裝配式預(yù)制變截面型鋼梁承式陽臺受力性能研究

郭 增，彭帥杰，陳 豐，王晟華

(1.張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 張家口 075000；2.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；3.北旺建設(shè)集團(tuán)有限公司 ，河北 承德 067000；4.河北省裝配式建造與地下工程技術(shù)創(chuàng)新中心 ，河北 承德 067000；5.張家口市智慧工地技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 張家口 075000)

引言

預(yù)制陽臺作為裝配式住宅建筑構(gòu)件部品的重要組成部分，它的構(gòu)造形式尤其是與主體部位的連接形式備受關(guān)注。懸挑式陽臺的根部為其關(guān)鍵受力部位，在進(jìn)行陽臺設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)考慮其根部與主體結(jié)構(gòu)連接的可靠性，避免出現(xiàn)陽臺整體傾覆，同時(shí)陽臺撓度也需符合正常使用極限狀態(tài)要求。

1 陽臺模型及其連接構(gòu)造

現(xiàn)有梁承式裝配式陽臺結(jié)構(gòu)中懸臂梁多采用鋼筋混凝土梁，與主體結(jié)構(gòu)連接多采用預(yù)留鋼筋與主體結(jié)構(gòu)錨固連接。這種連接需要在陽臺與主體結(jié)構(gòu)連接側(cè)預(yù)留較長鋼筋(多為懸挑長度的1.2倍)，在生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中占用空間較大，在現(xiàn)場吊裝過程中手扶就位安裝容易發(fā)生安全事故。梁側(cè)預(yù)留鋼筋極易與主體結(jié)構(gòu)箍筋發(fā)生碰撞，不僅影響施工效率，還對鋼筋綁扎質(zhì)量造成影響。同時(shí)這種連接方式需要在現(xiàn)場進(jìn)行澆筑，澆筑質(zhì)量難以保證[1]?；诖朔N狀況研究設(shè)計(jì)了一種預(yù)制變截面型鋼梁承式陽臺，陽臺尺寸如圖1所示。陽臺T字形弧線變截面型鋼梁懸挑長度1200 mm，翼緣寬度為100 mm，厚度為10 mm；腹板根部最大高度為200 mm，厚度為8 mm。懸挑梁根部焊接200 mm×300 mm×10 mm的鋼墊板，鋼墊板通過預(yù)埋在主體結(jié)構(gòu)的8根螺桿與主體結(jié)構(gòu)栓接在一起；懸挑梁翼緣上側(cè)與陽臺板底部在構(gòu)件廠通過預(yù)埋在板底的鋼板焊接在一起，陽臺板尺寸為3600 mm×1200 mm×100 mm，板內(nèi)配筋C10@200，雙層雙向布置。螺栓直徑為16 mm，屈服強(qiáng)度為940 MPa，抗拉強(qiáng)度為1040 MPa。鋼材強(qiáng)度等級均為Q345，陽臺板混凝土等級C30。

圖1 陽臺尺寸

陽臺結(jié)構(gòu)中的T字形弧線變截面型鋼懸挑梁與主體采用螺栓連接，相比鋼筋錨固連接方式施工簡便、安全，解決了傳統(tǒng)陽臺出筋太長帶來的運(yùn)輸和安裝問題，提高了施工質(zhì)量。

2 陽臺受力性能分析

采用通用有限元軟件ABAQUS分析陽臺的受力性能，設(shè)計(jì)陽臺樓面恒載3.2 kN/m2，活載2.5 kN/m2，混凝土材料采用塑性損傷模型，具體參數(shù)如表1所示，模型參數(shù)的準(zhǔn)確性驗(yàn)證見文獻(xiàn)[2]，鋼筋和鋼材采用彈塑性雙折線性本構(gòu)模型。模型中鋼筋采用三維桁架單元T3D2，其余構(gòu)件均采用八節(jié)點(diǎn)線性六面體單元C3D8R。網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)，經(jīng)多次模擬分析后最終混凝土墻板網(wǎng)格劃分為20 mm，鋼筋網(wǎng)格劃分為10 mm，腹板和翼緣網(wǎng)格劃分20 mm，墊板網(wǎng)格劃分10 mm，螺栓網(wǎng)格劃分為1 mm，模擬結(jié)果因網(wǎng)格進(jìn)一步劃分變化不大。圖2為陽臺模型的網(wǎng)格圖。

表 1 混凝土塑性損傷模型參數(shù)

圖2 陽臺模型網(wǎng)格圖

因有限元分析對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化處理，假設(shè)鋼筋與混凝土之間完好黏結(jié)，不考慮鋼筋與混凝土之間的滑移影響，鋼筋與混凝土采用Embed約束；采用Tie約束簡化模擬螺栓與鋼墊板孔壁間的栓接；假設(shè)焊縫質(zhì)量良好，所有鋼構(gòu)件間焊接處均采用Tie約束。邊界條件為螺栓與主體結(jié)構(gòu)栓接部分采用完全固結(jié)。

對陽臺模型分析得到整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖如圖3所示，型鋼挑梁最大應(yīng)力位于型鋼挑梁翼緣根部內(nèi)側(cè)與鋼墊板連接處,為257.6 MPa，未達(dá)到Q345鋼材的屈服強(qiáng)度，實(shí)際工程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注此連接部位，保證焊縫質(zhì)量達(dá)到相應(yīng)要求。

圖3 整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

陽臺板鋼筋網(wǎng)片應(yīng)力云圖如圖4所示。鋼筋網(wǎng)片的最大應(yīng)力約為144 MPa，位于跨中懸挑最遠(yuǎn)端的下層縱向受拉鋼筋，除了跨中部位的下層縱向鋼筋外，處于兩根懸挑梁根部位置的上層橫向鋼筋應(yīng)力也較大，原因是挑梁對陽臺板的約束力較大。

圖4 鋼筋網(wǎng)片應(yīng)力云圖

陽臺板豎向位移云圖見圖5，最大豎向位移位于跨中懸挑最遠(yuǎn)端，大小為15.16 mm，超過混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中受彎構(gòu)件的最大撓度值12 mm的要求，該陽臺結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行局部優(yōu)化。

圖5 豎向位移云圖

3 陽臺局部優(yōu)化

陽臺板撓度超限一般是由于其懸挑長度過大或開間寬度過大造成，對該撓度超限陽臺提出兩種優(yōu)化方案并利用有限元軟件進(jìn)行建模分析。

方案一為在板跨中位置加設(shè)一根懸挑梁，減少跨度，懸挑梁采用原變截面型鋼梁，如圖6所示。

圖6 優(yōu)化方案一結(jié)構(gòu)外觀圖

方案二是在板端部設(shè)置一加勁肋，增加陽臺板抗彎剛度，加勁肋尺寸為3400 mm×50 mm×6 mm，加勁肋與陽臺板底部預(yù)埋鋼板焊接在一起，如圖7所示。

圖7 優(yōu)化方案二結(jié)構(gòu)外觀圖

方案一優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)豎向位移云圖如圖8所示，最大豎向位移位于距跨中懸挑最遠(yuǎn)端的左右約1/6板跨度處,大小為1.50 mm<12 mm，為優(yōu)化前的10 %，滿足撓度要求。通過分析，型鋼挑梁最大應(yīng)力減小至175 MPa，為優(yōu)化前的69 %。鋼筋網(wǎng)片的最大應(yīng)力減小至14 MPa，為優(yōu)化前的10 %，位于挑梁根部，用鋼量在原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了50 %。

圖8 優(yōu)化方案一豎向位移云圖

方案二優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)豎向位移云圖如圖9所示，最大豎向位移位于跨中懸挑最遠(yuǎn)端，大小為10.44 mm<12 mm，為優(yōu)化前的69 %，滿足撓度要求。通過分析，型鋼挑梁最大應(yīng)力減小至204 MPa，為優(yōu)化前的79 %。鋼筋網(wǎng)片的最大應(yīng)力減小至71 MPa，為優(yōu)化前的49 %，用鋼量在原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了17.35 %。

圖9 優(yōu)化方案二豎向位移云圖

兩種優(yōu)化方案均能使陽臺板的最大撓度降低至規(guī)范要求，其中方案一的最大撓度降幅達(dá)90 %，方案二的最大撓度降幅為31 %，方案一對型鋼挑梁和鋼筋的應(yīng)力降幅效果均優(yōu)于方案二。方案一與原方案相比用鋼量增加50 %，方案二與原方案相比用鋼量增加17.35 %。

結(jié)論

為解決現(xiàn)有梁承式預(yù)制陽臺運(yùn)輸與安裝過程中效率低和易發(fā)生安全事故等問題，設(shè)計(jì)出一種新型預(yù)制變截面型鋼梁承式陽臺，使用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行受力性能模擬分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)該新型陽臺在設(shè)計(jì)荷載作用下型鋼挑梁的最大應(yīng)力為257.6 MPa，鋼筋網(wǎng)片最大應(yīng)力為144 MPa，均未達(dá)到屈服。

(2)陽臺板的最大豎向位移為15.16 mm，超過規(guī)范要求。對此提出兩種使陽臺板最大撓度降低的方案，其中方案一的最大撓度降幅達(dá)到90 %，方案二的最大撓度降幅達(dá)到31 %。

(3)方案一承載能力優(yōu)于方案二，但用鋼量較方案二增加較多，實(shí)際工程中可結(jié)合設(shè)計(jì)要求和造價(jià)綜合考慮進(jìn)行選擇。