全預制裝配式混凝土框架結構新型干式節點埋件受力性能分析研究

龔子榮 李銀芳

（1、湖北交投紫云鐵路有限公司，湖北 宜昌 443000 2、三峽大學科技學院，湖北 宜昌 443000）

1 概述

在一些復雜的工業建筑及裝配式建筑結構中，預埋件的用鋼量往往比較大，因此設計時應充分考慮預埋件的構造設計。一般情況下，預埋件對裝配式結構構件的外觀尺寸影響較小，它是利用預先埋入混凝土結構中的預制鐵件，通過后期的焊接或螺栓連接達到構件間互相連接的目的。通常，預埋件是裝配式混凝土結構構件之間主要的傳力部件，因此，對預埋件構造設計和驗算等的研究意義重大。

2 新型干式節點預埋件構造設計

新型干式節點預埋件的構造設計也是基于錨筋式埋件節點，對于錨筋式埋件節點,國內外眾多學者進行了大量研究，如王寶珍等針對不同類型預埋件進行試驗,在鋼筋混凝土的“剪力- 摩擦”理論的基礎上,提出了預埋件在不同受力狀態下的錨筋計算式[1]。預埋件專題研究組給出了錨筋式埋件在純剪、拉剪和彎剪狀態下的受力性能,提出了拉剪預埋件的計算式[2]。殷芝霖等對錨筋式埋件的破壞機理、計算方法、構造要求和有關影響承載力的主要因素進行了分析論述, 并提出了純拉狀態下錨筋式埋件的抗拉承載力計算式[3]。此外,王秀娟等在分析計算錨板厚度的基礎上, 認為在軸心受拉和受彎構件的錨板厚度計算中,錨板厚度取1.3 倍的錨筋直徑可滿足要求[4]。朱耀國等建立了有限元模型對預埋件的受力性能進行數值計算[5]。

論文中采用的預埋件主要是由鋼板和預埋錨筋（構件的縱筋兼做錨筋）組成的錨筋式預埋件，可參考文獻[6]中相應的預埋件類型進行構造設計和計算。新型干式節點預埋件（方鋼管法蘭盤）的構造設計如圖1 所示。

圖1 方鋼管法蘭盤連接節點

另外，由于拼接節點一般設置在構件反彎點附近，受力分析時是否考慮地震作用將直接影響拼接節點受力情況。故在此分兩種情況進行預埋件的設計。

3 靜載作用下預埋件的設計

在方鋼管法蘭盤連接中，方鋼管法蘭盤與預制混凝土構件通過預埋錨筋（混凝土構件縱筋可以兼做錨筋）進行錨固，靜載作用時，預埋件只受到軸力和剪力的作用。下面利用摩擦抗剪設計方法對預埋錨筋的設置進行討論。

在預制裝配式混凝土結構中，特別是在連接處，直接受剪可能會使構件發生剪切破壞。此時，如果剪應力較大的剪切面不能提供足夠的抗剪承載能力，可能會發生嚴重后果。

方鋼管法蘭盤所需的預埋錨筋可通過摩擦抗剪設計方法來確定。假設在方鋼管法蘭盤連接中，預制柱的榫齒沿截面1-1 開裂，且有預埋鋼筋、預制柱縱筋穿過此截面。剪力V 平行于開裂面，使得榫齒相對于預制柱有沿著開裂截面發生相對滑動的趨勢，此時剪力V 主要由開裂面處的摩擦力來抵抗，并且預埋鋼筋和縱筋由于相對滑動而受拉。受力示意圖，如圖2 所示。

圖2 混凝土開裂處受力分析圖

當預埋錨筋的屈服強度相同時，壓力最大值將出現在截面的兩邊，其值為：

其中

式中：Nmax——壓力最大值；

N——預制拼接柱所受軸力；

T——截面內預埋鋼筋與預制柱縱筋所受拉力值；

N1——榫齒所受的軸為；

N2——方鋼管法蘭盤所受的軸力；

Ag——方鋼管法蘭盤的承壓面積；

Ae——榫齒截面面積；

A——預制拼接柱截面面積；

Am——預埋錨筋總的截面面積；

As——預制柱縱向受力鋼筋總的截面面積；

fmv——預埋鋼筋的屈服強度。

開裂面處的摩擦力可由軸向壓力乘以有效摩擦系數μe來確定，其取值可參考ACI 規范[7]按下式計算：

式中：λ ——系數，對普通混凝土取 λ=1.0；

μ——摩擦系數，摩擦系數 μ的選取，可參考ACI規范，對整體澆筑的普通混凝土取1.4，接觸面不作任何處理時取0.6。

根據ACI 規范的有關規定，在實際設計和驗算時，還應對混凝土開裂面處的摩擦力乘以折減系數φ，對于抗剪計算時，φ 取0.85。當榫齒兩端鋼筋屈服強度相同時，隔離體為研究對象，由力的平衡得：

μ1取0.6，μ2取1.4；

b1——預制柱截面受剪寬度；

b2——榫齒核心區混凝土受剪寬度。

將式（2）和（3）代入式（5）得：

從而得到預埋錨筋的驗算公式：

綜上可知，在方鋼管法蘭盤連接中，進行預制柱的榫齒截面設計后，還應根據式（7）對方鋼管法蘭盤上的預埋錨筋進行驗算。

4 地震作用下預埋件的設計

在地震作用下，預埋件將受到軸力、剪力和彎矩的共同作用，預埋件的構造設計，如圖3 所示。應根據文獻[6]中的方法設計預埋件。

圖3 方鋼管法蘭盤與錨筋受力分析圖

（1）在剪力、法向拉力和彎矩共同作用下，預埋錨筋截面面積應分別按公式（8）和（9）計算，并取二者較大值：

（2）在剪力、法向壓力和彎矩共同作用下，預埋錨筋截面面積應分別按公式（10）和（11）計算，并取二者較大值：

V——剪力設計值；

N——法向拉力或壓力設計值，法向壓力設計值不應大于0.5fcA，此處A'為法蘭板的面積；

M——彎矩設計值。當M小于0.4NZ 時，取M等于0.4NZ；

T——法蘭板厚度；

αb——法蘭板彎曲變形折減系數；

αr——鋼筋層數影響系數，當錨

筋等間距配置時，二層取1.0，三層取0.9，四層取0.85；

Z——沿剪力作用方向最外層錨筋中心線之間的距離。

5 方鋼管法蘭盤的變形驗算

由于螺栓分布較密，每個螺栓都有一定的強度富余，螺栓的變形小于法蘭板，因此螺栓對法蘭板起到一定的限制作用?？紤]螺栓的限制作用后，螺栓受拉和受彎將分別引起相對于中徑的轉角變形，其受力變形示意圖，如圖4 所示。

圖4 高強螺栓受彎及法蘭板變形情況

由螺栓受拉及受彎所產生的相對于中徑轉角分別為：

式中：L——螺栓的長度；

Ae——螺桿的有效面積；

ΔN——螺栓沿桿軸的變形；

d0——六角形螺栓的外徑；

假設法蘭板邊界是連續化的，法蘭盤的外邊界轉角變為：

式中：β ——考慮螺栓間的空隙后法蘭板連續外邊界轉角增大系數，一般取1.5。則法蘭板的變形驗算條件為：

式中：v——法蘭板受拉力作用處的燒度值；

B——方鋼管法蘭盤截面寬度；

[v]——法蘭板燒度容許值。

6 結論

6.1 對全預制裝配式新型干式連接節點預埋件（方鋼管法蘭盤）進行整體受力分析和構造設計，應用摩擦抗剪理論推導出了預埋件在不考慮地震作用和考慮地震作用兩種情況下的設計驗算公式。

6.2 依據相關設計規范，給出了法蘭盤的強度驗算公式和法蘭盤的變形驗算公式。