新型全預制鋼筋混凝土缺口梁及梁端懸挑牛腿分析

張力濱 楊 朔

(東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

裝配式混凝土，指的是部分或全部構件預先制作，通過現場拼裝相連而形成的混凝土結構。構件的預先制作，不僅提升了工程質量，也縮短了建筑工期，同時整個過程較為環保，節省了成本，其是現如今中國政府正在著重推廣的一類建筑形式[1]。

在建筑施工行業，全預制裝配式混凝土是一類重要的且受到用戶及設計者重視的結構類型,其具有施工效率高、節約成本以及環保等優勢[2]。裝配式鋼混結構是中國建筑行業的發展趨勢，其能夠促使中國建筑向工業化的方向推進，提升生產效率和施工質量，節約資源，保護環境。此外，裝配式結構能夠依照次序組裝工程的某些或者所有的工序，進而將進入施工現場的設備量與種類控制在較少的范圍內，縮短工序之間的停留時間，使得工程更加立體交叉，為綠色施工提供保障[3]。裝配式混凝土以其節能環保、施工方便、極大地縮短施工周期等特點得到政府的大力推舉。在政府大力推進下，此類建筑已經成為當代建筑行業的主要形式之一。此種結構的主要問題是節點的連接問題，所以分析連接處的力學性能是分析裝配式混凝土結構的主要內容。梁柱連接是預制混凝土架構設計中非常關鍵的部分,本文主要對全預制鋼混缺口梁及梁端懸挑牛腿進行分析。

1 型連接中缺口梁的受力情況研究

在企口連接時，通常將預制梁制作成缺口梁，缺口梁以及梁端懸挑牛腿兩者所受外力的數值為相反數，因此可一同分析兩個結構的受力情況。關于企口連接，國內與國外的學者對其名稱沒有一個統一的認定，例如：scarf connection，錯口連接、企口連接、端部疊層梁連接(dapped-end connection), halving joints等。此外，關于企口連接里梁構件的名稱也各不相同，例如：端部疊層梁、階梯形梁、缺口梁等。本篇文章中為了便于表述及分析，把圖1中的連接叫做企口連接，其中的梁叫做缺口梁，其中懸挑梁暗牛腿叫做梁牛腿。在此種連接里，不管是梁牛腿或是缺口梁，為表述清晰均把突出部位叫做R部，把整梁高部位叫做F部。

從圖1中能夠看出，在企口連接中，缺口梁以及梁牛腿兩個構件間的受力情況較為復雜，圖2則簡化了上述受力情況，圖2不考慮兩個構件間從灌注縫隙傳遞的縱向摩擦力，假定全部縱向力都由牛腿承受；忽略灌縫傳遞的水平向拉力。此外，因為預制柱以及缺口梁兩個構件間相對滑移的可能性較小，在安裝完成之后兩個構件較為穩固，僅在水平方向地震影響下結構出現反復移動時暗牛腿上表面以及缺口梁間才會出現橫向摩擦力，接下來的運算過程不考慮圖2里橫向剪力N。

1.1 缺口梁的分析

關于企口連接，在我國還未出現明確的運算方式，國外等發達國家則研究較多，依據PCI設計手冊、ACI規范等，缺口梁破壞方式以及R部的局部承受壓力破壞總計6類方式分別為：

1)R部的彎曲或受拉破壞；2)R部和F部的交界位置截面直剪破壞；3)凹角處斜拉破壞；4)伸出端斜截面破壞；5)R部的局部承壓破壞；6)F部的端部斜截面破壞。

應該對缺口梁支承于牛腿上的R部進行承壓驗算，這時，用來避免其他破壞型式的鋼筋配置可以用作局部壓力的約束鋼筋，見圖3～圖5。

1.2 缺口梁的受力分析

1)R部的斜截面抗剪計算。

把R部構件當做與預制梁端受力相反的暗牛腿。使用拉壓桿模型研究R部。

對于混凝土壓桿的合力C可近似取：

C=Acfce

(1)

其中，C為壓桿應力的多個力的總和，也就是其軸向力；Ac為與壓桿軸線相互垂直的端部位置構件的截面積，其寬度通常與整個截面的寬度相同，壓桿在該截面的寬度范圍內均有效；fce為混凝土壓桿的有效混凝土強度。

為確保壓桿的安全性以及有效性，fce應該選擇壓桿內與結點范圍內兩者有效混凝土強度中比較小的數值。在圖6中結點A處存在多個拉桿，βn可以取0.6，壓桿中混凝土的有效強度為:

(2)

依據圖6的圖形幾何關系和受力情況，根據式(1)可以計算得到壓桿的最大承受力:

(3)

拉桿的極限承載力可求，根據力的平衡關系可得:

(4)

模型里需要的R下部橫向受力鋼筋可以使用式(3)計算得到:

(5)

其中，As為R下部橫向受力鋼筋。

為避免梁端的傾斜裂縫受損，通常把梁內R下部橫向受力鋼筋從和裂開縫隙⑥的相交位置處開始固定。

2)R部的垂直抗剪計算。

如果R部沿著開裂縫隙②損壞時，應該驗算其垂直方向的抗剪能力。使用摩擦抗剪原理檢驗計算全部經過開裂縫隙②的水平方向鋼筋的抗剪能力。如果經過驗算以后發現其不符合要求，則應該添加橫向鋼筋，新安裝的橫向鋼筋應該盡可能的臨近R的下方位置的鋼筋。

3)抗拉和抗彎計算。

通過圖6模型里R部A點的受力情況可以發現，T1上橫向力是Fh1+Vu。因此梁上部承受拉力鋼筋的面積可以使用式(6)進行計算：

(6)

4)凹角處的抗拉計算。

在凹角位置需要布置一些鋼筋，避免拉力所導致的如圖4所示的裂開縫隙③。為避免在此位置出現脆性破壞，應該運算凹角位置的抗拉強度。縱向鋼筋應該盡可能配置于F部端部，確保其能夠縱向承受拉力。從圖6中的模型能夠看出，凹角位置的縱向鋼筋所承受的拉力是Vu。則豎向鋼筋的總面積為：

(7)

此類鋼筋應該在梁端進行科學的配置以及固定，在梁下端可把其焊接于梁端預先埋設的構件上。

5)預制梁本身的斜裂縫抗剪。

在缺口梁端的下部預先埋設構件位置有可能發生沿著裂開縫隙⑥的破壞情況，見圖4，針對此類破壞情況，可以使用混凝土標準里有關的抗剪計算式檢驗，此處不再介紹。

1.3 缺口梁的構造

配筋構造以及錨固會直接影響到梁端應力，所以配筋構造以及錨固非常關鍵，缺口梁向外伸出端的高應不小于預制梁的1/2，連接梁端的缺口梁相連構造取梁高1/2。R部下面的水平主筋A。要固定至梁的末端位置，和端部預先埋設的鋼板焊接到一起(或者使用預先埋設的角鋼)。豎向吊筋，應該盡量與梁身端部位置臨近，同時使用封閉環筋包裹上部與下部兩處梁筋，在下部位置可焊至梁端預先埋設的構件上。

2 梁端懸挑牛腿的研究

從圖2中能夠發現，在企口連接里，缺口梁以及梁牛腿兩類結構的受力情況比較類似，在對結構進行設計時，兩個結構的R部可以保持高度一致，因此在運算時僅算出一類構件即可。關于梁牛腿的運算，可使用與缺口梁相同的運算方式，本文此處不再贅述。這里需要注意，對于梁牛腿的F部而言，應該驗算其懸挑梁的抗彎曲以及抗剪性能，從而保證其作用效果與要求相符。為確保接頭強度具有一定的連續性，如果經過運算得到的梁牛腿的橫向受力鋼筋與缺口梁上方或者下方受力鋼筋相比較小，那么應該選擇缺口梁結構的鋼筋面積完成鋼筋配置操作。關于梁牛腿，應該將其R部位置的受力鋼筋牢固的固定在柱內。中柱梁牛腿里橫向受力鋼筋需要保持直通，同時依照兩個端點運算相對較大的鋼筋面積并完成配置操作。鋼筋在R部或者F部端能夠被制作成穩定性較高的U狀。現場澆筑梁柱的節點，受到周期性變化荷載的影響，梁上鋼筋可能會出現“拉風箱”形式的移動。但是在牛腿節點里，因為塑性鉸逐漸移動至牛腿的外側邊緣，柱邊位置的鋼筋通常還沒有屈服，節點的核心處在彈性狀態，所以梁筋相對不易移動。為確保梁上部位置的縱筋較為穩固，可以在柱的中心位置增加焊錨板或者焊短筋都可以獲得理想的效果，操作也較為簡便。

3 結論與展望

本文通過對缺口梁以及懸挑牛腿的理論分析，提出新型梁的抗壓、抗剪及抗彎的計算方式，希望對以后起到指導作用。

隨著裝配式建筑的進一步發展，新型的裝配式結構一定會得到發展，研究其性能將會成為發展裝配式建筑的關鍵一步。