全預制主次梁節點做法分析

陳 悅，華 良

（上海中森建筑與工程設計顧問有限公司，上海 200062）

0 引言

在強調節能降碳、推動城市綠色發展的今天，裝配式建筑全干法施工的建造方式憑借其低污染、低能耗、高效益、高質量、周期短、成本較優等優勢引起業內專家的廣泛關注，但因多種因素影響，在裝配式混凝土建筑中應用并不普遍，并未形成體系。在裝配式混凝土框架結構中，節點的性能強弱是決定建筑體系的關鍵因素[1-4]。目前裝配式建筑中混凝土框架結構節點形式多樣，可大致分為兩大類：等同現澆節點（濕法）和螺栓或焊接節點（干法）。等同現澆節點根據是否需要對節點施加預應力，主要分為預應力拼接節點與后澆整體式節點兩種節點形式；裝配式節點依據鋼材之間連接方式的不同可分為螺栓連接節點和焊接節點。

張建等[5-7]開展基于疊合構件主次梁節點的研究及相應的實踐。其基本是通過現澆段、槽口、牛腿擱置等做法實現連接。但全預制主次梁節點連接的研究很少?？紤]到混凝土結構實際工程應用中，理想化的鉸接受力模式很難實施，本文提出兩種新型主次梁連接節點設計：鉸接節點和半剛接節點，并通過有限元軟件模擬分析這兩種連接節點下的應力分布情況，并對兩種新型主次梁連接節點進行優化，細化構造做法。

1 節點設計

研發新型裝配式混凝土框架結構全預制主次梁連接節點，目標是能滿足主次梁傳遞內力需要，構造簡單，且傳力路徑盡可能直接；安裝簡便，利于工人操作；要有保證防預制構件塌落措施。

1.1 節點模型設計

1）新型主次梁鉸接節點模型設計 新型主次梁鉸接節點如圖1所示，其設計原理是預制主梁與預制次梁通過將主梁中的預埋鋼筋插入次梁的預留螺紋盲孔中即可完成連接，同時預留鋼筋可預防預制構件滑落。在該新型節點建模分析設計中，預制主梁截面尺寸為500mm×250mm，預制次梁尺寸為400mm×200mm，主次梁混凝土強度等級均為C30；預制主梁上側面設有牛腿，預制次梁擱置在牛腿上，預埋鋼筋設置在牛腿中，預埋連接鋼筋直徑16mm（HRB400，伸出長150mm）；預制次梁上預留螺紋盲孔直徑為50mm。預埋鋼筋插入螺紋盲孔后，再在孔洞內灌注高強灌漿料。

圖1 新型主次梁鉸接節點

2）新型主次梁半剛性節點模型設計 新型主次梁半剛性節點如圖2所示，連接處由鋼板、螺栓組成，局部采用高強砂漿灌注密實，該節點具有一定的抗彎能力。在有限元模型設計中，預制主梁截面尺寸為500mm×250mm，預制次梁截面尺寸為400mm×200mm，主次梁混凝土強度等級均為C30；預制主梁上側面設有牛腿，預制次梁擱置在牛腿上；主梁與次梁上部設有凹槽，槽內設有270mm×80mm×6mm的鋼板，試件鋼材均為Q345鋼；螺栓采用10.9級M16高強螺栓。

圖2 新型主次梁半剛性節點

1.2 加載方案

本設計模型通過加載集中荷載在次梁上表面中心點的位置，將主梁兩端設為剛接、次梁端部邊界條件設為鉸接模擬設計受力工況。為使結果更能反映節點的實際應力變化情況，結合工程設計經驗，模擬集中荷載取600kN。

2 有限元分析

2.1 數值模型建立

2.1.1 新型鉸接節點模型

分析選用ABAQUS數值模擬平臺，基于新型主次梁節點設計，數值模擬具體做法如下。

1）創建部件 根據各部件的幾何形狀，創建主梁、次梁、預埋鋼筋3個部件。

2）設置材料和截面特性 主要研究荷載作用下主次梁及連接處的應力變化情況，所有部件均為彈性體?；炷翉姸鹊燃墳镃30，預留插筋為HRB400，彈性模量、泊松比及屈服強度采用現行規范提供數值。主梁、次梁截面特性為Solid單元，預埋鋼筋則為Truss單元，并設置鋼筋截面為201mm2。

3）部件組裝 在Assembly模塊中，將主梁、次梁、連接件等部件在統一的整體坐標系中進行裝配，使其成為一個整體。

4）定義分析步 在Initial初始步之外，定義Step2用來設置主次梁接觸條件，并定義Step3以給裝配件施加荷載。

5）定義接觸面性質 在新型鉸接節點和新型半剛性節點研究中，為使新型主次梁連接節點的分析結果能夠更加直觀地反映節點構造對整體結構的影響，將主梁與次梁間的水平接觸面設為無摩擦，具體做法為：選擇Contact作為相互作用屬性的類型，并定義其Tangential Behavior（切向屬性）為無摩擦，而后對主梁與次梁之間的接觸面定義為面-面接觸，并賦予以上接觸屬性。預埋鋼筋截面特性為Truss，且插入鋼筋后的螺紋盲孔做灌漿處理，因此鋼筋在模型中應嵌固在主、次梁中，具體處理為：分別對主梁和次梁定義一個Embedded Region嵌固約束，將主梁、次梁設為Host Region被嵌入區域，鋼筋分為兩段，均設為Embedded Region嵌入體，從而將鋼筋分別嵌固進主、次梁中。

6）施加載荷和邊界條件 在Initial初始步中定義邊界條件：主梁梁兩端為剛接，次梁端部設為鉸接。集中荷載大小為600kN施加在次梁上表面中心點的位置，具體做法為：在次梁上表面中心點位置設置參考點RP-1，定義一個Coupling耦合約束，將參考點RP-1與次梁上表面耦合，后定義荷載類型為集中荷載Concentrated Load，大小為600kN，施加在參考點上，從而將集中荷載施加在次梁上。

7）劃分網格 主、次梁的種子密度為0.025mm，預埋鋼筋種子密度為0.01mm。主次梁間面-面接觸無摩擦，為小位移無接觸問題，因此主次梁單元為C3D10四面體二次單元；而鋼筋截面特性為Truss，其單元類型為T3D2三維二節點桁架單元。

8）分析作業 檢查數據后提交作業。

2.1.2 新型半剛性節點模型

基于新型主次梁半剛性節點設計，數值模擬具體做法如下。

1）創建部件 創建主梁、次梁、鋼板、螺栓4個部件。由于本分析并不考慮螺栓對鋼板的受力影響，因此將鋼板與螺栓通過Merge命令形成整體。

2）設置材料和截面特性 本模型主要研究荷載作用下主次梁及連接處的應力變化情況，所有部件均為彈性體。主梁和次梁混凝土強度等級為C30，鋼板為Q345B，螺栓采用10.9級M16螺栓，彈性模量、泊松、屈服強度等采用現行規范提供數值。主梁、次梁、鋼板及螺栓截面特性均為Solid。

3）部件組裝 在Assembly模塊中，將主梁、次梁、連接件等部件在統一的整體坐標系中進行裝配，使其成為一個整體。

4）定義分析步 在Initial初始步之外，定義Step2用來設置主次梁接觸條件，并定義Step3以給裝配件施加荷載。

5）定義接觸 與新型鉸接節點模型相似，將主梁與次梁間的接觸面設為無摩擦，具體做法為：選擇Contact作為相互作用屬性的類型，并定義其Tangential Behavior（切向屬性）為無摩擦，而后對主梁與次梁之間的接觸面定義為面-面接觸，并賦予以上接觸屬性。除定義主次梁間的面-面接觸為無摩擦外，鋼板與主次梁接觸面也設為面-面接觸無摩擦，螺栓則作為嵌入體分別嵌固在主梁和次梁中。

6）施加載荷和邊界條件 在Initial初始步中定義邊界條件：主梁梁兩端為剛接，次梁端部設為鉸接。集中荷載大小為600kN施加在次梁上表面中心點的位置，具體做法為：在次梁上表面中心點位置設置參考點RP-1，定義一個Coupling耦合約束，將參考點RP-1與次梁上表面耦合，后定義荷載類型為集中荷載Concentrated Load，大小為600kN，施加在參考點上，從而將集中荷載施加在次梁上。

7）劃分網格 主、次梁的種子密度為0.025mm，鋼板與螺栓組件種子密度為0.02mm。且主梁、次梁及鋼板螺栓組件單元均為C3D10四面體二次單元。

8）分析作業 檢查數據后提交作業。

2.2 模型模擬結果分析

2.2.1 新型主次梁鉸接節點模擬結果分析

結合主梁、次梁及預埋鋼筋的應力壓力分布云圖進行模擬結果分析。

1）主梁設置牛腿處，由于次梁傳力的偏心作用受力，從而對主梁產生扭轉效應。

2）牛腿邊緣處由于端部直角原因，在次梁產生變形時，對其有局部擠壓；牛腿根部由于主次梁之間密接，次梁旋轉小變形造成局部應力集中。

3）在次梁端部牛腿應力集中的接觸處也相應出現應力集中，受力不利。原因同牛腿應力集中。

4）預埋鋼筋在接縫處出現明顯局部變形，這表明雖然簡化為鉸接，但實際工作中由于梁端部的小角位移變形下，預留插筋實際受到交界面的水平力。

2.2.2 新型主次梁半剛性節點模擬結果分析

結合主梁、次梁及連接組件的應力分布云圖進行模擬結果分析。

1）主梁設置牛腿處由于次梁傳力的偏心作用受力，從而對主梁產生的扭轉效應；頂部鋼板螺栓連接處出現局部應力集中。

2）與新型主次梁鉸接節點模擬計算結果相似，均有局部應力集中情況。但缺口梁壓因上部鋼板受拉，下部受壓區域發展較為充分，應力也較大。鋼板處有局部應力集中及拉應力。

3）連接組件由鋼板與螺栓組成，鋼板中心處受拉。在鋼板與螺栓連接處出現應力集中。

2.3 節點優化

2.3.1 新型主次梁鉸接節點優化

1）對于主梁與次梁單側連接的節點，由于次梁的偏心作用而對主梁產生扭矩，因此這種情況下，主梁兩端應增加抗扭設計，加強抗扭措施。

2）次梁端預埋插筋有明顯的剪切變形，在插筋及預留孔周邊做構造加強。

3）牛腿外邊緣直角邊局部應力集中是次梁在變形過程中對牛腿擠壓造成，因此此處宜在牛腿邊緣做倒角或找平砂漿內退，在主次梁連接處留縫并用柔性材料填充，給次梁變形留出緩沖空間。

4）在鉸接支座中，采用次梁和主梁接觸面用柔性材料隔離，削弱應力集中。如圖3所示。

圖3 新型主次梁鉸接節點優化

2.3.2 新型主次梁半剛性節點優化

1）對于主梁與次梁單側連接的節點，由于次梁的半剛性節點及偏心作用而對主梁產生扭矩，因此這種情況下，主梁兩端應增加抗扭設計，加強抗扭措施。

2）新型半剛性節點能夠承受一定的彎矩，即力偶矩。根據數值模型可知，鋼板受拉，主梁與次梁接觸處應采用高強漿料灌實，提供受壓面，使受力平衡。

3）因螺栓周邊產生局部應力集中，所以次梁端部、主梁預埋螺栓周邊應做構造加強。

4）牛腿外邊緣直角邊局部應力集中是次梁在變形過程中對牛腿擠壓造成的，因此此處宜在牛腿邊緣做倒角或找平砂漿內退，在主次梁連接處留縫并用柔性材料填充，給次梁變形留出緩沖空間。如圖4所示。

圖4 新型主次梁半剛性節點優化

3 結語

工程項目實際設計中，主次梁的不同的應用場景，受力也有不同形式。本文根據受力特點，考慮主要影響因素，簡化成2種節點：鉸接節點、半剛接節點，通過仿真分析，分析其內力分布，結果表明有以下規律：主梁在次梁梁端彎矩或偏心力作用下會出現扭轉變形；牛腿邊緣及根部與次梁接觸處易出現應力集中現象；預留插筋在交接面會產生剪切變形；頂部鋼板的螺栓在混凝土中有局部應力集中現象。

主次梁連接節點是裝配式框架結構重要的節點，本文提供的2種主次梁連接節點，構造簡單、施工便捷、安裝效率高、現場濕作業少，同時受力明確、傳力簡潔，具有很強的落地性和可實施性。