新型装配式混凝土梁抗剪性能数值分析★

孙常海 程东辉 何国玉

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150000)

新型装配式混凝土梁抗剪性能数值分析★

孙常海 程东辉 何国玉

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150000)

提出了一种采用型钢接头连接的纯干式装配式混凝土梁，并通过仿真软件ABAQUS对3根带有型钢接头的装配式混凝土梁和1根现浇混凝土梁的受剪性能进行了数值分析，研究了型钢接头拼接面的变化对该种装配梁受剪承载能力的影响。模拟结果表明，带有型钢接头的装配式混凝土梁的抗剪承载力较普通混凝土梁有较大程度上的提高;装配梁的抗剪承载力随着拼接面远离梁端而增大。并根据模拟结果，推导出适用于此种形式的装配梁的抗剪承载力计算公式。

装配式混凝土，抗剪承载力，数值分析

0 引言

现如今，随着我国建筑业的快速成长，建筑产业现代化为装配式混凝土建筑的发展带来了难得的发展机遇，各地结合国家保障房建筑，掀起了一轮预制混凝土结构研究和应用的热潮[1]。装配式混凝土框架结构是建筑工程中使用最为普及的一种预制结构形式，按施工条件分为干式连接和湿式连接，纯干式装配式混凝土结构与湿式连接相比，具有节点质量有保障、生产效率较高和对环境负面影响较小等优点[2]。但由于节点构造复杂、施工不方便等原因，干式连接装配式结构在我国并未广泛应用。本文基于海内外相关研究[3,4]，提出了一种纯干法连接的带有型钢接头的装配式钢筋混凝土梁，该梁通过两端预埋的钢接头与柱中预埋的型钢接相连。该连接是具有施工工期短、生产效率高的干式连接，同时节点构造简单、可靠，符合生产连续化、工艺标准化的。

钢筋混凝土梁的斜截面破坏大多属于脆性破坏范畴，国内外对采用类似连接的装配梁受剪性能研究较少。本文设计并建立了拼接面位置不同的装配梁模型与现浇梁模型，研究了拼接面位置的改变对构件梁抗剪承载力的影响，并与现浇梁相对比。

1 构件设计

本文主要研究拼接面位置的改变对带有钢接头的装配式钢筋混凝土梁抗剪承载力的影响，设计了以下4根简支梁模型，其中3根为带有钢接头的装配式钢筋混凝土梁1根为普通现浇梁。装配梁的型钢接头通过焊接与下部纵筋连接，部分预埋在混凝土中。梁柱端通过在预埋钢接头的腹板两侧加钢盖板以螺栓连接。为了使型钢接头与混凝土之间粘结可靠，在型钢下翼缘的上表面设置足够多的抗剪栓钉。

简支梁长度均为3.6 m，截面尺寸为350 mm×220 mm；工字钢接头的梁端与柱端预埋长度均为250 mm，为保证模拟结果与实际情况相符合，型钢接头尺寸按型号为HM200×150的成品工字型钢设计；为保证试件梁受剪破坏前为发生受弯破坏，需要布置足够多的纵向钢筋以抵抗弯矩，并且加大箍筋间距，以使试件梁斜截面的抗剪承载力不至于太大。根据GB 50010—2010混凝土结构设计规范(以下简称《混凝土结构设计规范》)[5]有关钢筋混凝土梁抗弯抗剪承载力的计算公式，下部受力钢筋选配6C22,上部选配4C14，箍筋选配A8@250。

试件梁混凝土等级为C40，纵向受力钢筋采用HRB400级钢筋，箍筋采用HPB335级钢筋，工字型钢接头采用Q235钢材。3根装配梁仅改变拼接面的位置，其余构造全部一样，装配梁的钢骨架及钢接头布置如图1所示。

2 单元选取及模型的建立

依据与所设计构件的参数相对应原则在ABAQUS中建立分离式模型，见图2，以使模拟结果更加接近真实情况。本文中各模型均采用三分点加载，支座距离梁端150 mm，并在构件模型的加载点和支座处创建钢垫块，以避免支座、加载位置处产生应力集中，支座处的约束为一端固定一端铰接。工字钢、混凝土、钢垫块均采用三维实体单元C3D8R，钢筋采用2节点空间桁架单元T3D2模拟，并将钢筋单元通过Embedled方式嵌入到整个单元之中。由于型钢接头配置了足够多的抗剪栓钉，所以假定型钢接头与混凝土之间无滑移，型钢接头也采用Embedled方式嵌入到整个单元之中。

3 混凝土与钢材的本构关系

本文混凝土采用塑性损伤模型，该模型对混凝土受力过程中产生的不可恢复的损伤能够有效的进行仿真。混凝土的本构模型采用GB 50010—2010混凝土结构设计规范中的混凝土单轴受拉应力—应变公式按式(1)～式(4)确定,混凝土单轴受压应力—应变公式按式(4)～式(8)确定:

σ=(1-dt)Ecεc

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，αt为混凝土单轴受拉应力—应变曲线下降段的参数；ft,r为混凝土单轴抗标准强度；εt,r为与混凝土单轴抗拉极限拉应变；dt为混凝土受拉损伤演化参数。

σ=(1-dc)Ecεc

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

其中，αc为混凝土单轴受拉应力—应变曲线下降段的参数；fc,r为混凝土单轴抗压标准强度；εc,r为与混凝土单轴抗压极限拉应变；dc为混凝土受压损伤演化参数。

本文钢筋和钢板均采用弹性—理想塑性—硬化塑性模型，具体公式按式(10)确定。

(10)

其中，Es为钢材的弹性模量；σs为钢材的应力；εs为钢材的应变；fym为钢材的屈服强度平均值；fstm为钢材的极限抗拉强度平均值；εy为钢材的屈服时对应的应变；εuy为钢材的开始硬化时对应的应变；εu为钢筋的极限应变；k为钢材硬化段的斜率。

4 结果分析

钢筋混凝土梁受剪破坏的标准荷载—跨中位移曲线如图2所示。四根试验梁跨中的荷载—位移曲线如图3所示。

根据模拟所得数据可知，4个试件的荷载—跨中位移曲线基本符合钢筋混凝土梁荷载—跨中位移标准曲线，近似于三折线型；型钢接头拼接面位置的改变对抗剪承载力有较大程度的影响。

试件开裂前处于弹工作性阶段时，荷载—跨中位移曲线近似于直线；试件在开裂后，其刚度发生改变，荷载—跨中位移曲线的斜率减小；试件所配箍筋屈服后，荷载—跨中位移曲线进一步减小，直至达到极限抗剪承载力。各试件梁的特征荷载值如表1所示。

表1 试件梁荷载特征值 kN

《混凝土结构设计规范》中抗剪承载力计算公式是依据大量试验结果和桁架拱模型而得出的，当仅配箍筋时矩形截面的钢筋混凝土梁在集中荷载作用下的抗剪承载力计算公式为：

(11)

其中，V为构件斜截面的受剪承载力设计值；αcv为斜截面混凝土受剪承载力系数，对于集中荷载作用下的独立梁αcv=1.75/(λ+1)，λ为计算剪跨比，可取λ=a/h0，a为集中荷载作用点至支座截面或节点边缘的距离；Asv为配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面面积；s为箍筋间距；fyv为箍筋的抗拉强度设计值。

型钢接头腹板能大大提高装配梁P-1,P-2,P-3在预埋接头部位的抗剪承载力，钢筋骨架与型钢接头连接面存在抗剪承载力的突变，故与普通钢筋混凝土梁受剪破坏发生在集中荷载作用点与支座的连线上不同，对于装配梁剪切破坏发生在集中荷载作用点至型钢下翼缘的连线上。对于装配梁，其剪跨比换算λ′=a′/h0，其中,a′为集中荷载至型钢边缘的距离。

按照公式计算与模拟结果吻合较好，表明该公式适用于新型装配梁的计算，见表2。

表2 抗剪承载力模拟结果与公式结果对比

5 结语

通过仿真软件ABAQUS对3根带有型钢接头的装配式混凝土梁和1根现浇混凝土梁的受剪性能进行了数值分析，研究了型钢接头拼接面的变化对该种装配梁受剪承载能力的影响，并得出以下结论：

1)带有型钢接头的装配式混凝土梁的抗剪承载力较普通混凝土梁有较大程度上的提高，装配梁的抗剪承载力随着拼接面远离梁端而增大。

2)规范中剪跨比经换算后的抗剪承载力公式适用于该新型装配梁的抗剪承载力计算。

[1] 程东辉，田晔环，许鹏程.纯干装配式混凝土节点性能研究综述[J].山西建筑，2016，42(24):35-36.

[2] 卢家森.装配整体式混凝土框架实用设方法[M].长沙：湖南大学出版社，2016.

[3] Luke C, Butler. Behavior and Design of Cast-in-Place Anchors under Simulated Seismic Loading[D]. Universuty of Cincinnati，2009.

[4] 刘昌永,王庆贺,王玉银，等.带钢接头的装配式钢筋混凝土梁受弯性能研究[J].建筑结构学报(S1),2013,34(31):67-68.

[5] GB 50010—2010,混凝土结构设计规范[S].

Numericalanalysisofshearperformanceofpuredryassembledconcretebeams★

SunChanghaiChengDonghuiHeGuoyu

(CivilEngineeringCollege,NortheastForestryUniversity,Harbin150000,China)

A kind of pure dry assembled concrete beam with profiled steel joint is proposed. the shear behavior of 3 fabricated concrete beams and 1 cast-in-place concrete beams with profiled steel joints are numerically analyzed by the simulation software ABAQUS. The effect of the change of the splice surface of the steel joint on the shear bearing capacity of the fabricated beam is investigated. Simulation results show that, the shear capacity of fabricated concrete beams with profiled steel joints increases to some extent compared with that of ordinary concrete beams, the shear carrying capacity of the assembled beam increases with the splice plane far away from the beam end. According to the simulation results, the formulas for calculating the shear capacity of the assembled beams are derived.

fabricated concrete, shear capacity, numerical analysis

1009-6825(2017)28-0049-03

2017-07-24★：国家自然科学基金重大研究计划项目(90915003)；哈尔滨市科技创新人才研究专项基金项目(2012 RFXXS111)；中央高校基本科研业务费创新团队与重大项目培育资金项目(2572016EBC1)

孙常海(1993- )，男，在读硕士; 程东辉(1971- )，男，博士，教授; 何国玉(1994- )，女，在读硕士

TU375.1

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