新型裝配式框架干式連接節點核心區暗牛腿剪切性能分析

張力濱 周子涵

(東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

混凝土就其施工建造方式可以分為現澆式以及裝配式。然而裝配式混凝土結構能夠改變目前混凝土適用于建筑上的一些弊端問題[1]。裝配式混凝土框架結構具有環保、施工效率高等優勢，這也是目前為止混凝土建筑技術中的一大亮點所在。

近年來由于裝配式建筑的廣泛建造，對裝配式框架梁柱節點的研究也越來越多，其中牛腿式梁柱連接的研究主要都是針對框架柱和柱牛腿的力學性能、抗震性能及變形等方面，對于節點連接處的缺口梁研究的內容較少[2]。本課題的目的是研究裝配式框架節點干式連接中柱牛腿及缺口梁的極限承載力及剛度之間的關系，并給出設計建議，完善裝配式框架節點干式牛腿連接梁柱的理論體系和設計方法。利用ABAQUS[3]結合現有的鋼筋混凝土的本構模型，變換具體參數(柱牛腿鋼筋數量和缺口梁的縱筋數量)對梁柱節點進行有限元分析；得到理論上鋼筋數量及企口連接具體數值對框架梁柱節點性能的影響，并與實驗所得結論進行對比分析。

1 傳統預制裝配式框架干式連接節點形式

預制裝配式框架干式連接節點形式主要有以下幾種：牛腿連接，鋼吊架式連接，焊接連接，螺栓連接等。

其中牛腿連接中的明牛腿連接具有承載力較大，節點剛性較好，受力可靠等優點，因此在眾多的裝配式鋼筋混凝土多層廠房中使用頗多[4];暗牛腿連接相較于明牛腿而言，暗牛腿能夠為建筑的連接處創造較好的外形構造，但其無法使用在靜力和動力性能的建筑設計上。如果一支梁的一半高度能夠承受剪力的話，則另一半梁就能夠作為柱的牛腿，而要使牛腿不凸出梁邊，梁端和牛腿的配筋則比較復雜[5]。而鋼吊架式連接的柱子模板制作簡單，在北美洲國家使用較為廣泛[6]。這一方法有一個較為極致的缺點就是構造復雜、對施工的質量要求很高，對安裝的精度也要求很高，這種連接方式的承載力度不足，因此不適合承受高強度的荷載[7]。焊接連接的施工方法避免了現場現澆混凝土，節省混凝土養護時間，從而達到縮短工期的效果[8]。螺栓連接方法有一個非常致命的缺點：預制時必須進行高精度的作業，在螺栓連接中連接構造普遍復雜、連接構件相對較多。

2 新型預制裝配式框架干式連接節點的提出

2.1 新型裝配式框架干式連接節點的連接裝置

本課題的目的是研究裝配式框架節點干式連接中柱牛腿及缺口梁的長度與斜度同缺口梁的極限承載力及剛度之間的關系，并給出設計建議，完善裝配式框架節點干式牛腿連接梁柱的理論體系和設計方法，利用ABAQUS對現有的鋼筋混凝土的本構模型，變換具體參數(柱牛腿鋼筋數量和缺口梁的縱筋數量)對梁柱節點進行有限元分析,連接裝置如圖1所示。

2.2 新型裝配式框架干式連接節點的主要連接型式

整理思路可以發現：運用鋼筋混凝土暗牛腿連接方式，之后采取預埋件進行焊接構造是比較理想的節點型式[9]，如圖2所示。

在分析完干式節點的主要連接型式后還應該考慮預制構件連接的塑性鉸設置。一般情況下將塑性鉸設置在離開柱邊一定距離的梁柱內，這樣做的目的是為了防止節點核心區的混凝土因為地震而受到影響[10]。

3 新型預制裝配式框架干式連接節點中暗牛腿的應用研究分析

3.1 鋼筋混凝土暗牛腿的受力分析

如圖3所示剪力V是由缺口梁與鋼筋混凝土暗牛腿之間進行傳遞，由剪力V產生的彎矩M對上下鋼板傳遞，上部鋼板傳遞的力Fh1由柱中的預埋件傳遞到柱中。與企口連接節點相同，對節點的受力進行簡化，忽略灌縫傳遞的豎向剪力和承壓面上的水平剪力。

3.2 新型預制裝配式混凝土框架連接節點中鋼筋混凝土暗牛腿的有限元分析

根據模型以及工程的實際應用情況，暗牛腿模型的尺寸如圖4所示，混凝土暗牛腿有限元模型如表1所示。

表1 混凝土暗牛腿有限元模型

混凝土等級C20C30上部受力鋼筋直徑/mm18201820模型編號一二三四

鋼筋單元劃分見圖5，混凝土及承壓鋼板單元劃分見圖6。

根據上述的分析，圖7為所得出的混凝土應力分部情況，而圖8則是在極限荷載下混凝土裂縫的分布情況。

通過分析我們發現鋼筋混凝土暗牛腿與梁柱相交的地方有著非常明顯的應力集中現象，我們所設計的模型均是因為梁柱鉸接面上鋼筋混凝土暗牛腿下部混凝土壓碎而破壞的。而模型中暗牛腿上部的水平受力鋼筋并沒有因此而屈服，在極限荷載情況下，暗牛腿的變形現象也不是很明顯。

3.3 有限元分析與理論分析結果對比

經過計算結果的分析發現，在本尺寸下的暗牛腿沒有發生下截面的破壞，也沒有發生暗牛腿上部受拉鋼筋的屈服，而是發生了斜壓桿在節點的混凝土壓碎。在實際工程中由于各種因素的影響鋼筋混凝土暗牛腿仍可能發生混凝土壓桿破壞和梁柱交界面的剪切破壞和上部受拉鋼筋的屈服破壞。將公式計算結果與有限元分析求得的極限承載力進行對比，如表2所示。

表2 暗牛腿承載力理論計算值與有限元分析結果對比 kN

根據表2得出的結果分析，計算得出的結果是極限承載力基本保持一致，經過計算發現由暗牛腿上部的受力鋼筋決定的承載力與有限元結果有點出入，說明有限元模型中暗牛腿半高處的構造鋼筋不僅對混凝土具有一定的約束作用，并且對暗牛腿的承載能力有直接的影響。可見，若取計算時的較小值進行設計，鋼筋混凝土暗牛腿具有一定的安全儲備。

4 結論與展望

本文采用理論和有限元ABAQUS軟件分析，對新型裝配式干式連接節點核心區暗牛腿剪切性能進行分析，通過模型實驗對比得出了以下幾個結論：

1)在預制裝配式混凝土框架中，不同的連接方式有著各自的優缺點，實驗采用不同的構造方式實現干式連接彌補這些缺陷；

2)筆者利用有限元ABAQUS軟件對新型連接構造進行分析，結果顯示利用合理構造干式企口連接節點、鋼筋混凝土暗牛腿缺口梁干式節點能夠滿足承載力且性能優異。

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