裝配式建筑構(gòu)件連接結(jié)構(gòu)受力特性數(shù)值模擬

李沙沙，蔣玉飛，康 英

(四川大學(xué)錦江學(xué)院，四川 眉山 620860)

1 引言

裝配式建筑因其工業(yè)特性，而普遍應(yīng)用于眾多與建筑相關(guān)的研究領(lǐng)域中，預(yù)制構(gòu)件設(shè)計特點是構(gòu)成住宅主體結(jié)構(gòu)安全的重要保證。然而由于操作方法的滯后和基礎(chǔ)監(jiān)管不完善，預(yù)制PC構(gòu)件結(jié)構(gòu)特性控制一直未能得到統(tǒng)一嚴格標準?，F(xiàn)階段國家標準的審查已經(jīng)表明，需要在固定時間內(nèi)，在現(xiàn)場荷載下測試PC某些部件的結(jié)構(gòu)特性，最后可以根據(jù)試件承載能力的特點評估支座在不同荷載系數(shù)下的承載能力，確定構(gòu)件能否滿足設(shè)計所需要。

因為我國的PC構(gòu)件生產(chǎn)方式主要以采用模具澆注為主，構(gòu)件要求精度較高，同樣對于模板的制作以及設(shè)計要求更高。PC構(gòu)件在生產(chǎn)過程中，主要存在的問題有：工廠需要進行大面積的堆放構(gòu)件，導(dǎo)致成本提升；模塊化以及標準化較低；出現(xiàn)破損、折舊快；模板結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。這樣就極為容易在器件相連過程中出現(xiàn)連接失敗現(xiàn)象，或者完成正常連接后，由于受力不均勻，導(dǎo)致構(gòu)件掉落，造成生命財產(chǎn)安全受到威脅?；诖?，本文對裝配式建筑構(gòu)件連接結(jié)構(gòu)受力特性數(shù)值進行模擬，并采用有限元模型模擬出建筑土體材料的非線性，最后以樓梯構(gòu)件為例，完成構(gòu)件受力特性數(shù)值模擬分析。

2 裝配式建筑構(gòu)件連接結(jié)構(gòu)特性分析

混凝土現(xiàn)澆工藝因為抗震性較好，曾被廣泛應(yīng)用于建筑工程內(nèi)，但同時也具有施工周期較長、質(zhì)量容易被外界影響等缺點，且環(huán)境污染較為嚴重，已經(jīng)逐漸被裝配式建筑構(gòu)件所取代，使其可以有效節(jié)約人力物力成本、降低環(huán)境所受影響，且施工時間也相對較短，致使建筑行業(yè)出現(xiàn)了變革[1]。

從目前的發(fā)展狀況來看，連接板的連接方式主要為干連接和濕連接，干連接是無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋拼接，首先預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)在工廠完成，同時將鋼板等構(gòu)件埋入連接構(gòu)件中，然后將構(gòu)件連接，目的是通過螺栓連接或焊接；濕連接是指黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋拼，也稱為現(xiàn)澆連接，工廠生產(chǎn)預(yù)制構(gòu)件，運到施工的現(xiàn)場，實現(xiàn)吊裝之后，通過水泥砂漿或者混凝土進行澆筑節(jié)點，完成“后澆筑的整體構(gòu)件”。

2.1 裝配式建筑的節(jié)點連接

建筑的節(jié)點連接在整個工程中是至關(guān)重要的一環(huán)，安全性能較高的建筑應(yīng)該具有“強剪弱彎”“強柱弱射線”“強節(jié)點、弱構(gòu)件”效果，同時，還得存在良好的節(jié)能性、整體劃一性、抗震性等不同方面特征。“強節(jié)點，弱構(gòu)件”主要是強調(diào)節(jié)點的連接重要性，致使塑性能夠出現(xiàn)柔性端，這也要求建筑節(jié)點承載能力比構(gòu)件的承載力大，以此最大程度的提升了建筑結(jié)構(gòu)的承載力以及抗震性能[2]。

2.2 墻板連接

墻板連接方式主要包括墻板與主體構(gòu)件連接、墻板和墻板相連。主體與構(gòu)件連接，主要以焊接、混凝土和螺栓連接完成的。墻板與墻板連接則是需要先將墻板用鋼絲網(wǎng)連接，然后在鋼絲網(wǎng)基礎(chǔ)上現(xiàn)澆。

墻板連接過程應(yīng)更符合建筑產(chǎn)業(yè)化需要，堅持更快捷、方便、安全，因此連接過程中，需要以“軌道式的鍵槽墻板”作為概念，通過在柱和梁上預(yù)制，并在合適位置設(shè)置橫向鍵槽，把墻板進行牢固連接。主要施工步驟為：先將該層梁、柱吊裝拼接，再進行墻板吊裝施工，墻板插入立柱軌道，自上而下安裝，最后與鍵槽連接，用水泥砂漿或其它材料密封。

3 構(gòu)件連接的施工技術(shù)

3.1 PC構(gòu)件制作流程分析

PC組件過程見圖1。

圖1 PC構(gòu)件制作流程

1)預(yù)制連接套管定位以及構(gòu)件鋼筋綁扎

鋼筋綁扎是根據(jù)連接套管連接鋼筋長度以及直徑完成下料，在鋼筋的某端轉(zhuǎn)動鋼絲，將其擰入連接套管中。然后依據(jù)圖紙需求，把鋼筋籠吊在預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)區(qū)中。利用連接套模具的端板泡沫塑料進行覆蓋，接著用螺釘把連接套固定在模具端板上，令其能夠準確定位在模具端板上，最后將連接套筒安裝在灌漿的塑料管等預(yù)埋件中[3]。

2)模具檢驗和裝配

制作PC構(gòu)件過程中，模具通常由高精度底模、模塊化以及施工需求的設(shè)計側(cè)模所構(gòu)成。該模板在建筑構(gòu)件生產(chǎn)中，具有加工便利市場通用性強等優(yōu)點。生產(chǎn)前，模具底板和側(cè)板應(yīng)用鋼絲刷清理干凈，并將兩側(cè)板材按尺寸擺放，模板拼裝時，先將銷子敲緊，以此來控制側(cè)模定位的精度，同時將側(cè)模與底模的連接螺栓擰緊。而組裝好的模板，需要按照圖紙需求完成檢驗，在模板拼裝就位以后，模板的截面尺寸以及標高要符合需求，驗收合格之后，才能夠進行下一道的工序的施工。

3)涂脫模劑

該步驟主要目的是將模具表面除銹、清理干凈，并在其表面刷一層防腐蝕脫模劑，這樣即可根據(jù)脫模劑的化學(xué)性質(zhì)與模具表面中和，產(chǎn)生化學(xué)效應(yīng)，形成完整的吸附膜，從而保護模具。

4)預(yù)埋件以及鋼筋的入模安裝方式

將綁扎好的鋼筋，放置底模上，并根據(jù)圖紙要求對端板位置進行重新固定。這樣安裝的鋼筋就能夠精確定位在定位板上方。這個過程中需要擰緊鋼筋的末端固定螺釘，避免鋼筋出現(xiàn)變形[4]。

5)混凝土澆筑

將混凝土利用輸送設(shè)施，在預(yù)支撐模板上進行澆筑，當混凝土在澆筑到合適的位置之后，采用振動設(shè)備，大幅度降低混凝土密度，以此來達到圖紙的尺寸標準以及精度。

至此，PC構(gòu)件制作完成，如圖2所示。

圖2 PC構(gòu)件完成圖

3.2 有限元模型計算

由于填料和地面呈顆粒狀，其壓力屈服強度遠大于抗拉強度和抗彎強度，同時靜水壓力不僅會引起巖土塑性體積變化，而且局部荷載也會導(dǎo)致塑性體積產(chǎn)生變化，因此本文利用彈塑性模型Drucker-Prager進行受力特性計算[5]，因為Drucker-Prager模型中屈服函數(shù)考慮了流體靜水壓力的影響，所以計算過程中屈服準則，則引用Von Mises屈服準則[6]，根據(jù)其準則原理，等效應(yīng)力的計算式就可以寫為

(1)

假設(shè)令材料的屈服參數(shù)判定為σy=6CcosΦ/3(3-sinΦ)，那么準則的表達式即可寫為

(2)

DP材料中，碰撞角Φf是根據(jù)實際情況來呈現(xiàn)構(gòu)件體積膨脹尺寸的，如果Φf=0，土體不會發(fā)生膨脹變化，但假設(shè)取值為Φf=Φ，那么將會發(fā)生嚴重的膨脹變化[7]。

裝配式建筑構(gòu)件結(jié)構(gòu)的拉筋為HPB235級碳素鋼，因此采用一維桿單元進行模擬。假定PC墻體只有抗拉強度，但不考慮其壓縮和彎曲性能，因此在分析中將其視為線彈性材料；PC墻體被視為桿件，其材料為線彈性。實際計算過程中，引用ANSYS接觸單元，針對填料與連接條的接觸界面進行非線性狀態(tài)模擬，并采用庫倫準則調(diào)整兩種材料之間接觸面的受力性強度，根據(jù)計算結(jié)果進行進一步研究。

τf=σntanΦ+C

(3)

式中，將τf、σn分別描述成截面抗剪的強度以及法向正應(yīng)力，因為灌溉的構(gòu)件和拉筋之間的粘接力C低于建筑土體之間的粘接力，那么就有取值C=0，Φ表述為界面摩擦角。本文將Φ設(shè)置為35度，實際操作過程中，當出現(xiàn)連接節(jié)點剪應(yīng)力低于剪切強度時，即可得知兩種材料之間的接觸面呈現(xiàn)出一種粘結(jié)狀，反之剪應(yīng)力高于剪切強度時，就會使界面產(chǎn)生滑移，連接不穩(wěn)定，因此可根據(jù)接觸面狀態(tài)來判定材料的連接狀態(tài)，避免連接后出現(xiàn)構(gòu)件破碎等情況[8]。

界面摩擦滑向示意圖如圖3所示。

圖3 界面摩擦準則

3.3 計算構(gòu)件結(jié)構(gòu)以及材料參數(shù)

以建筑工地用雙面增強PC構(gòu)件為計算模型，其廣義幾何參數(shù)為：填土高度9.6m，擋土墻寬度20m，道路縱截10m，地基土的計算深度為10m，而基礎(chǔ)計算的寬度則為擋土墻寬度2倍，就是40m，實現(xiàn)對稱結(jié)構(gòu)的分析。建筑土壤物理力學(xué)指標如表1所示。

表1 建筑土壤物理力學(xué)指標

在表1中，表示地基土和填土二者的主要物理力學(xué)標準，將其計算的區(qū)域劃分成21164個單元以及24948個節(jié)點，那么計算結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 計算結(jié)構(gòu)示意圖

4 受力特性數(shù)值模擬

4.1 樣本構(gòu)件參數(shù)確定

以預(yù)制PC構(gòu)件樓梯為例，該構(gòu)件為預(yù)制裝配式混凝土PC構(gòu)件-樓梯，作為某裝配式的別墅豎向通道部件，具體如下圖5所示[9]。

圖5 PC構(gòu)件樓梯立面圖

PC構(gòu)件的自重是19.0kN；裝修的荷載：1.0kN/m2；恒荷載標準值gk=19/(2.88×1.2)=5.50kN/m2；活荷載標準值qk=3.5N/m2；荷載標準值Sk=5.5+3.5+1.0=10.0kN/m2；荷載設(shè)計值S=1.2×(5.5+1.0)+1.4×3.5=12.7kN/m2。

4.2 構(gòu)件結(jié)構(gòu)性能檢測

4.2.1 實驗?zāi)康?/p>

靜載測試以預(yù)制的PC構(gòu)件樓梯舉例，對構(gòu)件的受力性能進行了分析。首先將實測的荷載作用下的理論值與形變值進行比較，確認：樓板能否滿足設(shè)計荷載的標準以及最終使用的狀態(tài)總和。測試結(jié)果中，要根據(jù)PC構(gòu)件的形變、儲存能力以及裂縫寬度的測量，確認試驗PC構(gòu)件結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。

4.2.2 試驗內(nèi)容以及方法

為了能夠更好的測試構(gòu)件的受力特征，將在實際仿真中采用短期靜載試驗，令構(gòu)件在不同受力荷載的前提下進行測量。模擬實驗操作臺用三角鋼作為支撐，這樣即可令試驗零件，都處于正常工作的狀態(tài)，然后進行形變判定[10]。

首先根據(jù)構(gòu)件的強度特性和試驗要求，在構(gòu)件兩端的中心位置設(shè)置4個變形測量點，采用藍牙4.0遠程適配器，為了實時監(jiān)測構(gòu)件在不同載荷下的變形，在樓梯構(gòu)件的頂端與底端，分別放置一個監(jiān)測器，目的是為了能夠?qū)崟r獲取出連接過程中，因受力而產(chǎn)生的裂縫等信息，這樣在保證裂縫沒有達到極限承受值基礎(chǔ)上，完成構(gòu)件連接。監(jiān)測點布置圖像如上圖6所示[11]。

圖6 測點布置示意圖

裂紋測量：記錄試驗荷載的作用下，PC構(gòu)件的開裂時間以及位置的全過程，且在構(gòu)件的表面作標記；利用djck-2裂縫寬度儀[12](精度等級：0.01mm)測量構(gòu)件寬度，并記錄風(fēng)險點寬度變化，驗證儲存容量：根據(jù)構(gòu)件的設(shè)計信息，理論上測試電壓、壓縮、彎曲、推力、扭轉(zhuǎn)、局部壓實、錨固和計算鋼筋的連接計算公式如下

(4)

根據(jù)上式計算結(jié)果得知，構(gòu)件最高可加載取值為p=k×s-g=1.6×12.7-5.5=14.82kN/m2。

4.3 實驗結(jié)果分析

構(gòu)件受力特性的詳細分析見表2所示。

表2 受力特性分析表

試驗的結(jié)果說明：

1)試驗荷載為9.74kn(荷載系數(shù)為1.20)時，構(gòu)件的實測彎曲撓度為7.58mm<57.60mm(承載力標志)；彎曲撓度：L/50=2880/50=57.6mm(L代表構(gòu)件長度)。

2)實測最大的裂縫寬度要小于1.5mm(承載力的標志)。

3)在各級加載系數(shù)的荷載效應(yīng)作用下，構(gòu)件未出現(xiàn)承載力標志的特征。

5 結(jié)論

為了解決連接時因受力計算取值不精準而導(dǎo)致的失誤，本文提出裝配式建筑構(gòu)件連接結(jié)構(gòu)受力特性數(shù)值模擬分析方法。經(jīng)仿真結(jié)果驗證，所提方法可以有效計算出受力特征的加載系數(shù)，使其可以精準連接，并具有較高適用性。