新型預(yù)制板鋼筋連接盒承載力計(jì)算及試驗(yàn)研究

何 志 潘榮偉 歐天安 張佳佳

(廣西建筑材料科學(xué)研究設(shè)計(jì)院有限公司）

0 引言

當(dāng)前在國(guó)家政策推動(dòng)下，裝配式建筑在我國(guó)推廣應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，其結(jié)構(gòu)形式主要以混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)為主。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中構(gòu)件的連接是基于濕式連接技術(shù)發(fā)展起來(lái)的，根據(jù)現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 1－2014），混凝土構(gòu)件裝配過(guò)程中仍存在一部分的現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)，同時(shí)對(duì)鋼筋連接施工質(zhì)量控制提出較高的要求[1]。鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑以其快速施工速度，積木式搭建裝配案例引起大眾關(guān)注[2]，不過(guò)其存在耗費(fèi)鋼材量較大、同時(shí)外露鋼材需要做大面積的防腐涂料以及防火涂料、造價(jià)高等不足[3]。

裝配式混凝土構(gòu)件干式連接技術(shù)與濕式連接技術(shù)相對(duì)應(yīng)，目前主要分為螺栓連接、榫卯連接和牛腿連接等[4-5]技術(shù)。混凝土梁板柱構(gòu)件裝配一般采用螺栓連接時(shí)，目前主要存在兩個(gè)問(wèn)題：一是吊裝施工時(shí)，梁板混凝土構(gòu)件在立柱立墻的夾縫空間中操作，要做到螺栓孔位對(duì)齊以及螺栓施擰存在困難；二是在振動(dòng)環(huán)境下螺栓會(huì)有松弛現(xiàn)象，對(duì)螺栓的抗剪有不利的影響。在裝配式鋼結(jié)構(gòu)中，Conxtech 鋼框架體系很好地解決了梁柱裝配的螺栓連接問(wèn)題[6]，采用了類(lèi)似木結(jié)構(gòu)的榫卯連接形式，即采用在柱側(cè)面焊接帶楔形插頭板，梁端設(shè)置帶楔形插座的梁端外套板，在套板兩側(cè)面設(shè)置有高強(qiáng)螺栓連接孔，梁自上而下吊裝時(shí)通過(guò)重力實(shí)現(xiàn)梁柱自鎖及定位，之后用螺栓緊固。

基于類(lèi)似鋼構(gòu)件螺栓連接的設(shè)計(jì)思路，本文提出一種鋼制的放置在混凝土預(yù)制板端頭的新型鋼筋連接盒，其在預(yù)制板中安放位置如圖1 所示。該鋼筋連接盒用于連接構(gòu)件內(nèi)部鋼筋，以及輔助完成構(gòu)件之間的螺栓緊固。一套連接盒有兩個(gè)分體，彼此采用螺栓緊固完成后，盒體內(nèi)空采用高強(qiáng)砂漿灌注砂漿進(jìn)行填充。砂漿本身只承受斷面?zhèn)鬟f過(guò)來(lái)的壓力，不承受鋼筋錨固拉力。盒體中心設(shè)置空心筒，用來(lái)存放能引導(dǎo)構(gòu)件精確對(duì)位鎖定的鎖件。鎖件一側(cè)錐形端部?jī)?nèi)部利用鋼珠、斜槽管體、彈簧設(shè)計(jì)出一種自鎖的結(jié)構(gòu)，當(dāng)插銷(xiāo)端頭深入到鎖件特定深度后便實(shí)現(xiàn)只可進(jìn)不可出的鎖定狀態(tài)，并且該鎖件自身能抵抗構(gòu)件接縫斷面處的剪力，避免直接由構(gòu)件接縫處的鋼筋、螺栓抗剪，如圖2 所示。為進(jìn)一步研究該新型鋼筋連接盒的承載力情況，確保其很好地應(yīng)用于裝配式混凝土構(gòu)件干式連接，特開(kāi)展本次研究工作。

圖1 預(yù)制板連接盒布置位置

圖2 預(yù)制板連接盒中心鎖件對(duì)位鎖定

1 連接盒承載力研究

1.1 連接盒尺寸規(guī)格

連接盒材料采用Q235 的鋼材，安裝螺栓采用8.8級(jí)普通螺栓M12，連接鋼筋為4 根直徑為12mm等級(jí)HRB400 的鋼筋，即4C12，鋼材和螺栓的彈性模量為210GPa，泊松比為0.3。

連接盒1、2 主要尺寸如圖3～圖5 所示，連接盒、螺栓、鋼筋、兩側(cè)夾具四者組成的連接結(jié)構(gòu)，如圖6 所示。

圖3 連接盒1 的尺寸

圖4 連接盒2 的尺寸

圖5 連接盒1、2 的中段剖面主要尺寸

圖6 連接盒、鋼筋、螺栓、兩側(cè)夾具組成的連接結(jié)構(gòu)

1.2 承載力計(jì)算

1.2.1 連接盒接縫的受剪承載力設(shè)計(jì)

連接盒接縫處的剪力由中心的鎖件來(lái)承擔(dān)，而中心鎖件可簡(jiǎn)化為圓管，據(jù)材料力學(xué)可知，圓管斷面的最大剪應(yīng)力位于中性軸，計(jì)算公式為：

同時(shí)為了滿(mǎn)足承載力需求，應(yīng)滿(mǎn)足τmax≤fv，把A=π（d－t）t，代入式⑴，得到：

式⑵中，

τmax——圓管的最大剪應(yīng)力((N/mm2)；A——鎖件斷面面積(mm2)；

V——斷面的剪力設(shè)計(jì)值(N)；d——鎖件的外徑(mm3)；

t——鎖件的壁厚(mm3)；

fv——鎖件鋼材的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(N/mm2)。

當(dāng)預(yù)制板的寬度為600mm，跨度為3.0m，板厚100mm，面恒載取1.5kN/m2，面活載取5kN/m2，另外鎖件管體尺寸d=60mm，t=4mm，管體鋼材用Q235 時(shí)，fv=125 N/mm2，一端的剪力設(shè)計(jì)值計(jì)算可得到：

連接盒接縫處的受剪承載力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

1.2.2 連接端板厚度驗(yàn)算

連接盒端板計(jì)算可參考鋼梁的端板計(jì)算思路，當(dāng)不考慮連接盒核心區(qū)域的約束，每個(gè)區(qū)格可簡(jiǎn)化為兩邊支承，如圖7 所示。

圖7 計(jì)算簡(jiǎn)化尺寸圖

連接端部厚度可根據(jù)公式[7]計(jì)算：

式⑶中，

Nt——C12 鋼筋的屈服荷載，即45.24kN；

fy——端板的屈服強(qiáng)度，取235N/mm2。

尺寸信息為ew=15mm，ef=21mm，c=27mm，d=15mm。

計(jì)算得到端板厚度t=12mm＜15mm，厚度滿(mǎn)足計(jì)算最小要求。

2 鋼筋連接盒拉伸試驗(yàn)

2.1 實(shí)體試驗(yàn)

鋼筋拉伸試驗(yàn)在液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，如圖8所示，測(cè)試連接結(jié)構(gòu)的極限破壞荷載，同時(shí)觀察失效過(guò)程。經(jīng)過(guò)觀察及實(shí)測(cè)，連接盒主體夾具在連接處首先發(fā)生了破壞并失效，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)連接盒1、2 主體仍完好且無(wú)殘余變形，如圖9 所示。此時(shí)實(shí)際加載荷載為162.25KN，接近于4C12 鋼筋的屈服荷載標(biāo)準(zhǔn)值之和（180.955kN)。

圖8 連接結(jié)構(gòu)拉伸狀態(tài)

圖9 連接結(jié)構(gòu)失效狀態(tài)

2.2 有限元數(shù)值模擬

利用有限元軟件建立連接盒的連接結(jié)構(gòu)（不含夾具）的三維有限元模型，如圖10 所示，網(wǎng)格尺寸按最大0.003m 的限制條件進(jìn)行自動(dòng)劃分網(wǎng)格。連接結(jié)構(gòu)整體模型，固定一端4C12 鋼筋的端部X、Y、Z 方向位移，另一端在4C12 鋼筋頭處分別施加鋼筋屈服應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)應(yīng)的荷載值（鋼筋C12 的屈服荷載為45.24kN）。

圖10 連接結(jié)構(gòu)三維有限元模型

2.3 有限元試驗(yàn)結(jié)果分析

應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明兩側(cè)鋼筋連接盒的應(yīng)力基本均在屈服強(qiáng)度235MPa 內(nèi)，超過(guò)屈服強(qiáng)度的應(yīng)力點(diǎn)只集中在螺栓和鋼筋連接處零星區(qū)域，未發(fā)生結(jié)構(gòu)性失效破壞，如圖11 所示。當(dāng)拉力荷載繼續(xù)增加，將出現(xiàn)三種情況之一：第1 種鋼筋屈服并發(fā)生不可逆的塑性變形，第2 種是鋼筋與連接盒連接處發(fā)生破壞，第3 種是螺栓失效脫絲。可見(jiàn)，在鋼筋達(dá)到屈服荷載作用下，鋼筋連接盒仍處于彈性變形的范圍內(nèi)，連接盒能滿(mǎn)足4C12 鋼筋連接受力要求。

圖11 連接盒應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

⑴預(yù)制板中的鋼筋連接盒中的管體鎖件在豎向荷載作用下時(shí)，計(jì)算結(jié)果表明鎖件能完全抵抗作用于板端部斷面處的剪力，降低了對(duì)螺栓、鋼筋產(chǎn)生的直接剪力作用，從而保證了螺栓和鋼筋在構(gòu)件中能有較充分的抗拉承載力。

⑵鋼筋連接盒的鋼筋拉伸試驗(yàn)及數(shù)值模擬表明在鋼筋、螺栓屈服失效之前，鋼筋連接盒可以保證整體處于彈性狀態(tài)，該連接盒能滿(mǎn)足鋼筋的連接強(qiáng)度要求的同時(shí)，也給中心鎖件提供足夠的安置空間，為后續(xù)的裝配式構(gòu)件的干式連接提供了技術(shù)支撐。