全預(yù)制裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)新型干式節(jié)點埋件受力性能分析研究

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 443000）

1 概述

在一些復(fù)雜的工業(yè)建筑及裝配式建筑結(jié)構(gòu)中，預(yù)埋件的用鋼量往往比較大，因此設(shè)計時應(yīng)充分考慮預(yù)埋件的構(gòu)造設(shè)計。一般情況下，預(yù)埋件對裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件的外觀尺寸影響較小，它是利用預(yù)先埋入混凝土結(jié)構(gòu)中的預(yù)制鐵件，通過后期的焊接或螺栓連接達(dá)到構(gòu)件間互相連接的目的。通常，預(yù)埋件是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間主要的傳力部件，因此，對預(yù)埋件構(gòu)造設(shè)計和驗算等的研究意義重大。

2 新型干式節(jié)點預(yù)埋件構(gòu)造設(shè)計

新型干式節(jié)點預(yù)埋件的構(gòu)造設(shè)計也是基于錨筋式埋件節(jié)點，對于錨筋式埋件節(jié)點,國內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了大量研究，如王寶珍等針對不同類型預(yù)埋件進(jìn)行試驗,在鋼筋混凝土的“剪力- 摩擦”理論的基礎(chǔ)上,提出了預(yù)埋件在不同受力狀態(tài)下的錨筋計算式[1]。預(yù)埋件專題研究組給出了錨筋式埋件在純剪、拉剪和彎剪狀態(tài)下的受力性能,提出了拉剪預(yù)埋件的計算式[2]。殷芝霖等對錨筋式埋件的破壞機(jī)理、計算方法、構(gòu)造要求和有關(guān)影響承載力的主要因素進(jìn)行了分析論述, 并提出了純拉狀態(tài)下錨筋式埋件的抗拉承載力計算式[3]。此外,王秀娟等在分析計算錨板厚度的基礎(chǔ)上, 認(rèn)為在軸心受拉和受彎構(gòu)件的錨板厚度計算中,錨板厚度取1.3 倍的錨筋直徑可滿足要求[4]。朱耀國等建立了有限元模型對預(yù)埋件的受力性能進(jìn)行數(shù)值計算[5]。

論文中采用的預(yù)埋件主要是由鋼板和預(yù)埋錨筋（構(gòu)件的縱筋兼做錨筋）組成的錨筋式預(yù)埋件，可參考文獻(xiàn)[6]中相應(yīng)的預(yù)埋件類型進(jìn)行構(gòu)造設(shè)計和計算。新型干式節(jié)點預(yù)埋件（方鋼管法蘭盤）的構(gòu)造設(shè)計如圖1 所示。

圖1 方鋼管法蘭盤連接節(jié)點

另外，由于拼接節(jié)點一般設(shè)置在構(gòu)件反彎點附近，受力分析時是否考慮地震作用將直接影響拼接節(jié)點受力情況。故在此分兩種情況進(jìn)行預(yù)埋件的設(shè)計。

3 靜載作用下預(yù)埋件的設(shè)計

在方鋼管法蘭盤連接中，方鋼管法蘭盤與預(yù)制混凝土構(gòu)件通過預(yù)埋錨筋（混凝土構(gòu)件縱筋可以兼做錨筋）進(jìn)行錨固，靜載作用時，預(yù)埋件只受到軸力和剪力的作用。下面利用摩擦抗剪設(shè)計方法對預(yù)埋錨筋的設(shè)置進(jìn)行討論。

在預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中，特別是在連接處，直接受剪可能會使構(gòu)件發(fā)生剪切破壞。此時，如果剪應(yīng)力較大的剪切面不能提供足夠的抗剪承載能力，可能會發(fā)生嚴(yán)重后果。

方鋼管法蘭盤所需的預(yù)埋錨筋可通過摩擦抗剪設(shè)計方法來確定。假設(shè)在方鋼管法蘭盤連接中，預(yù)制柱的榫齒沿截面1-1 開裂，且有預(yù)埋鋼筋、預(yù)制柱縱筋穿過此截面。剪力V 平行于開裂面，使得榫齒相對于預(yù)制柱有沿著開裂截面發(fā)生相對滑動的趨勢，此時剪力V 主要由開裂面處的摩擦力來抵抗，并且預(yù)埋鋼筋和縱筋由于相對滑動而受拉。受力示意圖，如圖2 所示。

圖2 混凝土開裂處受力分析圖

當(dāng)預(yù)埋錨筋的屈服強度相同時，壓力最大值將出現(xiàn)在截面的兩邊，其值為：

其中

式中：Nmax——壓力最大值；

N——預(yù)制拼接柱所受軸力；

T——截面內(nèi)預(yù)埋鋼筋與預(yù)制柱縱筋所受拉力值；

N1——榫齒所受的軸為；

N2——方鋼管法蘭盤所受的軸力；

Ag——方鋼管法蘭盤的承壓面積；

Ae——榫齒截面面積；

A——預(yù)制拼接柱截面面積；

Am——預(yù)埋錨筋總的截面面積；

As——預(yù)制柱縱向受力鋼筋總的截面面積；

fmv——預(yù)埋鋼筋的屈服強度。

開裂面處的摩擦力可由軸向壓力乘以有效摩擦系數(shù)μe來確定，其取值可參考ACI 規(guī)范[7]按下式計算：

式中：λ ——系數(shù)，對普通混凝土取 λ=1.0；

μ——摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù) μ的選取，可參考ACI規(guī)范，對整體澆筑的普通混凝土取1.4，接觸面不作任何處理時取0.6。

根據(jù)ACI 規(guī)范的有關(guān)規(guī)定，在實際設(shè)計和驗算時，還應(yīng)對混凝土開裂面處的摩擦力乘以折減系數(shù)φ，對于抗剪計算時，φ 取0.85。當(dāng)榫齒兩端鋼筋屈服強度相同時，隔離體為研究對象，由力的平衡得：

μ1取0.6，μ2取1.4；

b1——預(yù)制柱截面受剪寬度；

b2——榫齒核心區(qū)混凝土受剪寬度。

將式（2）和（3）代入式（5）得：

從而得到預(yù)埋錨筋的驗算公式：

綜上可知，在方鋼管法蘭盤連接中，進(jìn)行預(yù)制柱的榫齒截面設(shè)計后，還應(yīng)根據(jù)式（7）對方鋼管法蘭盤上的預(yù)埋錨筋進(jìn)行驗算。

4 地震作用下預(yù)埋件的設(shè)計

在地震作用下，預(yù)埋件將受到軸力、剪力和彎矩的共同作用，預(yù)埋件的構(gòu)造設(shè)計，如圖3 所示。應(yīng)根據(jù)文獻(xiàn)[6]中的方法設(shè)計預(yù)埋件。

圖3 方鋼管法蘭盤與錨筋受力分析圖

（1）在剪力、法向拉力和彎矩共同作用下，預(yù)埋錨筋截面面積應(yīng)分別按公式（8）和（9）計算，并取二者較大值：

（2）在剪力、法向壓力和彎矩共同作用下，預(yù)埋錨筋截面面積應(yīng)分別按公式（10）和（11）計算，并取二者較大值：

V——剪力設(shè)計值；

N——法向拉力或壓力設(shè)計值，法向壓力設(shè)計值不應(yīng)大于0.5fcA，此處A'為法蘭板的面積；

M——彎矩設(shè)計值。當(dāng)M小于0.4NZ 時，取M等于0.4NZ；

T——法蘭板厚度；

αb——法蘭板彎曲變形折減系數(shù)；

αr——鋼筋層數(shù)影響系數(shù)，當(dāng)錨

筋等間距配置時，二層取1.0，三層取0.9，四層取0.85；

Z——沿剪力作用方向最外層錨筋中心線之間的距離。

5 方鋼管法蘭盤的變形驗算

由于螺栓分布較密，每個螺栓都有一定的強度富余，螺栓的變形小于法蘭板，因此螺栓對法蘭板起到一定的限制作用?？紤]螺栓的限制作用后，螺栓受拉和受彎將分別引起相對于中徑的轉(zhuǎn)角變形，其受力變形示意圖，如圖4 所示。

圖4 高強螺栓受彎及法蘭板變形情況

由螺栓受拉及受彎所產(chǎn)生的相對于中徑轉(zhuǎn)角分別為：

式中：L——螺栓的長度；

Ae——螺桿的有效面積；

ΔN——螺栓沿桿軸的變形；

d0——六角形螺栓的外徑；

假設(shè)法蘭板邊界是連續(xù)化的，法蘭盤的外邊界轉(zhuǎn)角變?yōu)椋?/p>

式中：β ——考慮螺栓間的空隙后法蘭板連續(xù)外邊界轉(zhuǎn)角增大系數(shù)，一般取1.5。則法蘭板的變形驗算條件為：

式中：v——法蘭板受拉力作用處的燒度值；

B——方鋼管法蘭盤截面寬度；

[v]——法蘭板燒度容許值。

6 結(jié)論

6.1 對全預(yù)制裝配式新型干式連接節(jié)點預(yù)埋件（方鋼管法蘭盤）進(jìn)行整體受力分析和構(gòu)造設(shè)計，應(yīng)用摩擦抗剪理論推導(dǎo)出了預(yù)埋件在不考慮地震作用和考慮地震作用兩種情況下的設(shè)計驗算公式。

6.2 依據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范，給出了法蘭盤的強度驗算公式和法蘭盤的變形驗算公式。