裝配式結構疊合梁疊合面抗剪承載力研究

樊光輝

（廣州珠江外資建筑設計院有限公司）

0 前言

面對我國城鎮化發展進程，新型建筑工業化的發展應運而生，綠色建筑成為發展需求，裝配式結構順應國家發展的需求不斷推進，裝配式建筑必將成為未來建筑的主流形式[1]。裝配式結構因其預制構件在工廠提前做好，在現場只需組裝以及再次澆筑疊合成為整體結構。相較于現澆混凝土結構，預制構件在工廠完成，成品有標準質量的保障；預制構件工廠生產，避免生產施工現場的建筑垃圾，更環保；機械化吊裝，減少施工人員配備就可以完成施工；預制構件可作為模板也省去支模拆模的過程，縮短了工期。國家的《“十三五”裝配式建筑行動方案》給出相應的發展要求，國家以及地方省市也頒布了裝配式結構規范規程。常規的梁板式樓蓋傳力模式通常是：板→梁→柱→基礎，梁作為一個中間傳力構件發揮著很大的作用。裝配式梁板樓蓋與現澆式的梁板式樓蓋最本質差別在于新舊混凝土疊合面的存在，因此疊合梁整體性能的好壞取決于疊合面的好壞。疊合面抗剪承載力的研究成為重要的研究課題。

1 理論研究

1.1 規范要求

疊合梁其疊合面抗剪承載力的設計要求，國家規范《混凝土結構設計規范》[2]H.0.4條規定：

其理論推導參考周旺華教授的專著《現代混凝土疊合結構[3]，采用疊合梁疊合面模型，依據49個疊合配箍剪切構件試驗分析，得到關于混凝土剪應力、抗壓強度設計值、抗剪箍筋強度以及配筋率等關系式：τ/fcρsvfy/fc，對其進行線性回歸研究分析得到：

參照美國PCI手冊[4]建議，取脫離體圖1所示為計算模型，不考慮箍筋的作用，建立試驗結果與疊合面抗剪強度關系式，上部壓力和疊合面的剪力相等，根據彎矩平衡條件V·α=D·z，即V·α=τ·α·b·z，可得：

圖1 疊合梁疊合面計算模型

考慮到疊合梁抗剪試驗中較少出現斜裂縫沿水平疊合面發展，故設計時對其抗剪承載力適當提高取：

取力臂Z=0.85h0，結合⑶得到：

通常梁采用C30混凝土強度等級及以上時，fc≥10ft，保守取fc=10ft，即可得到國家混凝土結構設計規范的公式⑴。

1.2 理論發展

國外規范研究也是基于疊合面的抗剪滑移破壞為理論前提進行分析的，其中美國規范[5]規定：

歐洲規范[6]規定：

其中參數定義詳見規范，這里不再統一列出。任彧[7]針對不同國家規范對疊合梁疊合面的抗剪承載力進行了對比分析。

另外對于鋼結構中組合梁的抗剪栓釘的計算就是解決疊合面的抗剪承載力問題，具體計算詳見《鋼結構設計標準》[8]第14章內容。

混凝土結構設計規范中推導的混凝土疊合梁疊合面剪切承載力計算公式是基于疊合面為自然粗糙面，即施工中混凝土振搗后不加抹平形成的自然凹凸起伏不平的疊合后澆筑而成，近似取為平面的摩擦抗剪計算研究。對于目前采用各種類型的新型疊合梁，如預制為凹槽以及其他構造形式等的疊合梁，受力破壞形式的抗剪摩擦力計算等還缺少理論研究。

2 試驗研究

疊合梁其疊合面抗剪承載力力學性能等理論研究是基于理論假設和試驗研究，也是基于傳統的疊合方式，所得到相關的成果詳見教材[3]。

李國強等[9]對配置不同組合封閉箍筋類型的鋼筋混凝土疊合梁受剪性能進行試驗研究：對不同箍筋形式（單鉤組合、雙鉤組合和傳統封閉箍筋）、剪跨比和配箍率對鋼筋混凝土疊合梁破壞模式、受剪承載力、變形特征以及疊合面滑移的影響。試驗表明單鉤組合和雙鉤組合的箍筋形式，在大剪跨比時加載到峰值出現較大滑移破壞，不如傳統的封閉的箍筋。因此要保證疊合面不出現滑移破壞就要保證疊合面的粗糙和施工質量。

殷小溦等[10]對一種配置大間距采用HRB500、直徑為40或32高強縱筋的混凝土疊合梁的受彎性能進行試驗研究，疊合梁其裂縫分布形式和裂縫發展與普通配筋疊合梁相近，但開裂早于普通配筋疊合梁；受力性能與普通配筋疊合梁相近；按《裝配式混凝土結構技術規程》[11]規定的疊合面要求制作的試件，在峰值荷載前，未出現疊合面破壞。

過民龍等[12]針對平口和凹口兩種構造形式的疊合梁和現澆混凝土梁分別對其進行靜力力學性能研究分析，分析正向和反向的抗彎承載力、抗剪承載力分析、破壞形態以及撓度變形發展情況。試驗表明：疊合梁的平口和凹口形態對其破壞形態沒有差別；不論疊合后澆筑位置在于受壓區還是受拉區，疊合梁的抗彎、抗剪以及撓度變形同現澆梁的性能基本一致。從試驗結果來看，疊合梁疊合面抗剪承載力較強，抗彎和斜截面的破壞均發生在疊合面抗剪破壞之前。

3 有限元研究

3.1 模型參數

其中混凝土有限元單元采用C3D8R單元，鋼筋為桿單元采用T3D2單元。基于實際試驗中沒有出現沿水平疊合面抗剪滑移破壞先于其他類型的破壞，故疊合梁采用Tie約束綁扎預制部分和后澆混凝土部分的兩個接觸面，將受力鋼筋采用Embed嵌入混凝土部分形成整體結構。荷載施加方式為通過定義參考點RP與疊合梁表面剛性耦合連接，將力直接作用在參考點上，直接控制對疊合梁施加荷載。

3.2 分析研究

基于ABAQUS有限元軟件對疊合梁的仿真，唐宇軒[13]對一種新型裝配式混凝土梁-板結構體系的力學性能進行研究，通過設置U型預埋件增強疊合連接，以及預制板板端布置附加鋼筋的方式節點分析，對其破壞形態、變形撓度發展、承載力等和普通疊合梁以及現澆混凝土梁作比較。另外也研究了傳統疊合梁在裝配施工的一階段和二階段的受力模擬分析，對疊合梁的應用與研究具有一定參考意義。

黃海斌[14]利用ABAQUS有限元分析軟件建模實體單元，仿真模擬試驗分析文獻[12]中對應的疊合梁，其結果與試驗數據吻合度較好。通過對比發現，平口和凹槽構造形式的疊合梁力學性能差別不大，因此當不宜預制生產凹槽形式時，采用平口形式在保證一定的粗糙粘合能力能夠發揮整體性能時，也能達到相同的效果。兩種構造的形式的疊合梁與現澆混凝土結構梁力學性能相當。

4 結論

通過理論研究給出規范中傳統疊合梁其疊合面抗剪承載力的計算推導，另外一些新型連接方式的疊合面抗剪性能的理論分析還有待研究。

通過不同于傳統疊合梁的試驗研究，采用不同箍筋類型的試驗研究表明，傳統閉合箍筋更不容易出現滑移破壞；采用HRB500高強度縱筋的疊合梁，在加載峰值之前不會出現疊合面破壞。上面兩類試驗均未與現澆梁的力學性能作對比。試驗研究平口和凹口兩種疊合連接方式的疊合梁的力學性能，結果表明疊合梁受力性能分析與現澆梁的受力性能并無差異。這里破壞形態均為抗彎和斜截面抗剪破壞均發生在疊合面抗剪破壞之前。綜上所述，保證疊合面的抗剪承載力，就能保證疊合梁和現澆梁的力學性能無明顯差異。

通過有限元研究幾類疊合梁力學性能，結果表明這幾類疊合梁的受力性能與現澆梁的力學性能差異并不明顯。