新型全预制钢筋混凝土缺口梁及梁端悬挑牛腿分析

2019-03-06张力滨

山西建筑 2019年6期

张力滨杨朔

(东北林业大学，黑龙江哈尔滨 150040)

装配式混凝土，指的是部分或全部构件预先制作，通过现场拼装相连而形成的混凝土结构。构件的预先制作，不仅提升了工程质量，也缩短了建筑工期，同时整个过程较为环保，节省了成本，其是现如今中国政府正在着重推广的一类建筑形式[1]。

在建筑施工行业，全预制装配式混凝土是一类重要的且受到用户及设计者重视的结构类型,其具有施工效率高、节约成本以及环保等优势[2]。装配式钢混结构是中国建筑行业的发展趋势，其能够促使中国建筑向工业化的方向推进，提升生产效率和施工质量，节约资源，保护环境。此外，装配式结构能够依照次序组装工程的某些或者所有的工序，进而将进入施工现场的设备量与种类控制在较少的范围内，缩短工序之间的停留时间，使得工程更加立体交叉，为绿色施工提供保障[3]。装配式混凝土以其节能环保、施工方便、极大地缩短施工周期等特点得到政府的大力推举。在政府大力推进下，此类建筑已经成为当代建筑行业的主要形式之一。此种结构的主要问题是节点的连接问题，所以分析连接处的力学性能是分析装配式混凝土结构的主要内容。梁柱连接是预制混凝土架构设计中非常关键的部分,本文主要对全预制钢混缺口梁及梁端悬挑牛腿进行分析。

1 型连接中缺口梁的受力情况研究

在企口连接时，通常将预制梁制作成缺口梁，缺口梁以及梁端悬挑牛腿两者所受外力的数值为相反数，因此可一同分析两个结构的受力情况。关于企口连接，国内与国外的学者对其名称没有一个统一的认定，例如：scarf connection，错口连接、企口连接、端部叠层梁连接(dapped-end connection), halving joints等。此外，关于企口连接里梁构件的名称也各不相同，例如：端部叠层梁、阶梯形梁、缺口梁等。本篇文章中为了便于表述及分析，把图1中的连接叫做企口连接，其中的梁叫做缺口梁，其中悬挑梁暗牛腿叫做梁牛腿。在此种连接里，不管是梁牛腿或是缺口梁，为表述清晰均把突出部位叫做R部，把整梁高部位叫做F部。

从图1中能够看出，在企口连接中，缺口梁以及梁牛腿两个构件间的受力情况较为复杂，图2则简化了上述受力情况，图2不考虑两个构件间从灌注缝隙传递的纵向摩擦力，假定全部纵向力都由牛腿承受；忽略灌缝传递的水平向拉力。此外，因为预制柱以及缺口梁两个构件间相对滑移的可能性较小，在安装完成之后两个构件较为稳固，仅在水平方向地震影响下结构出现反复移动时暗牛腿上表面以及缺口梁间才会出现横向摩擦力，接下来的运算过程不考虑图2里横向剪力N。

1.1 缺口梁的分析

关于企口连接，在我国还未出现明确的运算方式，国外等发达国家则研究较多，依据PCI设计手册、ACI规范等，缺口梁破坏方式以及R部的局部承受压力破坏总计6类方式分别为：

1)R部的弯曲或受拉破坏；2)R部和F部的交界位置截面直剪破坏；3)凹角处斜拉破坏；4)伸出端斜截面破坏；5)R部的局部承压破坏；6)F部的端部斜截面破坏。

应该对缺口梁支承于牛腿上的R部进行承压验算，这时，用来避免其他破坏型式的钢筋配置可以用作局部压力的约束钢筋，见图3～图5。

1.2 缺口梁的受力分析

1)R部的斜截面抗剪计算。

把R部构件当做与预制梁端受力相反的暗牛腿。使用拉压杆模型研究R部。

对于混凝土压杆的合力C可近似取：

C=Acfce

(1)

其中，C为压杆应力的多个力的总和，也就是其轴向力；Ac为与压杆轴线相互垂直的端部位置构件的截面积，其宽度通常与整个截面的宽度相同，压杆在该截面的宽度范围内均有效；fce为混凝土压杆的有效混凝土强度。

为确保压杆的安全性以及有效性，fce应该选择压杆内与结点范围内两者有效混凝土强度中比较小的数值。在图6中结点A处存在多个拉杆，βn可以取0.6，压杆中混凝土的有效强度为:

(2)

依据图6的图形几何关系和受力情况，根据式(1)可以计算得到压杆的最大承受力:

(3)

拉杆的极限承载力可求，根据力的平衡关系可得:

(4)

模型里需要的R下部横向受力钢筋可以使用式(3)计算得到:

(5)

其中，As为R下部横向受力钢筋。

为避免梁端的倾斜裂缝受损，通常把梁内R下部横向受力钢筋从和裂开缝隙⑥的相交位置处开始固定。

2)R部的垂直抗剪计算。

如果R部沿着开裂缝隙②损坏时，应该验算其垂直方向的抗剪能力。使用摩擦抗剪原理检验计算全部经过开裂缝隙②的水平方向钢筋的抗剪能力。如果经过验算以后发现其不符合要求，则应该添加横向钢筋，新安装的横向钢筋应该尽可能的临近R的下方位置的钢筋。

3)抗拉和抗弯计算。

通过图6模型里R部A点的受力情况可以发现，T1上横向力是Fh1+Vu。因此梁上部承受拉力钢筋的面积可以使用式(6)进行计算：

(6)

4)凹角处的抗拉计算。

在凹角位置需要布置一些钢筋，避免拉力所导致的如图4所示的裂开缝隙③。为避免在此位置出现脆性破坏，应该运算凹角位置的抗拉强度。纵向钢筋应该尽可能配置于F部端部，确保其能够纵向承受拉力。从图6中的模型能够看出，凹角位置的纵向钢筋所承受的拉力是Vu。则竖向钢筋的总面积为：

(7)

此类钢筋应该在梁端进行科学的配置以及固定，在梁下端可把其焊接于梁端预先埋设的构件上。

5)预制梁本身的斜裂缝抗剪。

在缺口梁端的下部预先埋设构件位置有可能发生沿着裂开缝隙⑥的破坏情况，见图4，针对此类破坏情况，可以使用混凝土标准里有关的抗剪计算式检验，此处不再介绍。

1.3 缺口梁的构造

配筋构造以及锚固会直接影响到梁端应力，所以配筋构造以及锚固非常关键，缺口梁向外伸出端的高应不小于预制梁的1/2，连接梁端的缺口梁相连构造取梁高1/2。R部下面的水平主筋A。要固定至梁的末端位置，和端部预先埋设的钢板焊接到一起(或者使用预先埋设的角钢)。竖向吊筋，应该尽量与梁身端部位置临近，同时使用封闭环筋包裹上部与下部两处梁筋，在下部位置可焊至梁端预先埋设的构件上。

2 梁端悬挑牛腿的研究

从图2中能够发现，在企口连接里，缺口梁以及梁牛腿两类结构的受力情况比较类似，在对结构进行设计时，两个结构的R部可以保持高度一致，因此在运算时仅算出一类构件即可。关于梁牛腿的运算，可使用与缺口梁相同的运算方式，本文此处不再赘述。这里需要注意，对于梁牛腿的F部而言，应该验算其悬挑梁的抗弯曲以及抗剪性能，从而保证其作用效果与要求相符。为确保接头强度具有一定的连续性，如果经过运算得到的梁牛腿的横向受力钢筋与缺口梁上方或者下方受力钢筋相比较小，那么应该选择缺口梁结构的钢筋面积完成钢筋配置操作。关于梁牛腿，应该将其R部位置的受力钢筋牢固的固定在柱内。中柱梁牛腿里横向受力钢筋需要保持直通，同时依照两个端点运算相对较大的钢筋面积并完成配置操作。钢筋在R部或者F部端能够被制作成稳定性较高的U状。现场浇筑梁柱的节点，受到周期性变化荷载的影响，梁上钢筋可能会出现“拉风箱”形式的移动。但是在牛腿节点里，因为塑性铰逐渐移动至牛腿的外侧边缘，柱边位置的钢筋通常还没有屈服，节点的核心处在弹性状态，所以梁筋相对不易移动。为确保梁上部位置的纵筋较为稳固，可以在柱的中心位置增加焊锚板或者焊短筋都可以获得理想的效果，操作也较为简便。