裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定方法研究

姚 健

(中國鐵建房地產(chǎn)集團有限公司 北京 100039)

1 引言

裝配式綠色建筑其實用性越來越大，并廣泛應用于城市建筑中。由于裝配式綠色建筑的建設周期短、能耗開銷小，從而被廣泛應用在新農(nóng)村建設、廠房建設等領域[1]。在裝配式綠色建筑設計中，裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定方法是技術難點，通過裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點的優(yōu)化固定設計，提高建筑結構整體的穩(wěn)定性和應力可靠性，研究裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定方法，在優(yōu)化裝配式綠色建筑梁柱單元的結構設計中具有重要意義，相關的裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定方法研究受到諸多學者極大關注。

對裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定設計是建立在對裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點力學參數(shù)優(yōu)化設計基礎上，結合數(shù)值模擬和力學分析，實現(xiàn)裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定優(yōu)化[2]。當前，對裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定方法主要采用錨節(jié)點固定方法、基坑固定方法以及對拉鋼筋固定方法等，采用雙鋼板混凝土組合墻設計的方法，實現(xiàn)對裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點的穩(wěn)定性控制[3]。文獻[4]提出一種采用承載力、剛度、裂縫形態(tài)控制的裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定方法，根據(jù)節(jié)點錨固性能分析和參數(shù)解析，實現(xiàn)裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定，但該方法進行裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定的搭接強度不高。文獻[5]提出基于非接觸式的若干錨固鋼筋穩(wěn)定性固定方法，實現(xiàn)對裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定，在細節(jié)構造、傳力機制上，提高了裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定的輸出可靠性和穩(wěn)定性，通過栓釘實現(xiàn)錨固，但該方法缺乏相應的理論和試驗支撐。

針對上述問題，本文提出基于節(jié)點受剪性能整體結構優(yōu)化的裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定方法。首先在裝配整體式剪力墻結構中，采用框架中節(jié)點的混凝土應力分析方法，選擇埋件式錨固方法，結合預應力度分析和屈服響應分析，實現(xiàn)對裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點的等強連接；然后采用靜力單調(diào)拉伸試驗方法，增大鋼筋與鋼板間的不平衡力矩，提高梁柱節(jié)點固定的穩(wěn)定性和可靠性，采用節(jié)點受剪性能整體結構優(yōu)化方法，降低搭接鋼筋與鋼板距離；最后進行實驗測試，展示本文方法在提高裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點錨固能力方面的優(yōu)越性能。

2 連接形式和材料本構關系

2.1 裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點連接形式

結合對裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點的應力參數(shù)分析方法，建立裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點的混凝土基礎與雙鋼板組合墻節(jié)點連接模型[6]。裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點的基坑環(huán)境分布如圖1所示。

圖1 裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點的基坑環(huán)境分布(單位:m)

采用鋼筋混凝土筏板作為基礎，結合嵌入式錨固和埋件式錨固的方法，建立裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點的錨固連接模塊，根據(jù)三種錨固形式，采用雙鋼板混凝土組合墻配置方法，利用裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點兩側的栓釘實現(xiàn)錨固[7－8]。考慮到筏板基礎，在裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點的嵌入鋼板上穿孔，對鋼筋搭接試件的裂縫采用錨桿固定的方法進行梁柱節(jié)點固定，采用埋件式錨固方法，在混凝土中帶肋鋼筋進行搭接連接，通過對拉鋼筋及鋼板應變檢測和力學參數(shù)分析，確定裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點的墻－鋼筋混凝土基礎參數(shù)，進行裝配式綠色建筑梁柱單元的抗震設計，設置拉鋼筋配置[9]。裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點連接結構形式如圖2所示。

圖2 裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點連接結構形式(單位:m)

2.2 裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點材料本構關系

建筑梁柱節(jié)點材料在加固改造工程中具有廣泛的應用。裝配式綠色建筑物裝飾裝修中，節(jié)點材料主要用于板材粘接、墻面預處理、貼墻、陶瓷墻地磚、各種地板及地毯的鋪設粘接，通過其能夠提高防水、密封、彈性和抗沖擊性能。這些性能不僅能提高裝配式綠色建筑裝飾質(zhì)量，增加美觀與舒適度，還能改善施工工藝，提高施工效率與質(zhì)量。在裝配整體式剪力墻結構中，采用框架中節(jié)點的混凝土應力分析方法，計算裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點的承載力和預應力[10]，構建裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點材料本構關系模型，采用埋件式錨固方法，結合預應力度分析和屈服響應分析，實現(xiàn)對裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點的等強連接[11]，抗彎應力模型為:

式中:Vt1為拉鋼筋配置相對于節(jié)點性能內(nèi)力；Vu1為鋼筋標準錨固長度；ΔVt為搭接鋼筋與鋼板的間距。采用靜力加載試驗方法，分析搭接鋼筋直徑的修正因子為:

式中:dei為試件截面及鋼板上的滯回系數(shù)；dpti為較大局部變形的屈曲關系，混凝土澆筑時兩側模板參數(shù)。錨固鋼筋應力參數(shù)為:

式中:λ為受壓和受拉損傷指標；t為體積配箍率。考慮加載裝置尺寸和加載能力，得到裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點受拉損傷指標系數(shù)滿足[12]u:I×IRd→IR，混凝土彈性模量為:

式中:τ≥0。分析混凝土受壓和受拉損傷指標系數(shù)，鋼管內(nèi)混凝土的受拉損傷指標:

式中:P(Y｜λi)為雙軸抗壓屈服強度；P(Y｜λj)為單軸受拉時應力；P(Y｜λT)為初始彈性模量。由此建立裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點材料本構關系模型，在單軸受力情況下，實現(xiàn)對裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點本構關系分析。

3 裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定優(yōu)化

3.1 節(jié)點受剪性能整體結構參數(shù)分析

在構建了裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點材料本構關系模型的基礎上，采用搭接鋼筋布置方式，進行裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點的搭接傳力分析，通過分析裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點的承載力、剛度等參數(shù)信息，建立裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點的應力參數(shù)分析模型，在鋼板底部焊接的鋼板之間，實現(xiàn)對柱與基礎錨固區(qū)域的應力參數(shù)解算，構建抗剪承載力計算模型，采用埋件式錨固方法，結合預應力度分析和屈服響應分析，得到裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點的縱向強度，建立梁節(jié)點的有限元模型，得到混凝土受壓應力為:

式中:n為施加預應力；φi為混凝土受壓序列值；b、t、a均為混凝土受壓系數(shù)；v為受壓時速度。結合組合框架節(jié)點有限元分析，得到壓應力和壓應變的關系如圖3所示。

圖3 壓應力和壓應變關系

根據(jù)圖3所示的壓應力和壓應變的關系，采用有限元模擬的方法，進行鋼板與鋼筋間搭接傳力測試。在組合框架節(jié)點有限元分析模型中，根據(jù)受壓應力－應變關系分布，采用錨固方法，將拉鋼筋兩端均焊接在鋼板上，分析不同位置對拉鋼筋的受力情況，得出受力為:

式中:aii為應力－應變聯(lián)合分布特征；bi為流動勢偏量值；為混凝土膨脹角；為單軸受壓相應的應變。根據(jù)節(jié)點受剪性能整體結構參數(shù)分析法，計算鋼筋標準錨固長度，分析錨固長度對節(jié)點性能的影響。

3.2 裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點應力優(yōu)化

采用靜力單調(diào)拉伸試驗方法，增大鋼筋與鋼板間的不平衡力矩，構建裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點的搭接模型，得到搭接位置變化指標為:

式中:Is為縱橫向間距；μj為受壓應力－應變關系分布；Aj為單軸受壓應力－應變；W′為單軸受拉下降段參數(shù)值；F為雙軸抗壓屈服強度。

當F＝0.1時，得到雙軸抗壓屈服強度滿足:

式中:λn為裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點單軸抗拉強度；fvk為單軸受拉下降段參數(shù)值的標準值；ω為流動勢偏量值；Ac、Aw分別為箍筋約束下混凝土的截面參數(shù)和分布面積；∑Af為剛度恢復系數(shù)；n為鋼材初始彈性模量。

根據(jù)錨桿體支護順序，結合混凝土支撐柱工程，實現(xiàn)對裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點的應力結構參數(shù)分析。在插筋錨固節(jié)點中，通過分析試件的承載力，實現(xiàn)對裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點的等強連接，采用靜力單調(diào)拉伸試驗方法，實現(xiàn)對裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定。節(jié)點優(yōu)化模型如圖4所示。

圖4 裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點優(yōu)化

4 實驗分析

測試分析中，設定鋼筋強度等級均為HRB400，采用工字鋼、鋼管和內(nèi)加強設計方法，建立裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點極限強度檢測模型，屈服預應力度為234.1 MPa、232.0 MPa。裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點性能評價指標體系如表1所示。

表1 裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點性能評價指標體系

根據(jù)表1的參數(shù)評價指標體系，在塑性損傷模型中進行裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定的受力分析，如圖5所示。

圖5 裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定的受力分析

根據(jù)圖5裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定的受力情況，其抗拉力受力特征值最高為72%，屈服應力受力特征值最高為70%。在此基礎上，分析裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定的力學參數(shù)解析結果如表2所示。

表2 裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定的受力參數(shù)解析結果

根據(jù)表2參數(shù)解析結果可知，采用本文方法進行綠色建筑梁柱節(jié)點固定的受力可靠性較好。裝配式綠色建筑層間位移測試結果如圖6所示。

分析圖6可知，通過裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定設計，降低了層間位移，預應力度分別為0.31、0.79，滿足設計要求。

圖6 層間位移測試結果

5 結束語

本文進行裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定方法的優(yōu)化設計，并提出基于節(jié)點受剪性能整體結構優(yōu)化的裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定方法。在裝配整體式剪力墻結構中，采用框架中節(jié)點的混凝土應力分析方法，建立裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點的混凝土基礎與雙鋼板組合墻節(jié)點連接模型，采用鋼筋混凝土筏板作為基礎，結合嵌入式錨固和埋件式錨固的方法，構建裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點材料本構關系模型，采用埋件式錨固方法，結合預應力度分析和屈服響應分析采用節(jié)點受剪性能整體結構優(yōu)化方法，降低搭接鋼筋與鋼板距離。采用本文方法進行裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定的抗拉能力較好，搭接鋼筋的滑移得到有效控制，提高了裝配式綠色建筑梁柱單元的穩(wěn)定性，具有很好的工程應用價值。