黃 澤,王 黎,劉津成,黃奕斌,程從密,何 娟

(1.華南理工大學建筑設計研究院有限公司,廣東 廣州 510640;2.廣州大學土木工程學院,廣東 廣州 510006)

0 引言

裝配式混凝土結構中,主次梁連接是構件設計、加工和現場施工的難題,同時也是控制裝配式結構成本及工期的關鍵節(jié)點[1]。裝配式混凝土結構預制主次梁鋼企口連接是一種新型連接方法,廣泛應用于預制混凝土結構中[2-4]。

目前國內外對裝配式混凝土結構中鋼-混凝土混合連接節(jié)點已有較多研究[5-6],其中多數為梁柱組合節(jié)點的抗震性能研究,對預制主次梁組合連接研究較少。同時,裝配式技術標準中僅列出相應的構造要求和計算要求[7],未明確具體計算方法及拓展鋼企口應用。為此,結合華南理工大學廣州國際校區(qū)一期工程中裝配式宿舍樓中預制主次梁鋼企口連接節(jié)點的應用,分析鋼企口節(jié)點設計,驗證其設計計算方法和應用研究。

1 設計分析

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 預制主次梁鋼企口連接節(jié)點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

預制次梁通過梁端帶栓釘的鋼企口將梁端剪力傳遞給預制主梁槽口中的預埋承壓板,預埋承壓板通過局部受壓將剪力傳給主梁,其連接如圖3所示。主次梁節(jié)點及連續(xù)次梁節(jié)點采用鋼企口做法,需在計算模型上修改連接節(jié)點為鉸接[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向栓釘群形心進行簡化,則栓釘群可簡化為同時受軸心剪力V1和彎矩M1的聯合作用。在聯合作用下鋼企口受力控制點主要為:①鋼企口截面A,B的抗彎、抗剪強度;②鋼企口外挑部分的穩(wěn)定性;③栓釘的抗剪強度;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。

預埋承壓板與主梁混凝土間接觸面上的壓應力可假定為均勻分布。

1.3 荷載選取及內力設計值

1.3.1施工和使用階段荷載

施工階段荷載基本組合設計值[9]S1為:

S1=1.3×(SGK1+SGK2)+1.5SQ1K

(1)

使用階段荷載基本組合設計值[9]S2為:

S2=1.3×(SGK1+SGK2+SGK3)+1.5SQ2K

(2)

式中:SGK1為傳遞至預制次梁上的板自重(包含預制次梁上部現澆混凝土自重);SGK2為預制次梁自重;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。

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內力設計值

預制次梁的梁端剪力計算如下:

(3)

式中:Sd=max(S1,S2);L為疊合次梁軸向跨度。1.4受力驗算

1.4.1鋼企口外挑部分穩(wěn)定性驗算

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,從而產生穩(wěn)定性破壞,故設計時須采用相關鋼結構設計標準來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度;t1為鋼企口外伸部分的鋼板厚度;fy為鋼板材料設計強度值。

1.4.2鋼企口栓釘強度驗算

栓釘群形心的剪力V1和彎矩M1計算如下:

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,離栓釘群形心最遠的栓釘受力最大。

(7)

式中:n為栓釘總數量。

(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滿足下式:

(10)

(11)

1.4.3鋼企口鋼板強度驗算

鋼企口的鋼板在偏心剪力作用下,需驗算截面A,B彎剪組合作用下的應力(見圖4)。

截面B所受的正應力σB和剪應力τB為:

(12)

τB=0

(13)

截面A所受的正應力σA和剪應力τA為:

(14)

(15)

(16)

1.4.4預埋承壓板抗彎及承壓驗算

預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滿足[9]:

V≤1.35βcβlfcAln

(18)

式中:βc為荷載分布影響系數;β1為混凝土局部受壓時的強度提高系數;fc為混凝土軸心抗拉強度設計值;Aln為混凝土局部受壓凈面積,取a1b1。

1.4.5主梁附加箍筋計算

鋼企口連接處的集中剪力,由附加箍筋承擔。附加箍筋布置在主梁長度為S(S=3b+2h1)的范圍內[11],如圖5所示(b為預制次梁寬度,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計值;fyv為箍筋抗拉強度設計值。

2 工程實例計算

以華南理工大學廣州國際校區(qū)一期工程裝配式項目[2]學生宿舍標準單元中主次梁中鋼企口連接設計為例,進行受力驗算及有限元分析,標準單元結構平面如圖6所示,鋼企口截面如圖7所示,預制構件及荷載的基本信息如表1～3所示。

表1 預制次梁構件的基本信息Table 1 Basic information of prefabricated secondary beam components

表2 預制疊合板基本信息Table 2 Basic information of prefabricated laminated slab

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

圖6 標準單元結構平面和受荷面積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 鋼企口選取及參數計算

鋼企口截面如圖7所示。根據設計經驗,鋼企口鋼材采用Q345B,鋼企口鋼板厚18mm,栓釘直徑為19mm。

2.2 次梁端剪力計算

由第1節(jié)內容計算可知,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)定性計算

2.4 鋼企口栓釘強度計算

2.5 鋼企口鋼板強度計算

MB=14.88kN·m,WB=145200mm3;計算得截面B最大應力σB=122.26N/mm2

2.6 預埋承壓板抗彎及承壓計算

2.7 主梁附加箍筋計算

ASV1=217.52mm2,預埋承壓板兩側須附加3道肢數和直徑與主梁相同的箍筋,間距不大于100mm,布置在長度S(750mm)范圍內。

2.8 有限元驗證分析

采用ABAQUS有限元軟件對預制次梁鋼企口進行建模,鋼材、栓釘、混凝土均采用三維8節(jié)點六面體線性減縮積分實體單元(C3D8R)模擬。模型采用細網格對混凝土與栓釘的交界面交接處應力集中區(qū)域進行劃分,采用較粗的網格對其他部位進行劃分,如圖8所示。

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

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

圖9 使用階段鋼企口等效應力分布(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力為80.04MPa,均小于鋼板截面允許應力,滿足要求。

3 鋼企口拓展應用

3.1 鋼企口設計階段選用列表

基于鋼企口設計方法的應用,可針對不同剪力設計值、次梁截面高度、鋼企口自重等變量因素進行設計分析,預設預制次梁端部的設計剪力值為100～400kN,以50kN遞增的7個荷載值設計出對應的鋼企口尺寸并形成選用列表(見圖10),可直接運用于裝配式結構節(jié)點深化設計,提高裝配式的設計效率。

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

3.2 鋼企口其他應用

鋼企口的連接設計方法不局限于預制主次梁中運用,可根據不同預制構件和不同受力形式進行其他方面的設計運用。

1)無支撐疊合梁板設計可采用鋼企口連接(見圖11),須基于本文鋼企口設計方法,驗算施工階段和使用階段的預制梁板裂縫和撓度等。

2)基于鋼企口連接的整體預制構件設計,華南理工大學廣州國際校區(qū)一期工程宿舍樓裝配式深化設計中采用整體預制沉箱的構件設計[12],其連接節(jié)點方式為鋼企口連接,如圖12所示。

圖12 整體預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)點運用[13],對于寬度較大的預制構件可采取雙鋼企口預制,基于雙鋼企口的平衡性,再將鋼企口外挑部分與預制豎向構件預埋筋進行螺栓連接,可實現預制構件的抗扭連接,帶雙鋼企口的預制梯梁如圖13所示。

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

4 結語

通過對裝配式結構中主次梁鋼企口連接節(jié)點的尺寸選取、荷載選取和內力設計值、受力驗算及連接構造要求等內容進行設計分析,并結合實際工程運用節(jié)點進行設計計算和有限元分析,得出以下結論。

1)鋼企口的設計分析計算及構造措施可滿足現行裝配式技術標準的要求和裝配式項目預制構件連接節(jié)點的要求。

2)基于設計思路的反向推導,可根據剪力包絡值、梁高、質量等因素采取鋼企口列表選取鋼企口進行裝配式節(jié)點深化設計。

3)鋼企口節(jié)點可優(yōu)化拓展應用于其他不同預制構件、不同受力形式的連接節(jié)點中,其在設計、生產、施工安裝均有優(yōu)勢。