裝配式綠色建筑梁柱節點固定方法研究

姚 健

(中國鐵建房地產集團有限公司 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點固定方法是技術難點，通過裝配式綠色建筑梁柱節點的優化固定設計，提高建筑結構整體的穩定性和應力可靠性，研究裝配式綠色建筑梁柱節點固定方法，在優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點固定設計是建立在對裝配式綠色建筑梁柱節點力學參數優化設計基礎上，結合數值模擬和力學分析，實現裝配式綠色建筑梁柱節點固定優化[2]。當前，對裝配式綠色建筑梁柱節點固定方法主要采用錨節點固定方法、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，實現對裝配式綠色建筑梁柱節點的穩定性控制[3]。文獻[4]提出一種采用承載力、剛度、裂縫形態控制的裝配式綠色建筑梁柱節點固定方法，根據節點錨固性能分析和參數解析，實現裝配式綠色建筑梁柱節點固定，但該方法進行裝配式綠色建筑梁柱節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定性固定方法，實現對裝配式綠色建筑梁柱節點固定，在細節構造、傳力機制上，提高了裝配式綠色建筑梁柱節點固定的輸出可靠性和穩定性，通過栓釘實現錨固，但該方法缺乏相應的理論和試驗支撐。

針對上述問題，本文提出基于節點受剪性能整體結構優化的裝配式綠色建筑梁柱節點固定方法。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，實現對裝配式綠色建筑梁柱節點的等強連接；然后采用靜力單調拉伸試驗方法，增大鋼筋與鋼板間的不平衡力矩，提高梁柱節點固定的穩定性和可靠性，采用節點受剪性能整體結構優化方法，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點錨固能力方面的優越性能。

2 連接形式和材料本構關系

2.1 裝配式綠色建筑梁柱節點連接形式

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

圖1 裝配式綠色建筑梁柱節點的基坑環境分布(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點的錨固連接模塊，根據三種錨固形式，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點兩側的栓釘實現錨固[7－8]?？紤]到筏板基礎，在裝配式綠色建筑梁柱節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分析，確定裝配式綠色建筑梁柱節點的墻－鋼筋混凝土基礎參數，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點連接結構形式如圖2所示。

圖2 裝配式綠色建筑梁柱節點連接結構形式(單位:m)

2.2 裝配式綠色建筑梁柱節點材料本構關系

建筑梁柱節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，提高施工效率與質量。在裝配整體式剪力墻結構中，采用框架中節點的混凝土應力分析方法，計算裝配式綠色建筑梁柱節點的承載力和預應力[10]，構建裝配式綠色建筑梁柱節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，實現對裝配式綠色建筑梁柱節點的等強連接[11]，抗彎應力模型為:

式中:Vt1為拉鋼筋配置相對于節點性能內力；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；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。錨固鋼筋應力參數為:

式中:λ為受壓和受拉損傷指標；t為體積配箍率?？紤]加載裝置尺寸和加載能力，得到裝配式綠色建筑梁柱節點受拉損傷指標系數滿足[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，鋼管內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點材料本構關系模型，在單軸受力情況下，實現對裝配式綠色建筑梁柱節點本構關系分析。

3 裝配式綠色建筑梁柱節點固定優化

3.1 節點受剪性能整體結構參數分析

在構建了裝配式綠色建筑梁柱節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點的搭接傳力分析，通過分析裝配式綠色建筑梁柱節點的承載力、剛度等參數信息，建立裝配式綠色建筑梁柱節點的應力參數分析模型，在鋼板底部焊接的鋼板之間，實現對柱與基礎錨固區域的應力參數解算，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點的縱向強度，建立梁節點的有限元模型，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；v為受壓時速度。結合組合框架節點有限元分析，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。在組合框架節點有限元分析模型中，根據受壓應力－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。根據節點受剪性能整體結構參數分析法，計算鋼筋標準錨固長度，分析錨固長度對節點性能的影響。

3.2 裝配式綠色建筑梁柱節點應力優化

采用靜力單調拉伸試驗方法，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點單軸抗拉強度；fvk為單軸受拉下降段參數值的標準值；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和分布面積；∑Af為剛度恢復系數；n為鋼材初始彈性模量。

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

圖4 裝配式綠色建筑梁柱節點優化

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、鋼管和內加強設計方法，建立裝配式綠色建筑梁柱節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點性能評價指標體系

根據表1的參數評價指標體系，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點固定的受力分析

根據圖5裝配式綠色建筑梁柱節點固定的受力情況，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點固定的力學參數解析結果如表2所示。

表2 裝配式綠色建筑梁柱節點固定的受力參數解析結果

根據表2參數解析結果可知，采用本文方法進行綠色建筑梁柱節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點固定方法的優化設計，并提出基于節點受剪性能整體結構優化的裝配式綠色建筑梁柱節點固定方法。在裝配整體式剪力墻結構中，采用框架中節點的混凝土應力分析方法，建立裝配式綠色建筑梁柱節點的混凝土基礎與雙鋼板組合墻節點連接模型，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點受剪性能整體結構優化方法，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定性，具有很好的工程應用價值。