装配式型钢连接混凝土梁力学性能研究

胡习兵，王心意*，曾裕林，陈 瑞，李清山

(1.中南林业科技大学 土木工程学院，长沙 410004；2.湖南大学 土木工程学院，长沙 410082；3.长沙三远钢结构有限公司，长沙 410114)

装配式混凝土结构是由预制混凝土构件通过可靠的连接方式装配而成的混凝土结构[1].与传统的现浇混凝土结构相比，装配式混凝土结构具有工业化程度高、施工周期短、质量高等优点，且较大程度减少了建筑垃圾，降低了能耗.

目前，国内外学者对装配式混凝土梁的受力性能进行了大量研究.刘昌永等[2]对两端带钢接头的装配式组合梁进行了抗弯性能试验，研究了钢接头与混凝土梁连接界面处的滑移问题；孙文彬等[3]对3根装配预制梁及1根对比梁的力学性能进行了对比试验研究；Yang等[4]对一种采用螺栓连接的H型钢-混凝土预制混合梁(HSPC)进行了受弯性能试验，研究了HSPC梁的延性和连接节点刚度；Guo等[5]对12根端部预埋槽钢的预制混凝土梁进行了静力加载试验研究，分析了槽钢预埋深度和箍筋加密对试件承载力和变形能力的影响；张锡治等[6]对一种两端带钢梁的新型钢-混凝土预制混合梁进行了受弯性能试验，研究了端部钢梁长度对试件的裂缝、极限承载力和延性的影响.

钢筋套筒灌浆作为目前实际工程中普遍采用的混凝土预制构件连接方式，因施工工艺复杂，在灌浆施工过程中常会出现浆料不饱满的现象，且工程检测市场缺乏可靠和有效的灌浆质量检测方法[7-8].针对上述问题，本文参考钢结构构件连接方式，提出了装配式混凝土构件间采用型钢连接件的连接方式.利用通用有限元分析软件建立了型钢连接混凝土梁的有限元模型，对其力学性能进行分析；并在验证有限元模型合理性的基础上，重点研究了型钢连接件的长度、腹板厚度、翼缘厚度和型钢钢材强度变化对混凝土梁力学性能的影响.

1 装配式构件设计

在预制混凝土梁的两端设置钢结构连接件(丄形钢)，构件构造示意图如图1所示.

图1 带丄型钢的装配式混凝土梁示意

为方便该梁的安装连接，将梁端与柱端连接部位设置钢结构连接节点，梁与节点的连接示意图如图2所示.预制构件间先采用螺栓连接实现定位安装，再通过焊接确保连接的可靠性，施工效率高，质量也易于保证.

图2 装配式组合节点与混凝土梁连接示意

2 有限元模型建立

2.1 有限元分析模型

为研究型钢连接件等参数对装配式混凝土梁力学性能的影响，本文设计了两端带丄型钢连接件的预制混凝土梁的标准模型.标准模型截面尺寸为300 mm×450 mm，梁长为3 600 mm，混凝土强度等级为C30，型钢材料等级为Q345钢，纵向受力钢筋强度等级为HRB400，箍筋强度等级为HPB300.标准模型具体尺寸及配筋见图3.

图3 装配式型钢连接混凝土梁详细尺寸/mm

采用通用有限元分析软件建立了一系列装配式型钢连接混凝土梁有限元分析模型.采用上述标准构件模型，研究了丄型钢连接件的长度、腹板厚度、翼缘厚度和型钢钢材强度等级变化对梁力学性能的影响.数值模型参数见表1.

表1 数值模型参数

2.2 材料本构关系

文中混凝土材料本构模型选用损伤塑性模型，混凝土本构关系采用《混凝土结构设计规范》(GB50010)[9]推荐的应力-应变曲线，见图4.

图4 混凝土单轴应力-应变曲线

基于所采用的混凝土单轴应力-应变关系曲线，根据损伤力学与塑性流动理论[10]计算混凝土受压和受拉塑性损伤因子，得到混凝土损伤塑性模型.根据文献[9]得到的混凝土材性参数取值见表2.

表2 混凝土材性参数

钢材的应力-应变关系采用三折线简化模型，该模型由弹性阶段、强化阶段和水平阶段组成[11]，见图5.其中，fy为屈服强度；εy为屈服应变；E为弹性模量，强化阶段弹性模量Est取0.01E.

图5 钢材简化应力-应变曲线

根据文献[12]得到的钢材参数取值见表3.

表3 钢材材性参数

2.3 网格划分及相互作用

本模型采用分离式建模方式：钢筋采用三维桁架线性单元T3D2模拟，混凝土和型钢部件均采用减缩积分实体单元C3D8R模拟，钢筋与型钢焊接通过Merge来模拟，钢筋、型钢与混凝土间采用嵌入约束(embedded region).将模型梁两端和跨中加载位置分别耦合于参考点RP1、RP2和RP3，将约束与荷载分别施加在3个参考点上；在梁一端施加x、y、z向平动约束和x、y、z向转动约束；另一端施加x、y向平动约束和x、y、z向转动约束；梁跨中通过位移加载的方式进行单调静力加载.有限元模型及网格划分见图6.

图6 有限元模型示意

3 有限元分析结果

3.1 模型验证

为验证本文有限元模型各参数设置的可行性，基于课题组前期完成的装配式型钢连接混凝土梁柱构件及组合节点在单调静力荷载作用下的力学性能试验(见图7)，建立梁柱构件及组合节点有限元模型，将有限元分析得到的荷载-位移曲线和破坏形态与试验结果进行对比，见图8和图9.

图7 装配式梁与组合节点连接

图8 有限元分析值与试验值对比

图9 破坏形态对比

通过对比可知，有限元分析结果与试验测试结果吻合良好.

3.2 丄型钢连接件长度对梁受力性能的影响

图10为丄型钢连接件长度变化时梁的荷载-位移曲线.

图10 丄型钢连接件长度对梁受力性能的影响

由图10可以看出，随着丄型钢连接件长度的增加，梁的极限荷载逐渐增大.丄型钢连接件长度为350，450和550 mm时的梁极限承载力较250 mm时分别提高了4.93%，9.81%和15.38%.当丄型钢连接件长度为550 mm时，梁的荷载-跨中位移曲线在进入塑性阶段后，荷载缓慢增大至最大承载力，曲线斜率降低，但试件挠度变形还能继续发展较长一段，仍具有一定延性，说明增加型钢连接件的长度能提高梁的变形能力.

3.3 型钢钢材强度等级对梁受力性能的影响

图11给出了型钢钢材强度变化时梁的荷载-位移曲线.

图11 型钢钢材强度等级对梁受力性能的影响

由图11可知，梁的极限承载力随钢材强度等级的提高而略有上升，但影响不大.这说明连接部位截面具有足够的刚度.在工程应用时，可根据构件的实际受力情况选取强度等级较低的钢材，以降低工程造价.

3.4 型钢连接件腹板厚度对梁受力性能的影响

图12给出了型钢连接件腹板厚度变化时梁的荷载-位移曲线.由图12可知，随着腹板厚度的增加，梁极限承载力有少许提升，型钢连接件腹板厚度为6，8和10 mm时的梁极限承载力较4 mm时分别提高了1.44%，3.33%和4.04%.可见，增加型钢腹板厚度对梁极限承载力影响较小.

图12 型钢连接件腹板厚度对梁受力性能的影响

3.5 型钢连接件翼缘厚度对梁受力性能的影响

图13给出了型钢连接件翼缘厚度变化时梁的荷载-位移曲线.

图13 型钢连接件翼缘厚度对梁受力性能的影响

由图13可知，随型钢翼缘厚度的增加，梁极限承载力和刚度提升幅度不大，但其极限位移会减小.拼接段型钢翼缘厚度为9，12和15 mm时梁的极限承载力较6 mm时分别提高了1.18%，3.52%和6.5%.这说明增加型钢翼缘厚度虽能略微提高梁极限承载力，但其变形能力也会下降.可见，在梁端型钢连接件设计时，为使型钢材料得到充分利用，不宜盲目通过增大翼缘厚度来提高梁的极限承载力.

4 结论

1)预制构件连接部位采用型钢连接件的方式进行连接，避免了常规的套筒注浆等连接方式带来的工程质量安全隐患，且其承载力更高，传力更可靠，施工安装更快捷.

2)丄型钢连接件长度和翼缘厚度变化对梁的力学性能影响较大，且随尺寸的增大，构件极限承载力增加.

3)丄型钢连接件的钢材强度和腹板厚度对梁的力学性能影响相对较小.在工程应用中，可根据构件实际受力情况选取较为经济的参数，以降低工程造价.