(diǎn)高強(qiáng)度螺栓連接破壞作為極限承載能力狀態(tài)，因此受拉側(cè)遠(yuǎn)離中和軸處螺栓受到的極限拉力決定了節(jié)點(diǎn)的抗彎承載力，于是有

式中：n2-受拉側(cè)遠(yuǎn)離中和軸處受拉螺栓數(shù)量；-單個(gè)高強(qiáng)度螺栓的抗拉承載力設(shè)計(jì)值；按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017-2017）[4]第11 章11.4 節(jié)的相關(guān)內(nèi)容計(jì)算確定。由此得出在彎矩作用下，節(jié)點(diǎn)的抗彎承載力建議設(shè)計(jì)值可取

實(shí)際工程中，高強(qiáng)度螺栓受力不是單一的，而是處于受拉、受彎和受剪的綜合受力狀態(tài)下，為考慮軸力N 對節(jié)點(diǎn)受彎承載力的有利影響，式（15）可乘以一個(gè)折減系數(shù) ξ。于是式（15）調(diào)整為

3 新型梁-柱干式連接節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算

因預(yù)制混凝土梁-柱干式拼接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)思路來源于鋼結(jié)構(gòu)連接中的外伸端板連接接頭，且在構(gòu)造和傳力特點(diǎn)上基本和外伸端板連接節(jié)點(diǎn)相似，故在節(jié)點(diǎn)計(jì)算分析時(shí)可參照外伸端板連接節(jié)點(diǎn)的計(jì)算方法計(jì)算[5-7]。

3.1 抗剪承載力設(shè)計(jì)值

在有外拉力作用時(shí)，一個(gè)摩擦型高強(qiáng)度螺栓的抗剪承載力設(shè)計(jì)值為

式中：k-孔型系數(shù)，可根據(jù)孔的類型在0.6～1.0 之間取值。Nt-一個(gè)高強(qiáng)度螺栓承受的外拉力;nf-拼接處傳力摩擦面數(shù)目；μ-拼接處摩擦系數(shù)；p-每個(gè)高強(qiáng)度螺栓的預(yù)拉力值。

式中，由于存在外拉力Nt，使得構(gòu)件接觸面上擠壓力變?yōu)镻-Nt，同時(shí)摩擦系數(shù)也降低，為方便計(jì)算，假定摩擦系數(shù)不變，將Nt值提高至1.25Nt。

3.2 同時(shí)承受拉力和剪力作用的高強(qiáng)度螺栓群的計(jì)算

如圖2 所示，M、N 作用下使螺栓承受拉力，V 作用下使螺栓承受剪力，計(jì)算時(shí)應(yīng)分開進(jìn)行。在彎矩M和軸力N 作用下，高強(qiáng)度螺栓最大拉力為

圖2 在彎矩、軸力、剪力共同作用下高強(qiáng)度螺栓群的受力情況

式中：n-螺栓數(shù)目；yi-第i 列螺栓至螺栓群中心的距離；yi-螺栓群中心至最外一列螺栓距離。

在剪力V 作用下，螺栓群的抗剪計(jì)算按下式

式中：當(dāng)Nti＜ 0時(shí)，取Nti=0。

同時(shí)承受剪力和桿軸方向拉力的高強(qiáng)度螺栓，應(yīng)按下式計(jì)算

式中：Nv-一個(gè)螺栓承受的剪力。

4 結(jié)論

對全預(yù)制裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)新型干式連接節(jié)點(diǎn)（柱-柱、梁-柱方鋼管法蘭盤連接）進(jìn)行整體受力分析，初步分析了它的整體受力性能；依據(jù)相關(guān)研究成果及設(shè)計(jì)規(guī)范，給出了拼接節(jié)點(diǎn)高強(qiáng)螺栓連接強(qiáng)度驗(yàn)算公式；在此基礎(chǔ)上，給出了方鋼管法蘭盤連接拼接節(jié)點(diǎn)的受拉、受剪、受彎承載力公式。