装配式预制变截面型钢梁承式阳台受力性能研究

郭 增，彭帅杰，陈 丰，王晟华

(1.张家口职业技术学院，河北 张家口 075000；2.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000；3.北旺建设集团有限公司 ，河北 承德 067000；4.河北省装配式建造与地下工程技术创新中心 ，河北 承德 067000；5.张家口市智慧工地技术创新中心，河北 张家口 075000)

引言

预制阳台作为装配式住宅建筑构件部品的重要组成部分，它的构造形式尤其是与主体部位的连接形式备受关注。悬挑式阳台的根部为其关键受力部位，在进行阳台设计时，重点考虑其根部与主体结构连接的可靠性，避免出现阳台整体倾覆，同时阳台挠度也需符合正常使用极限状态要求。

1 阳台模型及其连接构造

现有梁承式装配式阳台结构中悬臂梁多采用钢筋混凝土梁，与主体结构连接多采用预留钢筋与主体结构锚固连接。这种连接需要在阳台与主体结构连接侧预留较长钢筋(多为悬挑长度的1.2倍)，在生产和运输过程中占用空间较大，在现场吊装过程中手扶就位安装容易发生安全事故。梁侧预留钢筋极易与主体结构箍筋发生碰撞，不仅影响施工效率，还对钢筋绑扎质量造成影响。同时这种连接方式需要在现场进行浇筑，浇筑质量难以保证[1]。基于此种状况研究设计了一种预制变截面型钢梁承式阳台，阳台尺寸如图1所示。阳台T字形弧线变截面型钢梁悬挑长度1200 mm，翼缘宽度为100 mm，厚度为10 mm；腹板根部最大高度为200 mm，厚度为8 mm。悬挑梁根部焊接200 mm×300 mm×10 mm的钢垫板，钢垫板通过预埋在主体结构的8根螺杆与主体结构栓接在一起；悬挑梁翼缘上侧与阳台板底部在构件厂通过预埋在板底的钢板焊接在一起，阳台板尺寸为3600 mm×1200 mm×100 mm，板内配筋C10@200，双层双向布置。螺栓直径为16 mm，屈服强度为940 MPa，抗拉强度为1040 MPa。钢材强度等级均为Q345，阳台板混凝土等级C30。

图1 阳台尺寸

阳台结构中的T字形弧线变截面型钢悬挑梁与主体采用螺栓连接，相比钢筋锚固连接方式施工简便、安全，解决了传统阳台出筋太长带来的运输和安装问题，提高了施工质量。

2 阳台受力性能分析

采用通用有限元软件ABAQUS分析阳台的受力性能，设计阳台楼面恒载3.2 kN/m2，活载2.5 kN/m2，混凝土材料采用塑性损伤模型，具体参数如表1所示，模型参数的准确性验证见文献[2]，钢筋和钢材采用弹塑性双折线性本构模型。模型中钢筋采用三维桁架单元T3D2，其余构件均采用八节点线性六面体单元C3D8R。网格划分采用结构化网格划分技术，经多次模拟分析后最终混凝土墙板网格划分为20 mm，钢筋网格划分为10 mm，腹板和翼缘网格划分20 mm，垫板网格划分10 mm，螺栓网格划分为1 mm，模拟结果因网格进一步划分变化不大。图2为阳台模型的网格图。

表 1 混凝土塑性损伤模型参数

图2 阳台模型网格图

因有限元分析对模型结构进行了简化处理，假设钢筋与混凝土之间完好黏结，不考虑钢筋与混凝土之间的滑移影响，钢筋与混凝土采用Embed约束；采用Tie约束简化模拟螺栓与钢垫板孔壁间的栓接；假设焊缝质量良好，所有钢构件间焊接处均采用Tie约束。边界条件为螺栓与主体结构栓接部分采用完全固结。

对阳台模型分析得到整体结构的应力云图如图3所示，型钢挑梁最大应力位于型钢挑梁翼缘根部内侧与钢垫板连接处,为257.6 MPa，未达到Q345钢材的屈服强度，实际工程中应重点关注此连接部位，保证焊缝质量达到相应要求。

图3 整体结构应力云图

阳台板钢筋网片应力云图如图4所示。钢筋网片的最大应力约为144 MPa，位于跨中悬挑最远端的下层纵向受拉钢筋，除了跨中部位的下层纵向钢筋外，处于两根悬挑梁根部位置的上层横向钢筋应力也较大，原因是挑梁对阳台板的约束力较大。

图4 钢筋网片应力云图

阳台板竖向位移云图见图5，最大竖向位移位于跨中悬挑最远端，大小为15.16 mm，超过混凝土结构设计规范中受弯构件的最大挠度值12 mm的要求，该阳台结构需要进行局部优化。

图5 竖向位移云图

3 阳台局部优化

阳台板挠度超限一般是由于其悬挑长度过大或开间宽度过大造成，对该挠度超限阳台提出两种优化方案并利用有限元软件进行建模分析。

方案一为在板跨中位置加设一根悬挑梁，减少跨度，悬挑梁采用原变截面型钢梁，如图6所示。

图6 优化方案一结构外观图

方案二是在板端部设置一加劲肋，增加阳台板抗弯刚度，加劲肋尺寸为3400 mm×50 mm×6 mm，加劲肋与阳台板底部预埋钢板焊接在一起，如图7所示。

图7 优化方案二结构外观图

方案一优化后的结构竖向位移云图如图8所示，最大竖向位移位于距跨中悬挑最远端的左右约1/6板跨度处,大小为1.50 mm<12 mm，为优化前的10 %，满足挠度要求。通过分析，型钢挑梁最大应力减小至175 MPa，为优化前的69 %。钢筋网片的最大应力减小至14 MPa，为优化前的10 %，位于挑梁根部，用钢量在原结构的基础上增加了50 %。

图8 优化方案一竖向位移云图

方案二优化后的结构竖向位移云图如图9所示，最大竖向位移位于跨中悬挑最远端，大小为10.44 mm<12 mm，为优化前的69 %，满足挠度要求。通过分析，型钢挑梁最大应力减小至204 MPa，为优化前的79 %。钢筋网片的最大应力减小至71 MPa，为优化前的49 %，用钢量在原结构的基础上增加了17.35 %。

图9 优化方案二竖向位移云图

两种优化方案均能使阳台板的最大挠度降低至规范要求，其中方案一的最大挠度降幅达90 %，方案二的最大挠度降幅为31 %，方案一对型钢挑梁和钢筋的应力降幅效果均优于方案二。方案一与原方案相比用钢量增加50 %，方案二与原方案相比用钢量增加17.35 %。

结论

为解决现有梁承式预制阳台运输与安装过程中效率低和易发生安全事故等问题，设计出一种新型预制变截面型钢梁承式阳台，使用有限元软件ABAQUS进行受力性能模拟分析，得出以下几点结论：

(1)该新型阳台在设计荷载作用下型钢挑梁的最大应力为257.6 MPa，钢筋网片最大应力为144 MPa，均未达到屈服。

(2)阳台板的最大竖向位移为15.16 mm，超过规范要求。对此提出两种使阳台板最大挠度降低的方案，其中方案一的最大挠度降幅达到90 %，方案二的最大挠度降幅达到31 %。

(3)方案一承载能力优于方案二，但用钢量较方案二增加较多，实际工程中可结合设计要求和造价综合考虑进行选择。