預制梁端預設短錨筋結構方案設計

馬青萍

本文針對預制梁這種橫截面小且截面上有較多梁縱筋甩出、很難進行粗糙化處理的預制構件，提出了預制梁端采取預設短錨筋代替粗糙化處理的方案。利用ABAQUS有限元軟件參考已有的預制梁柱節點足尺實驗，計算分析得：梁端預設短錨筋的最優布置方案為HPB300級直徑為的6短錨筋均勻布置在預制梁端鍵槽垂直截面部位。

在裝配式混凝土框架結構中預制梁和柱連接節點處存在新舊混凝土的結合面，使得該部位形成了混凝土不同齡期抗剪切薄弱面。中國建筑科學研究院的顏峰等論證規范中預制梁端承載力計算公式的準確性、結合面抗剪力學性能研究。趙勇等分別設計梁端設計鍵槽、粗糙面的試件，總結得出粗糙化處理方式多，但施工質量難以把控、評價標準不一，建議要強化針對結合面處粗糙處理的設計要求和施工質量。根據提出在預制梁端結合面預設短錨筋處理方式提高預制梁端的承載力，即在預制梁端新舊混凝土結合面處通過預設短錨筋有效的拉結，使預制梁、柱在節點區通過后澆混凝形成受力整體。這將免去預制梁構件加工時對梁端這種橫截面較小且有很多縱筋甩出的預制構件進行粗糙化處理的加工步驟，同時因為短錨筋的綁扎、混凝土澆筑均與預制梁同步，大大加快了預制構件加工效率和施工進度。

一、“鍵槽+預設短錨筋”方案設計

短錨筋在預制梁端結合面處的布置如圖1所示：短錨筋一側預埋在預制梁端部與預制梁一起在工廠加工完成，一側預留甩出長度laE的鋼筋，運輸至施工現場，與預制柱等其他構件通過后澆混凝土整澆在一起形成受力整體。

圖1中的為抗震錨固長度,為保證本文提出的短錨筋在地震工況下能與相接觸的混凝土之間有充分的黏結錨固性能，此處建議短錨筋的錨固長度取抗震錨固長度，其中抗震錨固長度計算方法見《混凝土結構技術規范》。

圖1 短錨筋布置圖

橫截面布置方案：

陳適才等針對某個裝配式住宅樓，試驗設計了3個節點構件，研究了節點破壞形態以及受力性能。本文以該實驗中的中節點為研究對象提出了四種短錨筋的布置方案，如圖2所示。

圖2 短錨筋布置方案圖

方案一為短錨筋均勻布置在預制梁端鍵槽凹、凸部位，方案二為短錨筋沿預制梁高方向均勻布置在梁端鍵槽凹凸部位，方案三為短錨筋均勻布置在預制梁端鍵槽垂直截面部位，方案四為短錨筋沿預制梁端呈“T”形布置，鍵槽凹凸部位均設置。

二、短錨筋最優布置方案

本文將選擇用有限元程序ABAQUS，基于文獻中的裝配整體式節點作為研究對象，對本文提出的四種橫截面短錨筋布置方案進行對比分析。

1.有限元模型建立

在有限元模型中，混凝土材料選擇ABAQUS提供的混凝土損傷塑性模型，混凝土材料的應力-應變關系曲線的選自《混凝土結構設計規范》，鋼筋、套筒采用理想彈塑性模型。混凝土材料、柱縱筋、鋼筋套筒采用八節點線性六面體單元；梁鋼筋、柱箍筋、板鋼筋采用二節點線性三維桁架單元模擬鋼筋軸向受力狀態進行模擬。

預制構件結合部位采用設置接觸條件處理，法向行為設置“硬”接觸，切向行為設置庫倫摩擦系數μ。本文對粗糙化處理后的預制梁端與后澆混凝土結合面之間切向μ取1.0，未經過粗糙化處理的μ取0.6。

2.最佳方案選擇

在該有限元模型的基礎上，暫且不考慮原實驗中粗糙化處理，預制梁端構造增設短錨筋。梁端橫截面短錨筋布置分別按照本文2.2節提出的四種布置方案。從圖3可知：預設短錨筋對該裝配式節點正向的承載力提高較為可觀，但三種方案對于節點承載力的提高相差幅度不大。

圖3 各方案力-位移曲線（自繪）

3.短錨筋最優型號

為了充分滿足預設短錨筋的抗震錨固長度，在實際工程設計中，建議短錨筋的直徑選擇不宜過大，因此，在方案三的基礎上選擇鋼筋強度為HPB300級直徑分別為6、8、10的小直徑鋼筋進行有限元分析，選擇最經濟的短錨筋型號。

圖4增設HPB300級直徑分別為6、8、10的短錨筋節點骨架曲線圖。對比可知：增設短錨筋后，節點滯回曲線更加飽滿，對于節點正向的承載力提高較為明顯，直徑為6、8、10的短錨筋對于節點承載力的提高程度相差不大。因此，選擇最小直徑為6的鋼筋較為合適且經濟。

圖4 力-位移曲線

三、結語

（1）最優的短錨筋設計方案為“HPB300級直徑為6的短錨筋均勻布置在預制梁端鍵槽垂直截面部位”。預制梁端增設短錨筋的設計方案在承載力提高的同時將避免了預制梁這種橫截面小且有很多縱向鋼筋甩出的構件進行粗糙化處理，這將提高施工效率且在一定程度上提高了結構的安全儲備。

（2）本文提出短錨筋設計方案僅在有限元數值模擬階段，將為進一步試驗驗證打下了良好的基礎。