新型預制裝配節點承載力計算及設計方法研究

杜定發

（江蘇聯合職業技術學院 南京分院，南京210019）

1 引言

預制裝配節點作為預制裝配結構的傳力樞紐，直接關系著整個裝配式結構的受力性能[1]，在預制裝配式結構的設計和應用實踐中，應重點加以分析和研究。

本文所研究的2種新型預制裝配節點是某風洞實驗室混凝土筒體上所使用的2種新型節點。前期研究階段已對2種新型節點進行了相關試驗研究和數值分析工作。

2 新型節點及其試驗研究介紹

風洞實驗室工程主體部分為風洞筒體結構，筒體由混凝土預制板拼裝而成。預制板體之間由2種新型預制裝配節點進行連接，分別為縱向縫節點和橫向縫節點。本文分別命名為節點1和節點2，如圖1所示。

圖1 新型節點詳圖

在本文前期研究階段，已完成了節點1試件的受拉、受壓、受剪試驗研究，以及節點2試件的受彎、受剪、受拉試驗研究，新型節點現場加載圖如圖2所示。為使2種新型節點在實際工程中有更廣泛和可靠的應用，為試驗研究的結果提供參考和補充，本文將對2種新型節點進行承載力計算，并進行相關承載力設計計算方法的分析和研究。

3 承載力分析和計算

通過節點1試件的受拉、受壓、受剪試驗研究可知，試件破壞時，焊縫處未出現任何破壞，滿足承載力要求。對于鋼棒和鋼板連接處的焊縫強度，可按不焊透的對接焊縫（單形V形坡口）和對接焊縫2種情況分別進行承載力計算[2]。

圖2 新型節點現場加載圖

3.1 節點1受拉承載力計算

節點1焊縫處為斜角角焊縫（鋼板與圓鋼的夾角約45°）。按不焊透的對接焊縫計算，正面角焊縫強度設計值增大系數βf=1.22 ，焊縫有效厚度he=10mm，焊縫總長度∑lw=283mm時，

式中，σ為拉應力；N為軸心拉力；fwt為焊縫抗拉強度設計值。

按對接焊縫計算，焊縫長度lw=290mm,對接接頭中連接件的較小厚度t=10mm時，

單根栓釘抗剪承載力根據式（3）計算：

式中，Ncv為單根栓釘抗剪承載力設計值；As為栓釘釘桿截面面積；Ec為混凝土彈性模量；fc為混凝土抗壓強度設計值；γ為栓釘材料屈強比；f為栓釘抗拉強度設計值。

因節點區域鋼板一側有12根栓釘，因此，總承載力為752 kN。總體來說，當拉力達到691 kN時，焊縫處已破壞，承載力建議值為691 kN。

3.2 節點1受壓承載力計算

節點1試件焊縫處受壓承載力計算同受拉承載力，承載力建議值為691 kN。

3.3 節點1受剪承載力計算

根據試驗研究和工程經驗判斷，節點1焊縫處的抗剪能力相對較弱，故只計算焊縫處受剪時的承載力。

按不焊透的對接焊縫計算，βf=1.0 ，h e=8.4 mm，∑lw=283mm時，剪應力按式（4）計算，

式中，τ為剪應力；fwv為焊縫抗剪強度設計值。

按對接焊縫計算，lw=290mm，t=10mm時，剪應力按式（5）計算，

根據計算，當壓力N≥476 kN時，焊縫處破壞，承載力建議值為476 kN。

3.4 節點2受彎承載力計算

節點2鋼筋拉、壓力作用點距離為0.121 m，如圖1中節點灌漿區詳圖所示，荷載作用點離支座距離為0.75 m，如圖3所示。

圖3 節點二試件受彎加載示意圖

承載力計算過程：

式中，F為節點鋼筋所受拉力；fy為節點鋼筋抗拉強度設計值；As為節點鋼筋截面面積；M為彎矩；P為節點所受集中荷載；d為節點鋼筋拉、壓力作用點距離。

根據計算，節點2所受最大彎矩為8.6 kN·m，承載力建議值為11.5 kN。

3.5 節點2受剪承載力計算

節點2試件受剪所受荷載為集中荷載，根據試驗研究可知，試件發生近支座處斜截面破壞，因此，采用式（6）進行承載力計算[3]。

式中，Vcs為斜截面受剪承載力；λ為剪跨比；ft為軸心抗拉強度設計值；b為截面寬度；h0為截面有效高度；fyv為箍筋抗拉強度設計值；Asv為箍筋截面面積；s為箍筋間距。

根據計算，節點2試件所受最大剪力為252.6 kN，承載力建議值為252.6 kN。

3.6 節點2受拉承載力計算

節點2試件節點區鋼筋承受拉力，混凝土不承受拉力，承載力計算過程如式（7）所示：

根據計算，當荷載達到142.4 kN時，節點區破壞。因縱筋間距為200mm，每延米承載力為711.9 kN，因而，承載力建議值為213.6 kN。

綜上所述，2種新型節點均具有較強的承載力。對節點1進行受拉、受壓、受彎承載力分析時，可按照不焊透的對接焊縫（單形V形坡口）和對接焊縫2種情況，分別進行承載力計算，承載力極限值取二者之間值。對于節點2，受彎承載力計算可按受拉鋼筋屈服，同時，考慮部分鋼筋參與抗壓的情形進行承載力計算；節點2受剪承載力可按普通矩形截面梁承受集中荷載的情形進行承載力計算；節點2受拉承載力可按受拉鋼筋屈服，同時，根據節點連接鋼筋的間距考慮其每延米承載力的情形，計算極限承載力。

4 數值試驗及設計方法

為進一步科學地分析2種新型節點的破壞形式和極限承載力，并提出相應設計方法，本文采用有限元分析軟件（ABAQUS）結合2種新型節點的相關構造特點，建立相關節點試件數值試驗模型[4]，如圖4所示。本文通過改變新型節點試件有限元模型相關參數的形式開展數值試驗，同時，根據2種新型節點的受力特點及破壞形式，分別提出了相關承載力設計方法[5]，現以新型節點2受彎數值試驗為例做相關分析。

圖4 節點2試件數值試驗模型

在節點2受彎數值試驗中，主要考慮節點區域節點單側受拉鋼筋面積、節點含剛特征值、灌漿區截面有效高度等因素，通過改變相關參數，進行數值試驗，并提出節點2受彎承載力設計方法如式（8）所示，相關分析計算結果見表1：

式中，σs為鋼筋屈服強度；A′s為節點單側受拉鋼筋面積；ξ為節點含鋼特征值，0＜ξ＜0.87 ；h0為灌漿區域截面有效高度。

表1 節點2受彎承載力計算值、試驗研究結果和數值分析結果

通過表1可知，根據式（8）所得計算結果與試驗研究結果以及數值分析結果基本吻合，即所提設計方法可有效應用于實際工程。

5 結論

本文在2種新型節點試驗研究的基礎上，進行了節點承載力分析和計算，同時，通過數值試驗，進行了相關設計方法分析，并得出以下結論：

1）依據試驗研究結果和相關規范，對2種新型節點進行承載力分析和計算，其結果可為試驗研究提供相應補充。與此同時，在進行承載力計算時，因對相關因素的考慮還不夠全面，導致其計算結果與試驗結果有一定的出入。

2）通過改變新型節點試件有限元模型相關參數進行數值試驗，進一步全面了解了2種新型節點的破壞形式和極限承載力，同時，提出了相關設計方法。以節點2受彎數值試驗為例，所提承載力設計方法計算的結果與試驗研究和數值分析的結果基本吻合，滿足實際工程應用需求。