新型裝配式混凝土梁抗剪性能數(shù)值分析★

孫常海 程東輝 何國玉

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000)

新型裝配式混凝土梁抗剪性能數(shù)值分析★

孫常海 程東輝 何國玉

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000)

提出了一種采用型鋼接頭連接的純干式裝配式混凝土梁，并通過仿真軟件ABAQUS對3根帶有型鋼接頭的裝配式混凝土梁和1根現(xiàn)澆混凝土梁的受剪性能進(jìn)行了數(shù)值分析，研究了型鋼接頭拼接面的變化對該種裝配梁受剪承載能力的影響。模擬結(jié)果表明，帶有型鋼接頭的裝配式混凝土梁的抗剪承載力較普通混凝土梁有較大程度上的提高;裝配梁的抗剪承載力隨著拼接面遠(yuǎn)離梁端而增大。并根據(jù)模擬結(jié)果，推導(dǎo)出適用于此種形式的裝配梁的抗剪承載力計算公式。

裝配式混凝土，抗剪承載力，數(shù)值分析

0 引言

現(xiàn)如今，隨著我國建筑業(yè)的快速成長，建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化為裝配式混凝土建筑的發(fā)展帶來了難得的發(fā)展機(jī)遇，各地結(jié)合國家保障房建筑，掀起了一輪預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)研究和應(yīng)用的熱潮[1]。裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)是建筑工程中使用最為普及的一種預(yù)制結(jié)構(gòu)形式，按施工條件分為干式連接和濕式連接，純干式裝配式混凝土結(jié)構(gòu)與濕式連接相比，具有節(jié)點(diǎn)質(zhì)量有保障、生產(chǎn)效率較高和對環(huán)境負(fù)面影響較小等優(yōu)點(diǎn)[2]。但由于節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜、施工不方便等原因，干式連接裝配式結(jié)構(gòu)在我國并未廣泛應(yīng)用。本文基于海內(nèi)外相關(guān)研究[3,4]，提出了一種純干法連接的帶有型鋼接頭的裝配式鋼筋混凝土梁，該梁通過兩端預(yù)埋的鋼接頭與柱中預(yù)埋的型鋼接相連。該連接是具有施工工期短、生產(chǎn)效率高的干式連接，同時節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡單、可靠，符合生產(chǎn)連續(xù)化、工藝標(biāo)準(zhǔn)化的。

鋼筋混凝土梁的斜截面破壞大多屬于脆性破壞范疇，國內(nèi)外對采用類似連接的裝配梁受剪性能研究較少。本文設(shè)計并建立了拼接面位置不同的裝配梁模型與現(xiàn)澆梁模型，研究了拼接面位置的改變對構(gòu)件梁抗剪承載力的影響，并與現(xiàn)澆梁相對比。

1 構(gòu)件設(shè)計

本文主要研究拼接面位置的改變對帶有鋼接頭的裝配式鋼筋混凝土梁抗剪承載力的影響，設(shè)計了以下4根簡支梁模型，其中3根為帶有鋼接頭的裝配式鋼筋混凝土梁1根為普通現(xiàn)澆梁。裝配梁的型鋼接頭通過焊接與下部縱筋連接，部分預(yù)埋在混凝土中。梁柱端通過在預(yù)埋鋼接頭的腹板兩側(cè)加鋼蓋板以螺栓連接。為了使型鋼接頭與混凝土之間粘結(jié)可靠，在型鋼下翼緣的上表面設(shè)置足夠多的抗剪栓釘。

簡支梁長度均為3.6 m，截面尺寸為350 mm×220 mm；工字鋼接頭的梁端與柱端預(yù)埋長度均為250 mm，為保證模擬結(jié)果與實際情況相符合，型鋼接頭尺寸按型號為HM200×150的成品工字型鋼設(shè)計；為保證試件梁受剪破壞前為發(fā)生受彎破壞，需要布置足夠多的縱向鋼筋以抵抗彎矩，并且加大箍筋間距，以使試件梁斜截面的抗剪承載力不至于太大。根據(jù)GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(以下簡稱《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》)[5]有關(guān)鋼筋混凝土梁抗彎抗剪承載力的計算公式，下部受力鋼筋選配6C22,上部選配4C14，箍筋選配A8@250。

試件梁混凝土等級為C40，縱向受力鋼筋采用HRB400級鋼筋，箍筋采用HPB335級鋼筋，工字型鋼接頭采用Q235鋼材。3根裝配梁僅改變拼接面的位置，其余構(gòu)造全部一樣，裝配梁的鋼骨架及鋼接頭布置如圖1所示。

2 單元選取及模型的建立

依據(jù)與所設(shè)計構(gòu)件的參數(shù)相對應(yīng)原則在ABAQUS中建立分離式模型，見圖2，以使模擬結(jié)果更加接近真實情況。本文中各模型均采用三分點(diǎn)加載，支座距離梁端150 mm，并在構(gòu)件模型的加載點(diǎn)和支座處創(chuàng)建鋼墊塊，以避免支座、加載位置處產(chǎn)生應(yīng)力集中，支座處的約束為一端固定一端鉸接。工字鋼、混凝土、鋼墊塊均采用三維實體單元C3D8R，鋼筋采用2節(jié)點(diǎn)空間桁架單元T3D2模擬，并將鋼筋單元通過Embedled方式嵌入到整個單元之中。由于型鋼接頭配置了足夠多的抗剪栓釘，所以假定型鋼接頭與混凝土之間無滑移，型鋼接頭也采用Embedled方式嵌入到整個單元之中。

3 混凝土與鋼材的本構(gòu)關(guān)系

本文混凝土采用塑性損傷模型，該模型對混凝土受力過程中產(chǎn)生的不可恢復(fù)的損傷能夠有效的進(jìn)行仿真。混凝土的本構(gòu)模型采用GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中的混凝土單軸受拉應(yīng)力—應(yīng)變公式按式(1)～式(4)確定,混凝土單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變公式按式(4)～式(8)確定:

σ=(1-dt)Ecεc

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，αt為混凝土單軸受拉應(yīng)力—應(yīng)變曲線下降段的參數(shù)；ft,r為混凝土單軸抗標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度；εt,r為與混凝土單軸抗拉極限拉應(yīng)變；dt為混凝土受拉損傷演化參數(shù)。

σ=(1-dc)Ecεc

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

其中，αc為混凝土單軸受拉應(yīng)力—應(yīng)變曲線下降段的參數(shù)；fc,r為混凝土單軸抗壓標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度；εc,r為與混凝土單軸抗壓極限拉應(yīng)變；dc為混凝土受壓損傷演化參數(shù)。

本文鋼筋和鋼板均采用彈性—理想塑性—硬化塑性模型，具體公式按式(10)確定。

(10)

其中，Es為鋼材的彈性模量；σs為鋼材的應(yīng)力；εs為鋼材的應(yīng)變；fym為鋼材的屈服強(qiáng)度平均值；fstm為鋼材的極限抗拉強(qiáng)度平均值；εy為鋼材的屈服時對應(yīng)的應(yīng)變；εuy為鋼材的開始硬化時對應(yīng)的應(yīng)變；εu為鋼筋的極限應(yīng)變；k為鋼材硬化段的斜率。

4 結(jié)果分析

鋼筋混凝土梁受剪破壞的標(biāo)準(zhǔn)荷載—跨中位移曲線如圖2所示。四根試驗梁跨中的荷載—位移曲線如圖3所示。

根據(jù)模擬所得數(shù)據(jù)可知，4個試件的荷載—跨中位移曲線基本符合鋼筋混凝土梁荷載—跨中位移標(biāo)準(zhǔn)曲線，近似于三折線型；型鋼接頭拼接面位置的改變對抗剪承載力有較大程度的影響。

試件開裂前處于彈工作性階段時，荷載—跨中位移曲線近似于直線；試件在開裂后，其剛度發(fā)生改變，荷載—跨中位移曲線的斜率減小；試件所配箍筋屈服后，荷載—跨中位移曲線進(jìn)一步減小，直至達(dá)到極限抗剪承載力。各試件梁的特征荷載值如表1所示。

表1 試件梁荷載特征值 kN

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中抗剪承載力計算公式是依據(jù)大量試驗結(jié)果和桁架拱模型而得出的，當(dāng)僅配箍筋時矩形截面的鋼筋混凝土梁在集中荷載作用下的抗剪承載力計算公式為：

(11)

其中，V為構(gòu)件斜截面的受剪承載力設(shè)計值；αcv為斜截面混凝土受剪承載力系數(shù)，對于集中荷載作用下的獨(dú)立梁αcv=1.75/(λ+1)，λ為計算剪跨比，可取λ=a/h0，a為集中荷載作用點(diǎn)至支座截面或節(jié)點(diǎn)邊緣的距離；Asv為配置在同一截面內(nèi)箍筋各肢的全部截面面積；s為箍筋間距；fyv為箍筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值。

型鋼接頭腹板能大大提高裝配梁P-1,P-2,P-3在預(yù)埋接頭部位的抗剪承載力，鋼筋骨架與型鋼接頭連接面存在抗剪承載力的突變，故與普通鋼筋混凝土梁受剪破壞發(fā)生在集中荷載作用點(diǎn)與支座的連線上不同，對于裝配梁剪切破壞發(fā)生在集中荷載作用點(diǎn)至型鋼下翼緣的連線上。對于裝配梁，其剪跨比換算λ′=a′/h0，其中,a′為集中荷載至型鋼邊緣的距離。

按照公式計算與模擬結(jié)果吻合較好，表明該公式適用于新型裝配梁的計算，見表2。

表2 抗剪承載力模擬結(jié)果與公式結(jié)果對比

5 結(jié)語

通過仿真軟件ABAQUS對3根帶有型鋼接頭的裝配式混凝土梁和1根現(xiàn)澆混凝土梁的受剪性能進(jìn)行了數(shù)值分析，研究了型鋼接頭拼接面的變化對該種裝配梁受剪承載能力的影響，并得出以下結(jié)論：

1)帶有型鋼接頭的裝配式混凝土梁的抗剪承載力較普通混凝土梁有較大程度上的提高，裝配梁的抗剪承載力隨著拼接面遠(yuǎn)離梁端而增大。

2)規(guī)范中剪跨比經(jīng)換算后的抗剪承載力公式適用于該新型裝配梁的抗剪承載力計算。

[1] 程東輝，田曄環(huán)，許鵬程.純干裝配式混凝土節(jié)點(diǎn)性能研究綜述[J].山西建筑，2016，42(24):35-36.

[2] 盧家森.裝配整體式混凝土框架實用設(shè)方法[M].長沙：湖南大學(xué)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] 劉昌永,王慶賀,王玉銀，等.帶鋼接頭的裝配式鋼筋混凝土梁受彎性能研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(S1),2013,34(31):67-68.

[5] GB 50010—2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)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★：國家自然科學(xué)基金重大研究計劃項目(90915003)；哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項基金項目(2012 RFXXS111)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)創(chuàng)新團(tuán)隊與重大項目培育資金項目(2572016EBC1)

孫常海(1993- )，男，在讀碩士; 程東輝(1971- )，男，博士，教授; 何國玉(1994- )，女，在讀碩士

TU375.1

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