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

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 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：首先，能夠充分利用鋼結(jié)構(gòu)房屋建筑的建造特點，促進節(jié)能減排，綠色施工；其次，能實現(xiàn)生產(chǎn)工業(yè)化、施工裝配化、管理信息化，更好的促進基于BIM 的一體化項目實施（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)點的受力性能和構(gòu)造特點的研究具有重要的意義。

1 新型干式節(jié)點受力性能分析

1.1 方鋼管法蘭盤柱-柱連接節(jié)點

方鋼管法蘭盤柱-柱連接節(jié)點[3],根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點，通常預(yù)制柱拼接節(jié)點設(shè)置在柱的反彎點附近，彎矩對節(jié)點的影響可以忽略，故在靜力分析時，可只考慮剪力和軸力的影響。然而在考慮地震作用時，由于不同地震工況下反彎點的位置不固定，因此節(jié)點還將承受一定的彎矩，而節(jié)點的抗彎承載力與方鋼管法蘭盤預(yù)埋件剛度和節(jié)點高強螺栓數(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)點處的高強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框架柱的承載能力。

1.2 方鋼管法蘭盤梁-柱連接節(jié)點

方鋼管法蘭盤梁-柱連接節(jié)點[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，可只考慮剪力的影響。然而在考慮地震作用時，由于在不同地震工況下反彎點的位置不盡相同，通常拼接節(jié)點處還將受到一定的彎矩作用。

預(yù)制梁和柱節(jié)點處核心區(qū)混凝土同樣設(shè)計成凸起的榫齒，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)點承載力計算

2.1 節(jié)點受壓承載力

因節(jié)點核心區(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-混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值；Ac-榫齒截面面積；f-鋼板強度設(shè)計值；A-構(gòu)件截面面積。

2.2 節(jié)點受剪承載力

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;另一種是高強度螺栓連接破壞，設(shè)計時應(yīng)以高強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)點采用摩擦型高強度螺栓連接，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，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)點螺栓個數(shù)；-單個高強度螺栓的抗剪承載力設(shè)計值。

2.3 節(jié)點受彎承載力

方鋼管法蘭盤拼接節(jié)點受彎時的破壞形態(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)破壞以及高強度螺栓連接處破壞。由于高強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)點設(shè)計時，應(yīng)按高強度螺栓連接處破壞作為承載能力極限狀態(tài)進行設(shè)計。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)埋件作為整體進行研究，則在彎矩作用下的受力計算簡圖，見圖1。

圖1 預(yù)制柱受彎計算簡圖

研究表明，頂力應(yīng)等于螺栓拉力乘以一個系數(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 點取距，由力矩平衡條件得：

將式（10）代入式（11）得

由于在設(shè)計時，以節(jié)點高強度螺栓連接破壞作為極限承載能力狀態(tài)，因此受拉側(cè)遠離中和軸處螺栓受到的極限拉力決定了節(jié)點的抗彎承載力，于是有

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

實際工程中，高強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)點受彎承載力的有利影響，式（15）可乘以一個折減系數(shù) ξ。于是式（15）調(diào)整為

3 新型梁-柱干式連接節(jié)點承載力計算

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

3.1 抗剪承載力設(shè)計值

在有外拉力作用時，一個摩擦型高強度螺栓的抗剪承載力設(shè)計值為

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-一個高強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-每個高強度螺栓的預(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，同時摩擦系數(shù)也降低，為方便計算，假定摩擦系數(shù)不變，將Nt值提高至1.25Nt。

3.2 同時承受拉力和剪力作用的高強度螺栓群的計算

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，計算時應(yīng)分開進行。在彎矩M和軸力N 作用下，高強度螺栓最大拉力為

圖2 在彎矩、軸力、剪力共同作用下高強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，螺栓群的抗剪計算按下式

式中：當(dāng)Nti＜ 0時，取Nti=0。

同時承受剪力和桿軸方向拉力的高強度螺栓，應(yīng)按下式計算

式中：Nv-一個螺栓承受的剪力。

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（柱-柱、梁-柱方鋼管法蘭盤連接）進行整體受力分析，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)計規(guī)范，給出了拼接節(jié)點高強螺栓連接強度驗算公式；在此基礎(chǔ)上，給出了方鋼管法蘭盤連接拼接節(jié)點的受拉、受剪、受彎承載力公式。