装配式混凝土叠合梁钢企口节点设计分析及应用研究*

黄 泽,王 黎,刘津成,黄奕斌,程从密,何 娟

(1.华南理工大学建筑设计研究院有限公司,广东 广州 510640;2.广州大学土木工程学院,广东 广州 510006)

0 引言

装配式混凝土结构中,主次梁连接是构件设计、加工和现场施工的难题,同时也是控制装配式结构成本及工期的关键节点[1]。装配式混凝土结构预制主次梁钢企口连接是一种新型连接方法,广泛应用于预制混凝土结构中[2-4]。

目前国内外对装配式混凝土结构中钢-混凝土混合连接节点已有较多研究[5-6],其中多数为梁柱组合节点的抗震性能研究,对预制主次梁组合连接研究较少。同时,装配式技术标准中仅列出相应的构造要求和计算要求[7],未明确具体计算方法及拓展钢企口应用。为此,结合华南理工大学广州国际校区一期工程中装配式宿舍楼中预制主次梁钢企口连接节点的应用,分析钢企口节点设计,验证其设计计算方法和应用研究。

1 设计分析

1.1 钢企口

钢企口由钢板和栓钉双面满焊连接而成,钢企口连接节点如图1所示,钢企口尺寸及栓钉布置如图2所示。钢板厚度常用规格为16,18,20,24,26mm;栓钉常用规格为13,16,19mm。

图1 预制主次梁钢企口连接节点Fig.1 Steel groove connection of prefabricated main and secondary beams

图2 钢企口尺寸及栓钉布置Fig.2 Steel groove size and bolt arrangement

1.2 基本假定

预制次梁通过梁端带栓钉的钢企口将梁端剪力传递给预制主梁槽口中的预埋承压板,预埋承压板通过局部受压将剪力传给主梁,其连接如图3所示。主次梁节点及连续次梁节点采用钢企口做法,需在计算模型上修改连接节点为铰接[8]。

图3 主次梁钢企口连接Fig.3 Steel groove connection between main and secondary beams

预制次梁端部剪力使栓钉群偏心受剪,将剪力V向栓钉群形心进行简化,则栓钉群可简化为同时受轴心剪力V1和弯矩M1的联合作用。在联合作用下钢企口受力控制点主要为:①钢企口截面A,B的抗弯、抗剪强度;②钢企口外挑部分的稳定性;③栓钉的抗剪强度;④钢企口搁置处的局部受压承载力。栓钉群受力受扭和受剪如图4所示。

图4 栓钉群受扭和受剪示意Fig.4 Blt group under torsion and shear

假定钢企口平面内是刚性的,栓钉是弹性的,其受力大小与到栓钉群形心的距离成正比,方向与栓钉至形心的直线垂直。

预埋承压板与主梁混凝土间接触面上的压应力可假定为均匀分布。

1.3 荷载选取及内力设计值

1.3.1施工和使用阶段荷载

施工阶段荷载基本组合设计值[9]S1为:

S1=1.3×(SGK1+SGK2)+1.5SQ1K

(1)

使用阶段荷载基本组合设计值[9]S2为:

S2=1.3×(SGK1+SGK2+SGK3)+1.5SQ2K

(2)

式中:SGK1为传递至预制次梁上的板自重(包含预制次梁上部现浇混凝土自重);SGK2为预制次梁自重;SQ1K为传递至次梁上的施工荷载;SGK3为传递至次梁上的额外附加恒荷载;SQ2K为传递至次梁上的可变荷载,与房间使用功能有关。

以上荷载均为按照等代梁的等效截面宽度折算到等代梁上的线荷载。

1.3.2内力设计值

预制次梁的梁端剪力计算如下:

(3)

式中:Sd=max(S1,S2);L为叠合次梁轴向跨度。1.4受力验算

1.4.1钢企口外挑部分稳定性验算

在次梁端部向上的梁端剪力V作用下,钢企口外挑自由边可能受压弯曲,从而产生稳定性破坏,故设计时须采用相关钢结构设计标准来控制钢企口外挑部分的宽厚比[10]:

(4)

式中:c为钢企口外伸部分的钢板长度;t1为钢企口外伸部分的钢板厚度;fy为钢板材料设计强度值。

1.4.2钢企口栓钉强度验算

栓钉群形心的剪力V1和弯矩M1计算如下:

V1=V

(5)

M1=V(A/2+e1+a)

(6)

式中:A为栓钉横向间距;e1为栓钉横向边距;a为剪力V作用位置距预制梁端的距离。

在弯矩M1作用下,采用弹性分析,栓钉剪力大小与该栓钉至栓钉群形心距离成正比,方向与栓钉和形心的连线垂直。由此可知,离栓钉群形心最远的栓钉受力最大。

(7)

式中:n为栓钉总数量。

(8)

(9)

式中:x,y为栓钉距离栓钉群形心的距离。

栓钉在弯矩和剪力作用下的合力应满足下式:

(10)

(11)

1.4.3钢企口钢板强度验算

钢企口的钢板在偏心剪力作用下,需验算截面A,B弯剪组合作用下的应力(见图4)。

截面B所受的正应力σB和剪应力τB为:

(12)

τB=0

(13)

截面A所受的正应力σA和剪应力τA为:

(14)

(15)

(16)

1.4.4预埋承压板抗弯及承压验算

预埋承压板单位宽度上的最大弯矩M2为:

(17)

承压钢板下混凝土局部受压承载力应满足[9]:

V≤1.35βcβlfcAln

(18)

式中:βc为荷载分布影响系数;β1为混凝土局部受压时的强度提高系数;fc为混凝土轴心抗拉强度设计值;Aln为混凝土局部受压净面积,取a1b1。

1.4.5主梁附加箍筋计算

钢企口连接处的集中剪力,由附加箍筋承担。附加箍筋布置在主梁长度为S(S=3b+2h1)的范围内[11],如图5所示(b为预制次梁宽度,h1为主次梁高差)。

图5 主次梁连接处附加箍筋范围Fig.5 Additional stirrup range at the connection of main and secondary beams

附加箍筋所需的截面面积计算如下:

(19)

式中:ASV为承受集中荷载所需的附加箍筋总截面面积;V为次梁端部的剪力设计值;fyv为箍筋抗拉强度设计值。

2 工程实例计算

以华南理工大学广州国际校区一期工程装配式项目[2]学生宿舍标准单元中主次梁中钢企口连接设计为例,进行受力验算及有限元分析,标准单元结构平面如图6所示,钢企口截面如图7所示,预制构件及荷载的基本信息如表1～3所示。

表1 预制次梁构件的基本信息Table 1 Basic information of prefabricated secondary beam components

表2 预制叠合板基本信息Table 2 Basic information of prefabricated laminated slab

表3 荷载基本信息Table 3 Basic information of loads

图6 标准单元结构平面和受荷面积Fig.6 Structural plan and loading area of standard cell

图7 钢企口截面Fig.7 Steel groove section size

2.1 钢企口选取及参数计算

钢企口截面如图7所示。根据设计经验,钢企口钢材采用Q345B,钢企口钢板厚18mm,栓钉直径为19mm。

2.2 次梁端剪力计算

由第1节内容计算可知,SGK1为3.64kN/m,SGK2为2.99kN/m,SGK3为8.06kN/m,SQ1K为5.36kN/m,SQ2K为7.15kN/m;计算可得S1=16.66kN/m,S2=29.83kN/m;综上得Sd=29.83kN/m,V=78.31kN。

2.3 钢企口外挑部分稳定性计算

2.4 钢企口栓钉强度计算

2.5 钢企口钢板强度计算

MB=14.88kN·m,WB=145200mm3;计算得截面B最大应力σB=122.26N/mm2

2.6 预埋承压板抗弯及承压计算

2.7 主梁附加箍筋计算

ASV1=217.52mm2,预埋承压板两侧须附加3道肢数和直径与主梁相同的箍筋,间距不大于100mm,布置在长度S(750mm)范围内。

2.8 有限元验证分析

采用ABAQUS有限元软件对预制次梁钢企口进行建模,钢材、栓钉、混凝土均采用三维8节点六面体线性减缩积分实体单元(C3D8R)模拟。模型采用细网格对混凝土与栓钉的交界面交接处应力集中区域进行划分,采用较粗的网格对其他部位进行划分,如图8所示。

图8 有限元分析模型Fig.8 Finite element analysis model

连接节点是预制次梁中预埋钢企口,钢企口栓钉与混凝土间采用无滑移连接,并通过钢企口伸出端的钢板将预制次梁荷载以剪力形式作用在预制主梁槽口上,荷载计算包括预制梁自重和楼板传递的恒荷载、活荷载,计算组合工况按1.3×恒荷载+1.5×活荷载,使用阶段钢企口等效应力分布如图9所示。

图9 使用阶段钢企口等效应力分布(单位:MPa)Fig.9 Equivalent stress distribution of steel groove during use stage(unit:MPa)

由图9可知,使用阶段钢企口等效应力为80.04MPa,均小于钢板截面允许应力,满足要求。

3 钢企口拓展应用

3.1 钢企口设计阶段选用列表

基于钢企口设计方法的应用,可针对不同剪力设计值、次梁截面高度、钢企口自重等变量因素进行设计分析,预设预制次梁端部的设计剪力值为100～400kN,以50kN递增的7个荷载值设计出对应的钢企口尺寸并形成选用列表(见图10),可直接运用于装配式结构节点深化设计,提高装配式的设计效率。

图10 主次梁钢企口选取Fig.10 Selection of steel grooves for main and secondary beams

3.2 钢企口其他应用

钢企口的连接设计方法不局限于预制主次梁中运用,可根据不同预制构件和不同受力形式进行其他方面的设计运用。

1)无支撑叠合梁板设计可采用钢企口连接(见图11),须基于本文钢企口设计方法,验算施工阶段和使用阶段的预制梁板裂缝和挠度等。

2)基于钢企口连接的整体预制构件设计,华南理工大学广州国际校区一期工程宿舍楼装配式深化设计中采用整体预制沉箱的构件设计[12],其连接节点方式为钢企口连接,如图12所示。

图12 整体预制沉箱的钢企口连接Fig.12 Steel groove connection of integral prefabricated caisson

3)双钢企口的抗扭连接节点运用[13],对于宽度较大的预制构件可采取双钢企口预制,基于双钢企口的平衡性,再将钢企口外挑部分与预制竖向构件预埋筋进行螺栓连接,可实现预制构件的抗扭连接,带双钢企口的预制梯梁如图13所示。

图13 带双钢企口的预制梯梁Fig.13 Prefabricated ladder beams with double steel grooves

4 结语

通过对装配式结构中主次梁钢企口连接节点的尺寸选取、荷载选取和内力设计值、受力验算及连接构造要求等内容进行设计分析,并结合实际工程运用节点进行设计计算和有限元分析,得出以下结论。

1)钢企口的设计分析计算及构造措施可满足现行装配式技术标准的要求和装配式项目预制构件连接节点的要求。

2)基于设计思路的反向推导,可根据剪力包络值、梁高、质量等因素采取钢企口列表选取钢企口进行装配式节点深化设计。

3)钢企口节点可优化拓展应用于其他不同预制构件、不同受力形式的连接节点中,其在设计、生产、施工安装均有优势。