全预制装配式混凝土框架结构新型干式节点埋件受力性能分析研究
2022-07-25龚子荣李银芳
龚子荣 李银芳
（1、湖北交投紫云铁路有限公司，湖北 宜昌 443000 2、三峡大学科技学院，湖北 宜昌 443000）
1 概述
在一些复杂的工业建筑及装配式建筑结构中，预埋件的用钢量往往比较大，因此设计时应充分考虑预埋件的构造设计。一般情况下，预埋件对装配式结构构件的外观尺寸影响较小，它是利用预先埋入混凝土结构中的预制铁件，通过后期的焊接或螺栓连接达到构件间互相连接的目的。通常，预埋件是装配式混凝土结构构件之间主要的传力部件，因此，对预埋件构造设计和验算等的研究意义重大。
2 新型干式节点预埋件构造设计
新型干式节点预埋件的构造设计也是基于锚筋式埋件节点，对于锚筋式埋件节点,国内外众多学者进行了大量研究，如王宝珍等针对不同类型预埋件进行试验,在钢筋混凝土的“剪力- 摩擦”理论的基础上,提出了预埋件在不同受力状态下的锚筋计算式[1]。预埋件专题研究组给出了锚筋式埋件在纯剪、拉剪和弯剪状态下的受力性能,提出了拉剪预埋件的计算式[2]。殷芝霖等对锚筋式埋件的破坏机理、计算方法、构造要求和有关影响承载力的主要因素进行了分析论述, 并提出了纯拉状态下锚筋式埋件的抗拉承载力计算式[3]。此外,王秀娟等在分析计算锚板厚度的基础上, 认为在轴心受拉和受弯构件的锚板厚度计算中,锚板厚度取1.3 倍的锚筋直径可满足要求[4]。朱耀国等建立了有限元模型对预埋件的受力性能进行数值计算[5]。
论文中采用的预埋件主要是由钢板和预埋锚筋（构件的纵筋兼做锚筋）组成的锚筋式预埋件，可参考文献[6]中相应的预埋件类型进行构造设计和计算。新型干式节点预埋件（方钢管法兰盘）的构造设计如图1 所示。
图1 方钢管法兰盘连接节点
另外，由于拼接节点一般设置在构件反弯点附近，受力分析时是否考虑地震作用将直接影响拼接节点受力情况。故在此分两种情况进行预埋件的设计。
3 静载作用下预埋件的设计
在方钢管法兰盘连接中，方钢管法兰盘与预制混凝土构件通过预埋锚筋（混凝土构件纵筋可以兼做锚筋）进行锚固，静载作用时，预埋件只受到轴力和剪力的作用。下面利用摩擦抗剪设计方法对预埋锚筋的设置进行讨论。
在预制装配式混凝土结构中，特别是在连接处，直接受剪可能会使构件发生剪切破坏。此时，如果剪应力较大的剪切面不能提供足够的抗剪承载能力，可能会发生严重后果。
方钢管法兰盘所需的预埋锚筋可通过摩擦抗剪设计方法来确定。假设在方钢管法兰盘连接中，预制柱的榫齿沿截面1-1 开裂，且有预埋钢筋、预制柱纵筋穿过此截面。剪力V 平行于开裂面，使得榫齿相对于预制柱有沿着开裂截面发生相对滑动的趋势，此时剪力V 主要由开裂面处的摩擦力来抵抗，并且预埋钢筋和纵筋由于相对滑动而受拉。受力示意图，如图2 所示。
图2 混凝土开裂处受力分析图
当预埋锚筋的屈服强度相同时，压力最大值将出现在截面的两边，其值为：
其中
式中：Nmax——压力最大值；
N——预制拼接柱所受轴力；
T——截面内预埋钢筋与预制柱纵筋所受拉力值；
N1——榫齿所受的轴为；
N2——方钢管法兰盘所受的轴力；
Ag——方钢管法兰盘的承压面积；
Ae——榫齿截面面积；
A——预制拼接柱截面面积；
Am——预埋锚筋总的截面面积；
As——预制柱纵向受力钢筋总的截面面积；
fmv——预埋钢筋的屈服强度。
开裂面处的摩擦力可由轴向压力乘以有效摩擦系数μe来确定，其取值可参考ACI 规范[7]按下式计算：
式中：λ ——系数，对普通混凝土取 λ=1.0；
μ——摩擦系数，摩擦系数 μ的选取，可参考ACI规范，对整体浇筑的普通混凝土取1.4，接触面不作任何处理时取0.6。
根据ACI 规范的有关规定，在实际设计和验算时，还应对混凝土开裂面处的摩擦力乘以折减系数φ，对于抗剪计算时，φ 取0.85。当榫齿两端钢筋屈服强度相同时，隔离体为研究对象，由力的平衡得：
μ1取0.6，μ2取1.4；
b1——预制柱截面受剪宽度；
b2——榫齿核心区混凝土受剪宽度。
将式（2）和（3）代入式（5）得：
从而得到预埋锚筋的验算公式：
综上可知，在方钢管法兰盘连接中，进行预制柱的榫齿截面设计后，还应根据式（7）对方钢管法兰盘上的预埋锚筋进行验算。
4 地震作用下预埋件的设计
在地震作用下，预埋件将受到轴力、剪力和弯矩的共同作用，预埋件的构造设计，如图3 所示。应根据文献[6]中的方法设计预埋件。
图3 方钢管法兰盘与锚筋受力分析图
（1）在剪力、法向拉力和弯矩共同作用下，预埋锚筋截面面积应分别按公式（8）和（9）计算，并取二者较大值：
（2）在剪力、法向压力和弯矩共同作用下，预埋锚筋截面面积应分别按公式（10）和（11）计算，并取二者较大值：
V——剪力设计值；
N——法向拉力或压力设计值，法向压力设计值不应大于0.5fcA，此处A'为法兰板的面积；
M——弯矩设计值。当M小于0.4NZ 时，取M等于0.4NZ；
T——法兰板厚度；
αb——法兰板弯曲变形折减系数；
αr——钢筋层数影响系数，当锚
筋等间距配置时，二层取1.0，三层取0.9，四层取0.85；
Z——沿剪力作用方向最外层锚筋中心线之间的距离。
5 方钢管法兰盘的变形验算
由于螺栓分布较密，每个螺栓都有一定的强度富余，螺栓的变形小于法兰板，因此螺栓对法兰板起到一定的限制作用。考虑螺栓的限制作用后，螺栓受拉和受弯将分别引起相对于中径的转角变形，其受力变形示意图，如图4 所示。
图4 高强螺栓受弯及法兰板变形情况
由螺栓受拉及受弯所产生的相对于中径转角分别为：
式中：L——螺栓的长度；
Ae——螺杆的有效面积；
ΔN——螺栓沿杆轴的变形；
d0——六角形螺栓的外径；
假设法兰板边界是连续化的，法兰盘的外边界转角变为：
式中：β ——考虑螺栓间的空隙后法兰板连续外边界转角增大系数，一般取1.5。则法兰板的变形验算条件为：
式中：v——法兰板受拉力作用处的烧度值；
B——方钢管法兰盘截面宽度；
[v]——法兰板烧度容许值。
6 结论
6.1 对全预制装配式新型干式连接节点预埋件（方钢管法兰盘）进行整体受力分析和构造设计，应用摩擦抗剪理论推导出了预埋件在不考虑地震作用和考虑地震作用两种情况下的设计验算公式。
6.2 依据相关设计规范，给出了法兰盘的强度验算公式和法兰盘的变形验算公式。
