预制梁端预设短锚筋结构方案设计

马青萍

本文针对预制梁这种横截面小且截面上有较多梁纵筋甩出、很难进行粗糙化处理的预制构件，提出了预制梁端采取预设短锚筋代替粗糙化处理的方案。利用ABAQUS有限元软件参考已有的预制梁柱节点足尺实验，计算分析得：梁端预设短锚筋的最优布置方案为HPB300级直径为的6短锚筋均匀布置在预制梁端键槽垂直截面部位。

在装配式混凝土框架结构中预制梁和柱连接节点处存在新旧混凝土的结合面，使得该部位形成了混凝土不同龄期抗剪切薄弱面。中国建筑科学研究院的颜峰等论证规范中预制梁端承载力计算公式的准确性、结合面抗剪力学性能研究。赵勇等分别设计梁端设计键槽、粗糙面的试件，总结得出粗糙化处理方式多，但施工质量难以把控、评价标准不一，建议要强化针对结合面处粗糙处理的设计要求和施工质量。根据提出在预制梁端结合面预设短锚筋处理方式提高预制梁端的承载力，即在预制梁端新旧混凝土结合面处通过预设短锚筋有效的拉结，使预制梁、柱在节点区通过后浇混凝形成受力整体。这将免去预制梁构件加工时对梁端这种横截面较小且有很多纵筋甩出的预制构件进行粗糙化处理的加工步骤，同时因为短锚筋的绑扎、混凝土浇筑均与预制梁同步，大大加快了预制构件加工效率和施工进度。

一、“键槽+预设短锚筋”方案设计

短锚筋在预制梁端结合面处的布置如图1所示：短锚筋一侧预埋在预制梁端部与预制梁一起在工厂加工完成，一侧预留甩出长度laE的钢筋，运输至施工现场，与预制柱等其他构件通过后浇混凝土整浇在一起形成受力整体。

图1中的为抗震锚固长度,为保证本文提出的短锚筋在地震工况下能与相接触的混凝土之间有充分的黏结锚固性能，此处建议短锚筋的锚固长度取抗震锚固长度，其中抗震锚固长度计算方法见《混凝土结构技术规范》。

图1 短锚筋布置图

横截面布置方案：

陈适才等针对某个装配式住宅楼，试验设计了3个节点构件，研究了节点破坏形态以及受力性能。本文以该实验中的中节点为研究对象提出了四种短锚筋的布置方案，如图2所示。

图2 短锚筋布置方案图

方案一为短锚筋均匀布置在预制梁端键槽凹、凸部位，方案二为短锚筋沿预制梁高方向均匀布置在梁端键槽凹凸部位，方案三为短锚筋均匀布置在预制梁端键槽垂直截面部位，方案四为短锚筋沿预制梁端呈“T”形布置，键槽凹凸部位均设置。

二、短锚筋最优布置方案

本文将选择用有限元程序ABAQUS，基于文献中的装配整体式节点作为研究对象，对本文提出的四种横截面短锚筋布置方案进行对比分析。

1.有限元模型建立

在有限元模型中，混凝土材料选择ABAQUS提供的混凝土损伤塑性模型，混凝土材料的应力-应变关系曲线的选自《混凝土结构设计规范》，钢筋、套筒采用理想弹塑性模型。混凝土材料、柱纵筋、钢筋套筒采用八节点线性六面体单元；梁钢筋、柱箍筋、板钢筋采用二节点线性三维桁架单元模拟钢筋轴向受力状态进行模拟。

预制构件结合部位采用设置接触条件处理，法向行为设置“硬”接触，切向行为设置库伦摩擦系数μ。本文对粗糙化处理后的预制梁端与后浇混凝土结合面之间切向μ取1.0，未经过粗糙化处理的μ取0.6。

2.最佳方案选择

在该有限元模型的基础上，暂且不考虑原实验中粗糙化处理，预制梁端构造增设短锚筋。梁端横截面短锚筋布置分别按照本文2.2节提出的四种布置方案。从图3可知：预设短锚筋对该装配式节点正向的承载力提高较为可观，但三种方案对于节点承载力的提高相差幅度不大。

图3 各方案力-位移曲线（自绘）

3.短锚筋最优型号

为了充分满足预设短锚筋的抗震锚固长度，在实际工程设计中，建议短锚筋的直径选择不宜过大，因此，在方案三的基础上选择钢筋强度为HPB300级直径分别为6、8、10的小直径钢筋进行有限元分析，选择最经济的短锚筋型号。

图4增设HPB300级直径分别为6、8、10的短锚筋节点骨架曲线图。对比可知：增设短锚筋后，节点滞回曲线更加饱满，对于节点正向的承载力提高较为明显，直径为6、8、10的短锚筋对于节点承载力的提高程度相差不大。因此，选择最小直径为6的钢筋较为合适且经济。

图4 力-位移曲线

三、结语

（1）最优的短锚筋设计方案为“HPB300级直径为6的短锚筋均匀布置在预制梁端键槽垂直截面部位”。预制梁端增设短锚筋的设计方案在承载力提高的同时将避免了预制梁这种横截面小且有很多纵向钢筋甩出的构件进行粗糙化处理，这将提高施工效率且在一定程度上提高了结构的安全储备。

（2）本文提出短锚筋设计方案仅在有限元数值模拟阶段，将为进一步试验验证打下了良好的基础。