新型全預(yù)制鋼筋混凝土缺口梁及梁端懸挑牛腿分析

張力濱 楊 朔

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040)

裝配式混凝土，指的是部分或全部構(gòu)件預(yù)先制作，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)拼裝相連而形成的混凝土結(jié)構(gòu)。構(gòu)件的預(yù)先制作，不僅提升了工程質(zhì)量，也縮短了建筑工期，同時(shí)整個(gè)過(guò)程較為環(huán)保，節(jié)省了成本，其是現(xiàn)如今中國(guó)政府正在著重推廣的一類建筑形式[1]。

在建筑施工行業(yè)，全預(yù)制裝配式混凝土是一類重要的且受到用戶及設(shè)計(jì)者重視的結(jié)構(gòu)類型,其具有施工效率高、節(jié)約成本以及環(huán)保等優(yōu)勢(shì)[2]。裝配式鋼混結(jié)構(gòu)是中國(guó)建筑行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，其能夠促使中國(guó)建筑向工業(yè)化的方向推進(jìn)，提升生產(chǎn)效率和施工質(zhì)量，節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境。此外，裝配式結(jié)構(gòu)能夠依照次序組裝工程的某些或者所有的工序，進(jìn)而將進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備量與種類控制在較少的范圍內(nèi)，縮短工序之間的停留時(shí)間，使得工程更加立體交叉，為綠色施工提供保障[3]。裝配式混凝土以其節(jié)能環(huán)保、施工方便、極大地縮短施工周期等特點(diǎn)得到政府的大力推舉。在政府大力推進(jìn)下，此類建筑已經(jīng)成為當(dāng)代建筑行業(yè)的主要形式之一。此種結(jié)構(gòu)的主要問(wèn)題是節(jié)點(diǎn)的連接問(wèn)題，所以分析連接處的力學(xué)性能是分析裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的主要內(nèi)容。梁柱連接是預(yù)制混凝土架構(gòu)設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵的部分,本文主要對(duì)全預(yù)制鋼混缺口梁及梁端懸挑牛腿進(jìn)行分析。

1 型連接中缺口梁的受力情況研究

在企口連接時(shí)，通常將預(yù)制梁制作成缺口梁，缺口梁以及梁端懸挑牛腿兩者所受外力的數(shù)值為相反數(shù)，因此可一同分析兩個(gè)結(jié)構(gòu)的受力情況。關(guān)于企口連接，國(guó)內(nèi)與國(guó)外的學(xué)者對(duì)其名稱沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)定，例如：scarf connection，錯(cuò)口連接、企口連接、端部疊層梁連接(dapped-end connection), halving joints等。此外，關(guān)于企口連接里梁構(gòu)件的名稱也各不相同，例如：端部疊層梁、階梯形梁、缺口梁等。本篇文章中為了便于表述及分析，把圖1中的連接叫做企口連接，其中的梁叫做缺口梁，其中懸挑梁暗牛腿叫做梁牛腿。在此種連接里，不管是梁牛腿或是缺口梁，為表述清晰均把突出部位叫做R部，把整梁高部位叫做F部。

從圖1中能夠看出，在企口連接中，缺口梁以及梁牛腿兩個(gè)構(gòu)件間的受力情況較為復(fù)雜，圖2則簡(jiǎn)化了上述受力情況，圖2不考慮兩個(gè)構(gòu)件間從灌注縫隙傳遞的縱向摩擦力，假定全部縱向力都由牛腿承受；忽略灌縫傳遞的水平向拉力。此外，因?yàn)轭A(yù)制柱以及缺口梁兩個(gè)構(gòu)件間相對(duì)滑移的可能性較小，在安裝完成之后兩個(gè)構(gòu)件較為穩(wěn)固，僅在水平方向地震影響下結(jié)構(gòu)出現(xiàn)反復(fù)移動(dòng)時(shí)暗牛腿上表面以及缺口梁間才會(huì)出現(xiàn)橫向摩擦力，接下來(lái)的運(yùn)算過(guò)程不考慮圖2里橫向剪力N。

1.1 缺口梁的分析

關(guān)于企口連接，在我國(guó)還未出現(xiàn)明確的運(yùn)算方式，國(guó)外等發(fā)達(dá)國(guó)家則研究較多，依據(jù)PCI設(shè)計(jì)手冊(cè)、ACI規(guī)范等，缺口梁破壞方式以及R部的局部承受壓力破壞總計(jì)6類方式分別為：

1)R部的彎曲或受拉破壞；2)R部和F部的交界位置截面直剪破壞；3)凹角處斜拉破壞；4)伸出端斜截面破壞；5)R部的局部承壓破壞；6)F部的端部斜截面破壞。

應(yīng)該對(duì)缺口梁支承于牛腿上的R部進(jìn)行承壓驗(yàn)算，這時(shí)，用來(lái)避免其他破壞型式的鋼筋配置可以用作局部壓力的約束鋼筋，見(jiàn)圖3～圖5。

1.2 缺口梁的受力分析

1)R部的斜截面抗剪計(jì)算。

把R部構(gòu)件當(dāng)做與預(yù)制梁端受力相反的暗牛腿。使用拉壓桿模型研究R部。

對(duì)于混凝土壓桿的合力C可近似?。?/p>

C=Acfce

(1)

其中，C為壓桿應(yīng)力的多個(gè)力的總和，也就是其軸向力；Ac為與壓桿軸線相互垂直的端部位置構(gòu)件的截面積，其寬度通常與整個(gè)截面的寬度相同，壓桿在該截面的寬度范圍內(nèi)均有效；fce為混凝土壓桿的有效混凝土強(qiáng)度。

為確保壓桿的安全性以及有效性，fce應(yīng)該選擇壓桿內(nèi)與結(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)兩者有效混凝土強(qiáng)度中比較小的數(shù)值。在圖6中結(jié)點(diǎn)A處存在多個(gè)拉桿，βn可以取0.6，壓桿中混凝土的有效強(qiáng)度為:

(2)

依據(jù)圖6的圖形幾何關(guān)系和受力情況，根據(jù)式(1)可以計(jì)算得到壓桿的最大承受力:

(3)

拉桿的極限承載力可求，根據(jù)力的平衡關(guān)系可得:

(4)

模型里需要的R下部橫向受力鋼筋可以使用式(3)計(jì)算得到:

(5)

其中，As為R下部橫向受力鋼筋。

為避免梁端的傾斜裂縫受損，通常把梁內(nèi)R下部橫向受力鋼筋從和裂開(kāi)縫隙⑥的相交位置處開(kāi)始固定。

2)R部的垂直抗剪計(jì)算。

如果R部沿著開(kāi)裂縫隙②損壞時(shí)，應(yīng)該驗(yàn)算其垂直方向的抗剪能力。使用摩擦抗剪原理檢驗(yàn)計(jì)算全部經(jīng)過(guò)開(kāi)裂縫隙②的水平方向鋼筋的抗剪能力。如果經(jīng)過(guò)驗(yàn)算以后發(fā)現(xiàn)其不符合要求，則應(yīng)該添加橫向鋼筋，新安裝的橫向鋼筋應(yīng)該盡可能的臨近R的下方位置的鋼筋。

3)抗拉和抗彎計(jì)算。

通過(guò)圖6模型里R部A點(diǎn)的受力情況可以發(fā)現(xiàn)，T1上橫向力是Fh1+Vu。因此梁上部承受拉力鋼筋的面積可以使用式(6)進(jìn)行計(jì)算：

(6)

4)凹角處的抗拉計(jì)算。

在凹角位置需要布置一些鋼筋，避免拉力所導(dǎo)致的如圖4所示的裂開(kāi)縫隙③。為避免在此位置出現(xiàn)脆性破壞，應(yīng)該運(yùn)算凹角位置的抗拉強(qiáng)度。縱向鋼筋應(yīng)該盡可能配置于F部端部，確保其能夠縱向承受拉力。從圖6中的模型能夠看出，凹角位置的縱向鋼筋所承受的拉力是Vu。則豎向鋼筋的總面積為：

(7)

此類鋼筋應(yīng)該在梁端進(jìn)行科學(xué)的配置以及固定，在梁下端可把其焊接于梁端預(yù)先埋設(shè)的構(gòu)件上。

5)預(yù)制梁本身的斜裂縫抗剪。

在缺口梁端的下部預(yù)先埋設(shè)構(gòu)件位置有可能發(fā)生沿著裂開(kāi)縫隙⑥的破壞情況，見(jiàn)圖4，針對(duì)此類破壞情況，可以使用混凝土標(biāo)準(zhǔn)里有關(guān)的抗剪計(jì)算式檢驗(yàn)，此處不再介紹。

1.3 缺口梁的構(gòu)造

配筋構(gòu)造以及錨固會(huì)直接影響到梁端應(yīng)力，所以配筋構(gòu)造以及錨固非常關(guān)鍵，缺口梁向外伸出端的高應(yīng)不小于預(yù)制梁的1/2，連接梁端的缺口梁相連構(gòu)造取梁高1/2。R部下面的水平主筋A(yù)。要固定至梁的末端位置，和端部預(yù)先埋設(shè)的鋼板焊接到一起(或者使用預(yù)先埋設(shè)的角鋼)。豎向吊筋，應(yīng)該盡量與梁身端部位置臨近，同時(shí)使用封閉環(huán)筋包裹上部與下部?jī)商幜航?，在下部位置可焊至梁端預(yù)先埋設(shè)的構(gòu)件上。

2 梁端懸挑牛腿的研究

從圖2中能夠發(fā)現(xiàn)，在企口連接里，缺口梁以及梁牛腿兩類結(jié)構(gòu)的受力情況比較類似，在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，兩個(gè)結(jié)構(gòu)的R部可以保持高度一致，因此在運(yùn)算時(shí)僅算出一類構(gòu)件即可。關(guān)于梁牛腿的運(yùn)算，可使用與缺口梁相同的運(yùn)算方式，本文此處不再贅述。這里需要注意，對(duì)于梁牛腿的F部而言，應(yīng)該驗(yàn)算其懸挑梁的抗彎曲以及抗剪性能，從而保證其作用效果與要求相符。為確保接頭強(qiáng)度具有一定的連續(xù)性，如果經(jīng)過(guò)運(yùn)算得到的梁牛腿的橫向受力鋼筋與缺口梁上方或者下方受力鋼筋相比較小，那么應(yīng)該選擇缺口梁結(jié)構(gòu)的鋼筋面積完成鋼筋配置操作。關(guān)于梁牛腿，應(yīng)該將其R部位置的受力鋼筋牢固的固定在柱內(nèi)。中柱梁牛腿里橫向受力鋼筋需要保持直通，同時(shí)依照兩個(gè)端點(diǎn)運(yùn)算相對(duì)較大的鋼筋面積并完成配置操作。鋼筋在R部或者F部端能夠被制作成穩(wěn)定性較高的U狀?，F(xiàn)場(chǎng)澆筑梁柱的節(jié)點(diǎn)，受到周期性變化荷載的影響，梁上鋼筋可能會(huì)出現(xiàn)“拉風(fēng)箱”形式的移動(dòng)。但是在牛腿節(jié)點(diǎn)里，因?yàn)樗苄糟q逐漸移動(dòng)至牛腿的外側(cè)邊緣，柱邊位置的鋼筋通常還沒(méi)有屈服，節(jié)點(diǎn)的核心處在彈性狀態(tài)，所以梁筋相對(duì)不易移動(dòng)。為確保梁上部位置的縱筋較為穩(wěn)固，可以在柱的中心位置增加焊錨板或者焊短筋都可以獲得理想的效果，操作也較為簡(jiǎn)便。

3 結(jié)論與展望

本文通過(guò)對(duì)缺口梁以及懸挑牛腿的理論分析，提出新型梁的抗壓、抗剪及抗彎的計(jì)算方式，希望對(duì)以后起到指導(dǎo)作用。

隨著裝配式建筑的進(jìn)一步發(fā)展，新型的裝配式結(jié)構(gòu)一定會(huì)得到發(fā)展，研究其性能將會(huì)成為發(fā)展裝配式建筑的關(guān)鍵一步。