帶型鋼接頭的預制鋼筋混凝土梁靜力性能研究

陳 坤， 阮海燕

(1.合肥工業大學，安徽 合肥 230009；2.安徽鴻路鋼結構(集團)股份有限公司，安徽 合肥 231131)

0 引 言

裝配式建筑具有施工速度快、施工周期短、節約勞動力和提高建筑質量等優點，符合現代城市建設綠色施工、環保高效的理念，為此我國正在大力發展裝配式建筑，加快建筑業轉型升級。

預制構件連接節點設計過程中，在考慮其安全性和可靠性的同時，也應兼顧施工的便利性，以便裝配式建筑的進一步推廣。帶型鋼接頭的預制鋼筋混凝土梁將型鋼植入傳統鋼筋混凝土梁的端部，其可以通過鋼結構的連接方式與預制柱進行連接，國內外研究學者對此也進行了一些試驗研究與理論分析[1-4]。

現有研究主要是對簡支邊界條件下的預制梁構件進行靜力試驗，而實際工程中多采用剛性連接節點。因此，本文運用ABAQUS 有限元分析軟件對固定邊界條件下的帶型鋼接頭的預制鋼筋混凝土梁進行了非線性受力分析和破壞模式分析；并通過有限元參數化分析，探究各擬定因素對預制梁初始剛度及承載力的影響。

1 帶型鋼接頭的預制鋼筋混凝土梁設計

預制鋼筋混凝土梁的幾何尺寸及配筋如圖1所示，預制梁總長為2100 mm，混凝土梁截面尺寸為250 mm×400 mm，型鋼截面尺寸為H280 mm×160 mm×8 mm×12 mm，結合段箍筋加密為8@100，加密區長度為1.5倍的混凝土梁高600 mm。預埋進混凝土的型鋼腹板每側焊有6個栓釘，栓釘尺寸為D16mm×70 mm。混凝土強度等級為C40，抗壓強度標準值為26.8 MPa，抗拉強度標準值為2.39 MPa，鋼筋采用HRB400，鋼梁采用Q235。組合段內梁縱筋需與型鋼翼緣搭焊，焊縫長度應滿足《鋼筋焊接及驗收規程》(JGJ 18-2012)[5]相關要求。由于荷載作用下，鋼梁段承受的彎矩大于鋼筋混凝土梁，因此，預制梁按鋼梁的受彎承載力大于混凝土梁的受彎承載力進行設計，并滿足“強剪弱彎”設計原則。

圖1 預制鋼筋混凝土梁幾何尺寸及配筋

2 有限元模型的建立

2.1 計算模型與基本假定

采用ABAQUS軟件建立了帶型鋼接頭的預制鋼筋混凝土梁有限元模型，其中包括混凝土梁、梁鋼筋骨架、型鋼梁和栓釘，如圖2所示。

圖2 預制鋼筋混凝土梁的有限元模型

有限元模型應采用以下基本假定：① 各部位焊縫質量良好，不會發生脆性破壞；② 帶肋鋼筋與混凝土之間不發生粘結滑移；③ 不考慮各部件的幾何缺陷及焊接殘余應力。

2.2 材料本構關系

鋼材本構關系采用雙線性強化模型，初始彈性模量為Es，強化段彈性模量取0.01Es。混凝土采用ABAQUS提供的混凝土塑性損傷模型進行模擬，混凝土本構關系采用《混凝土結構設計規范》(GB 50011-2010)[6]中建議的曲線形式。

2.3 單元選擇與網格劃分

本模型中，梁鋼筋骨架采用桁架單元T3D2進行模擬，混凝土梁、型鋼梁和栓釘采用實體單元C3D8R進行模擬。為了提高ABAQUS有限元模型計算的精度和收斂性，網格劃分的密度和質量應保證在合理范圍之內。本文模型的網格尺寸為30 mm。

2.4 約束與接觸

本模型不考慮焊縫的撕裂現象，采用“綁定(tie)”來模擬鋼材與鋼材之間的焊接作用。不考慮到帶肋鋼筋與混凝土之間的粘結滑移，梁鋼筋骨架采用“內置區域(embedded region)”置于混凝土梁中。

為了防止應力集中帶來的不利影響，便于梁端施加水平荷載作用，在預制混合梁上端建立參考點RP，且參考點RP與相應的端面建立耦合約束。

2.5 加載方式與邊界條件

本模型的邊界條件為：①模型底端，即鋼梁底端約束X、Y、Z三個方向的平動轉動，以模擬固定端邊界條件；②模型頂端，即混凝土梁頂端不施加任何約束，以模擬自由端邊界條件；③模型頂端側面，在第2.4節創建的參考點RP上施加梁端水平荷載，為避免在力加載方式下模型計算導致的不收斂，采用位移加載方式。

3 有限元結果分析

在預制鋼筋混凝土梁模型梁端水平荷載-位移關系曲線上選取特征點，來詳細介紹其應力發展及破壞情況，如圖3所示。

圖3 預制鋼筋混凝土梁模型的P-Δ關系曲線

(1)OA段：處于彈性階段，梁混凝土未發生開裂，初始剛度也基本保持不變；當位移加載至點A時，梁混凝土與型鋼梁端部之間相互擠壓，造成混凝土兩側角部出現塑性變形，而與結合段相鄰的混凝土梁受拉一側開始出現第一條水平受彎裂縫。

(2)AB段：隨著位移的加載，梁混凝土上的初始裂縫不斷開展，并逐漸向梁中軸線位置延伸，而在沿梁長度方向也不斷形成新的水平彎曲裂縫。當位移加載至點B時，鋼梁底部兩端翼緣邊緣與結合段相鄰處的縱向鋼筋發生屈服。

(3)BC段：隨著位移的加載，與結合段相鄰的梁混凝土塑性應變范圍呈現帶狀，并逐漸延伸貫穿整個混凝土梁截面，實際表現為該處混凝土裂縫寬度逐漸擴大，并不斷延伸和開展，部分混凝土被壓碎。當位移加載至點C時，達到峰值荷載。

(4)CD段：達到峰值荷載后，隨著位移的增加，靠近結合段的梁縱向鋼筋應力在累積損傷作用下開始緩慢降低，當位移加載至點D時，承載能力降低到了峰值荷載的85%，視為預制梁發生破壞。

預制鋼筋混凝土梁的最終破壞模式均主要為梁縱向鋼筋屈服、近結合段梁混凝土壓潰，形成塑性鉸而發生破壞，如圖4所示。

圖4 預制鋼筋混凝土梁模型最終破壞模式

4 有限元參數化分析

為探究梁縱筋配筋率、結合段的箍筋間距和結合段鋼梁預埋長度等擬定參數對帶型鋼接頭的預制鋼筋混凝土梁的承載能力及初始剛度的影響，以上文所建模型為基本模型，進行有限元參數化分析。各不同研究參數下模型的P-Δ曲線如圖5所示。

4.1 梁縱筋配筋率

如圖5a所示，隨著梁縱筋配筋率的增大，預制鋼筋混凝土梁的初始剛度和承載能力均逐漸增大，與配筋率0.7%的模型相比， 配筋率1.05%和 1.4%的模型的初始剛度分別提高了5.6%和18.9%，承載能力分別提高了25.8%和45.5%。這說明在本研究的參數范圍內，增大梁縱筋配筋率，預制鋼筋混凝土梁的承載能力和初始剛度有所越大。

圖5 不同研究參數下模型的P-Δ曲線

4.2 結合段箍筋間距

如圖5b所示，隨著結合段的箍筋間距的減小，間距為100 mm、80 mm和50 mm模型的初始剛度基本不變，承載能力略有增大，但變化幅度很小。這說明在研究參數范圍內，減小箍筋間距可以提高預制鋼筋混凝土梁的承載能力，但承載力增幅效果不明顯。100 mm結合段的箍筋間距已經可以使得結合段鋼梁與其周圍的混凝土協調工作。

4.3 結合段鋼梁預埋長度

如圖5c所示，隨著結合段鋼梁預埋長度的增加，預制鋼筋混凝土梁的初始剛度和承載能力場逐漸增大，與預埋長度為200 mm的模型相比，長度為300 mm和400 mm模型的初始剛度分別提高了4.4%和7.7%，承載能力分別提高了3.6%和4.7%。這說明在研究參數范圍內，增加結合段鋼梁預埋長度可以提高預制鋼筋混凝土梁的初始剛度和承載能力。

4.4 鋼梁段長度

如圖5d所示，隨著鋼梁段長度的增加，預制鋼筋混凝土梁的初始剛度略有降低，承載能力逐漸增大，與長度為400 mm的模型相比， 長度增加至500 mm和600 mm時初始剛度分別提高了2.1%和3.1%，承載能力分別提高了8.2%和11.0%。這說明在本研究的參數范圍內，增加鋼梁段長度，預制鋼筋混凝土梁初始剛度變化較小，承載能力逐漸提高，但幅度逐漸減小。

5 結 論

本文建立了固定邊界條件下帶型鋼接頭的預制鋼筋混凝土梁的有限元數值模型，并對其靜力性能進行了分析，從中得到了以下結論：

(1)當預制梁按鋼梁的受彎承載力大于混凝土梁的受彎承載力和“強剪弱彎”原則進行設計時，其最終破壞模式主要為梁縱向鋼筋屈服、近結合段梁混凝土壓潰，形成塑性鉸而發生破壞。

(2)在本研究的參數范圍內，增加梁縱筋配筋率和結合段鋼梁預埋長度可以提高預制鋼筋混凝土梁的初始剛度和承載能力；而增加鋼梁段長度，預制鋼筋混凝土梁初始剛度變化較小，承載能力逐漸提高。

(3)當結合段箍筋間距為100 mm時，已經可以使結合段鋼梁與其周圍的混凝土協調工作，再減小箍筋間距對其初始剛度和承載能力基本沒有影響。