带型钢接头的预制钢筋混凝土梁静力性能研究

陈 坤， 阮海燕

(1.合肥工业大学，安徽 合肥 230009；2.安徽鸿路钢结构(集团)股份有限公司，安徽 合肥 231131)

0 引 言

装配式建筑具有施工速度快、施工周期短、节约劳动力和提高建筑质量等优点，符合现代城市建设绿色施工、环保高效的理念，为此我国正在大力发展装配式建筑，加快建筑业转型升级。

预制构件连接节点设计过程中，在考虑其安全性和可靠性的同时，也应兼顾施工的便利性，以便装配式建筑的进一步推广。带型钢接头的预制钢筋混凝土梁将型钢植入传统钢筋混凝土梁的端部，其可以通过钢结构的连接方式与预制柱进行连接，国内外研究学者对此也进行了一些试验研究与理论分析[1-4]。

现有研究主要是对简支边界条件下的预制梁构件进行静力试验，而实际工程中多采用刚性连接节点。因此，本文运用ABAQUS 有限元分析软件对固定边界条件下的带型钢接头的预制钢筋混凝土梁进行了非线性受力分析和破坏模式分析；并通过有限元参数化分析，探究各拟定因素对预制梁初始刚度及承载力的影响。

1 带型钢接头的预制钢筋混凝土梁设计

预制钢筋混凝土梁的几何尺寸及配筋如图1所示，预制梁总长为2100 mm，混凝土梁截面尺寸为250 mm×400 mm，型钢截面尺寸为H280 mm×160 mm×8 mm×12 mm，结合段箍筋加密为8@100，加密区长度为1.5倍的混凝土梁高600 mm。预埋进混凝土的型钢腹板每侧焊有6个栓钉，栓钉尺寸为D16mm×70 mm。混凝土强度等级为C40，抗压强度标准值为26.8 MPa，抗拉强度标准值为2.39 MPa，钢筋采用HRB400，钢梁采用Q235。组合段内梁纵筋需与型钢翼缘搭焊，焊缝长度应满足《钢筋焊接及验收规程》(JGJ 18-2012)[5]相关要求。由于荷载作用下，钢梁段承受的弯矩大于钢筋混凝土梁，因此，预制梁按钢梁的受弯承载力大于混凝土梁的受弯承载力进行设计，并满足“强剪弱弯”设计原则。

图1 预制钢筋混凝土梁几何尺寸及配筋

2 有限元模型的建立

2.1 计算模型与基本假定

采用ABAQUS软件建立了带型钢接头的预制钢筋混凝土梁有限元模型，其中包括混凝土梁、梁钢筋骨架、型钢梁和栓钉，如图2所示。

图2 预制钢筋混凝土梁的有限元模型

有限元模型应采用以下基本假定：① 各部位焊缝质量良好，不会发生脆性破坏；② 带肋钢筋与混凝土之间不发生粘结滑移；③ 不考虑各部件的几何缺陷及焊接残余应力。

2.2 材料本构关系

钢材本构关系采用双线性强化模型，初始弹性模量为Es，强化段弹性模量取0.01Es。混凝土采用ABAQUS提供的混凝土塑性损伤模型进行模拟，混凝土本构关系采用《混凝土结构设计规范》(GB 50011-2010)[6]中建议的曲线形式。

2.3 单元选择与网格划分

本模型中，梁钢筋骨架采用桁架单元T3D2进行模拟，混凝土梁、型钢梁和栓钉采用实体单元C3D8R进行模拟。为了提高ABAQUS有限元模型计算的精度和收敛性，网格划分的密度和质量应保证在合理范围之内。本文模型的网格尺寸为30 mm。

2.4 约束与接触

本模型不考虑焊缝的撕裂现象，采用“绑定(tie)”来模拟钢材与钢材之间的焊接作用。不考虑到带肋钢筋与混凝土之间的粘结滑移，梁钢筋骨架采用“内置区域(embedded region)”置于混凝土梁中。

为了防止应力集中带来的不利影响，便于梁端施加水平荷载作用，在预制混合梁上端建立参考点RP，且参考点RP与相应的端面建立耦合约束。

2.5 加载方式与边界条件

本模型的边界条件为：①模型底端，即钢梁底端约束X、Y、Z三个方向的平动转动，以模拟固定端边界条件；②模型顶端，即混凝土梁顶端不施加任何约束，以模拟自由端边界条件；③模型顶端侧面，在第2.4节创建的参考点RP上施加梁端水平荷载，为避免在力加载方式下模型计算导致的不收敛，采用位移加载方式。

3 有限元结果分析

在预制钢筋混凝土梁模型梁端水平荷载-位移关系曲线上选取特征点，来详细介绍其应力发展及破坏情况，如图3所示。

图3 预制钢筋混凝土梁模型的P-Δ关系曲线

(1)OA段：处于弹性阶段，梁混凝土未发生开裂，初始刚度也基本保持不变；当位移加载至点A时，梁混凝土与型钢梁端部之间相互挤压，造成混凝土两侧角部出现塑性变形，而与结合段相邻的混凝土梁受拉一侧开始出现第一条水平受弯裂缝。

(2)AB段：随着位移的加载，梁混凝土上的初始裂缝不断开展，并逐渐向梁中轴线位置延伸，而在沿梁长度方向也不断形成新的水平弯曲裂缝。当位移加载至点B时，钢梁底部两端翼缘边缘与结合段相邻处的纵向钢筋发生屈服。

(3)BC段：随着位移的加载，与结合段相邻的梁混凝土塑性应变范围呈现带状，并逐渐延伸贯穿整个混凝土梁截面，实际表现为该处混凝土裂缝宽度逐渐扩大，并不断延伸和开展，部分混凝土被压碎。当位移加载至点C时，达到峰值荷载。

(4)CD段：达到峰值荷载后，随着位移的增加，靠近结合段的梁纵向钢筋应力在累积损伤作用下开始缓慢降低，当位移加载至点D时，承载能力降低到了峰值荷载的85%，视为预制梁发生破坏。

预制钢筋混凝土梁的最终破坏模式均主要为梁纵向钢筋屈服、近结合段梁混凝土压溃，形成塑性铰而发生破坏，如图4所示。

图4 预制钢筋混凝土梁模型最终破坏模式

4 有限元参数化分析

为探究梁纵筋配筋率、结合段的箍筋间距和结合段钢梁预埋长度等拟定参数对带型钢接头的预制钢筋混凝土梁的承载能力及初始刚度的影响，以上文所建模型为基本模型，进行有限元参数化分析。各不同研究参数下模型的P-Δ曲线如图5所示。

4.1 梁纵筋配筋率

如图5a所示，随着梁纵筋配筋率的增大，预制钢筋混凝土梁的初始刚度和承载能力均逐渐增大，与配筋率0.7%的模型相比， 配筋率1.05%和 1.4%的模型的初始刚度分别提高了5.6%和18.9%，承载能力分别提高了25.8%和45.5%。这说明在本研究的参数范围内，增大梁纵筋配筋率，预制钢筋混凝土梁的承载能力和初始刚度有所越大。

图5 不同研究参数下模型的P-Δ曲线

4.2 结合段箍筋间距

如图5b所示，随着结合段的箍筋间距的减小，间距为100 mm、80 mm和50 mm模型的初始刚度基本不变，承载能力略有增大，但变化幅度很小。这说明在研究参数范围内，减小箍筋间距可以提高预制钢筋混凝土梁的承载能力，但承载力增幅效果不明显。100 mm结合段的箍筋间距已经可以使得结合段钢梁与其周围的混凝土协调工作。

4.3 结合段钢梁预埋长度

如图5c所示，随着结合段钢梁预埋长度的增加，预制钢筋混凝土梁的初始刚度和承载能力场逐渐增大，与预埋长度为200 mm的模型相比，长度为300 mm和400 mm模型的初始刚度分别提高了4.4%和7.7%，承载能力分别提高了3.6%和4.7%。这说明在研究参数范围内，增加结合段钢梁预埋长度可以提高预制钢筋混凝土梁的初始刚度和承载能力。

4.4 钢梁段长度

如图5d所示，随着钢梁段长度的增加，预制钢筋混凝土梁的初始刚度略有降低，承载能力逐渐增大，与长度为400 mm的模型相比， 长度增加至500 mm和600 mm时初始刚度分别提高了2.1%和3.1%，承载能力分别提高了8.2%和11.0%。这说明在本研究的参数范围内，增加钢梁段长度，预制钢筋混凝土梁初始刚度变化较小，承载能力逐渐提高，但幅度逐渐减小。

5 结 论

本文建立了固定边界条件下带型钢接头的预制钢筋混凝土梁的有限元数值模型，并对其静力性能进行了分析，从中得到了以下结论：

(1)当预制梁按钢梁的受弯承载力大于混凝土梁的受弯承载力和“强剪弱弯”原则进行设计时，其最终破坏模式主要为梁纵向钢筋屈服、近结合段梁混凝土压溃，形成塑性铰而发生破坏。

(2)在本研究的参数范围内，增加梁纵筋配筋率和结合段钢梁预埋长度可以提高预制钢筋混凝土梁的初始刚度和承载能力；而增加钢梁段长度，预制钢筋混凝土梁初始刚度变化较小，承载能力逐渐提高。

(3)当结合段箍筋间距为100 mm时，已经可以使结合段钢梁与其周围的混凝土协调工作，再减小箍筋间距对其初始刚度和承载能力基本没有影响。