2017, Vol. 45
由于具有绿色环保、建造周期短、建造效率高和建筑质量易于保证等诸多特点，装配式建筑在我国得到了大力推广，其应用越来越广泛[1-4].装配式耗能减震结构体系是近年来提出的一种新型装配式结构体系；该体系中，柱采用预制型钢混凝土，梁采用预制钢筋混凝土梁；梁柱之间均为铰接；结构的抗侧刚度通过防屈曲约束支撑或剪力墙来提供.针对这种结构体系，研发了一种预制混凝土梁端预埋槽钢节点.在预制钢筋混凝土梁端预埋一截槽钢，同时在预制钢骨混凝土柱上预留一截槽钢，通过高强螺栓将预制梁、柱连接起来.这种节点施工速度快、施工质量好，对我国目前大力推广工业化建筑具有较大意义.
装配式结构的构件类型丰富，很多学者研发了与之相应的节点.汪青杰等[5]对钢管混凝土柱与型钢梁装配式节点进行了抗震分析.李向民等[6]设计并试验了一种新型预制装配式混凝土框架高效延性节点.高杰等[7]实验研究了装配式梁柱叠合楼板中节点的抗震性能.徐姝亚等[8]对装配式套筒连接CFST柱RC梁节点的抗震性能进行了研究.张爱林等[9]设计了装配式方钢管柱桁架梁节点并进行单调加载试验研究.
然而，由于预制混凝土梁端预埋槽钢节点，形式较新，目前研究较少，仅郭小农等[10]进行了有限元模拟，但缺乏相应的试验研究与理论分析.为探究预制混凝土梁端预埋槽钢节点的破坏模式和节点承载力，本文对12根预制混凝土梁的承载力性能进行试验研究，为该节点后续的设计与应用提供了参考.
1 试验设计 1.1 试件设计预埋槽钢节点的典型示意图见图 1，通过高强螺栓将预埋于预制混凝土梁中的槽钢和预埋在预制钢骨混凝土柱中的槽钢连接起来.设计了12根预制混凝土梁试件，试件详图和试件浇筑过程见图 2.所有梁截面尺寸均为250 mm×350 mm、跨度为1.65 m；混凝土强度等级为C30；纵向钢筋采用直径为18 mm的HRB400；箍筋采直径为8 mm的HRB300；预埋槽钢型号采用普通槽钢25b和25a，钢材牌号为Q235B；预制混凝土梁端预埋槽钢外伸长度130 mm；梁端槽钢与柱端端板采用3个10.9级的M24高强螺栓进行连接.
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1-预埋槽钢；2-预制钢筋混凝土梁；3-高强螺栓；4-连接槽钢；5-型钢混凝土柱 图 1 预埋槽钢节点示意[10] Fig.1 Embedded channel joint configurations |
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图 2 试件详图和试件照片 Fig.2 Details and pictures of specimens |
所有试件根据槽钢预埋深度、梁端箍筋间距、梁跨中空腔和槽钢偏心的不同共分为4个系列.A系列试件考虑槽钢预埋深度的不同分为100 mm、200 mm和300 mm三种情况；B系列试件考虑梁端箍筋间距的不同分为100 mm和50 mm两种情况；C系列试件考虑梁跨中空腔的影响分为有空腔和无空腔两种情况；D系列试件研究槽钢偏心的影响分为偏心距0和20 mm两种情况.表 1给出所有试件的具体信息.
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下载CSV 表 1 试件信息表 Tab.1 Information of Specimens |
试验主要考察预制混凝土梁端预埋槽钢节点的受剪承载性能.为保证试验的可控性和对场地的适应性，设计了自平衡反力架，如图 3所示.反力架的立柱上设置端板，端板和反力架刚性连接.连接槽钢焊于端板上，并设置加劲肋加固.为方便试件安装，在连接槽钢上开长圆孔.预制混凝土梁端预埋槽钢与反力架立柱上的连接槽钢采用3M24高强螺栓连接.100 t千斤顶放置于梁跨中，并进行竖向加载.初期采用力控制进行加载，每一个加载等级为10 kN.当荷载位移曲线呈现出塑性特征时，采用位移控制进行加载.为了得到试件的完整试验响应，每级荷载加载完后持续5 min.
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图 3 试验加载装置示意图(mm) Fig.3 Loading system (mm) |
所有试件采用相同的测点布置方案.图 4给出试件的位移测点布置方案.位移计D1~D8用于测量梁端截面的相对转角；位移计D9~D10用于测量梁的跨中侧向位移；位移计D11用于测量梁跨中竖向位移.为了监测在加载过程中槽钢，在槽钢腹板表面布置了1个应变花H1，在槽钢上下翼缘布置了2个纵向应变片P1和P2，如图 5所示.为了监测纵向钢筋上的应变发展情况，在负钢筋的上表面布置了纵向应变片P5、P7和P9；在正钢筋的下表面布置了纵向应变片P6、P8和P10，如图 6所示.
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图 4 位移测点布置图(mm) Fig.4 Displacement arrangement (mm) |
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图 5 槽钢应变片布置(mm) Fig.5 Strain arrangement of channel steel (mm) |
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图 6 纵向钢筋应变片布置 Fig.6 Strain arrangement of steel reinforcement |
首先进行材性试验.混凝土试块按《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行制作，通过混凝土抗压强度和受压弹性模量试验，测得混凝土的立方体试块抗压强度平均值为29.10 MPa，弹性模量平均值为33 776 MPa，如表 2所示.钢材拉伸试样分别在同批次槽钢、纵筋和箍筋上取样，共制作7个.钢材拉伸试验结果平均值如表 2所示.拉伸试样拉断后的照片如图 7所示.
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下载CSV 表 2 材性试验结果 Tab.2 Material properties |
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图 7 破坏的拉伸试样 Fig.7 Failure modes of tensile sample |
根据试验过程中混凝土的裂缝发展情况，可将试件的变形过程大致分为4个阶段.第1阶段，当荷载达到P1时，梁跨中出现第一条垂直裂缝，随着荷载的增加，梁上裂缝的数量、长度和宽度都有发展，裂缝分布的范围向梁两端扩展，裂缝的延伸从开始的垂直方向变为向加载点略有倾斜；第2阶段，当荷载达到P2时，梁端槽钢下面混凝土出现裂缝，并迅速向梁侧表面发展；第3阶段，当荷载达到P3时，梁跨内混凝土裂缝数量已不再增加，而随着荷载增大，裂缝宽度和长度不断增大；第4阶段，荷载达到试件极限承载力Pu发生破坏.试件的最终破坏模式有槽钢撬出破坏、梁端部混凝土压碎和跨中受拉钢筋屈服3种.表 3给出了所有节点试件破坏模式、不同变形阶段对应的荷载以及最终挠度Du(即图 4中D11的读数).图 8给出了部分试件破坏的照片.
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下载CSV 表 3 试验结果汇总 Tab.3 Test results |
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图 8 部分试件破坏模式 Fig.8 Failure modes |
图 9给出了A系列试件跨中竖向荷载位移曲线(D11).由图 9和表 3可知：试件的极限承载力随着槽钢预埋深度的增加而增加，但增加幅度逐渐变小.当槽钢预埋深度从100 mm变成200 mm时，极限承载力提高24.50%；当槽钢预埋深度从200 mm变成300 mm时，极限承载力提高了13.02%；当槽钢预埋深度为200 mm时，试件的极限变形最大；和普槽25b试件A300-1相比，普槽25a试件A300-2的极限承载力降低了4.25%，但极限变形提高了63.30%.
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图 9 A系列试件跨中荷载位移曲线 Fig.9 Load-displacement of midspan of A type specimens |
箍筋起着约束混凝土使两者共同工作，并提供斜截面抗剪作用.图 10给出了B系列试件跨中竖向荷载位移曲线.由图 10和表 3可知，当梁端部箍筋间距加密一倍时，试件B200-1比试件A200-1的极限承载力提高了43.03%，极限变形也提高了24.30%.主要原因在于，箍筋间距加密对梁端部混凝土的约束加强，使得试件端部预埋槽钢与其周围的混凝土能充分发挥材料性能.
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图 10 B系列试件跨中荷载位移曲线 Fig.10 Load-displacement of midspan of B type specimens |
图 11给出了C系列试件跨中竖向荷载位移曲线.由图 11和表 3可知，梁跨中设有空腔对节点初期受力影响不大，但对极限承载力和变形能力均有一定的影响.本文在梁跨中设置了尺寸为100 mm×150 mm×850 mm的空腔，能减轻构件8.83%的重量.从试验结果可知，设置空腔的试件比无空腔的试件的承载力只降低了4.50%，极限变形降低了23.30%.由此可见，设置空腔对承载力影响甚微.
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图 11 C系列试件跨中荷载位移曲线 Fig.11 Load-displacement of midspan of C type specimens |
槽钢为单轴对称截面，所以槽钢摆放位置不同会对梁承载力产生一定的影响.当槽钢形心轴偏离混凝土梁截面形心轴时将对节点产生额外的扭转作用.图 12给出了D系列试件跨中竖向荷载位移曲线.由图 12和表 3可知，槽钢偏心对试件的极限承载力只降低了3.75%，但对试件的变形能力影响较大，极限变形降低了31.97%.主要原因在于，额外的扭转作用导致混凝土处于双向受力状态，混凝土提前退出工作，从而导致梁的极限变形减小.
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图 12 D系列试件跨中荷载位移曲线 Fig.12 Load-displacement of midspan of D type specimens |
图 13给出了试件A200-2的荷载纵筋应变关系曲线图，从图中可以看出，受拉纵筋应变(P6、P8和P10) 比受压纵筋应变(P5、P7和P9) 大，两者尚未达到屈服应变.图 14给出了试件A200-2的荷载梁右端部截面转角的关系曲线图，从曲线可以看出，梁端有较明显的转动，随着荷载的增大转角也逐渐增大.
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图 13 试件A2002的荷载纵筋应变关系曲线 Fig.13 Load-portrait steel-bar strain of specimen A2002 |
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图 14 试件A2002荷载端部转角关系曲线 Fig.14 Load-end rotation of specimen A2002 |
采用ABAQUS建立了数值分析模型，并和试验结果进行了对比.利用对称性，建立了1/2模型，模型中包含端板、螺栓、钢筋笼、预埋槽钢、混凝土梁和加载板等各个部分(图 15).预埋槽钢一端通过螺栓与端板相连，另外一端通过接触关系预埋置混凝土梁内.钢筋笼设置于混凝土梁中.加载板放置于混凝土梁端上表面，用于传递荷载.模型中钢筋笼采用三维桁架线性单元T3D2模拟，其他部件均采用减缩积分实体单元C3D8R模拟.有限元模型网格划分如图 15g所示.所有构件的力学性能指标均采用材性试验实测结果，其中钢材本构关系采用理想弹塑性模型，混凝土的本构关系根据《混凝土结构设计规范》[11]GB50010附录C.2的规定采用.
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图 15 有限元模型 Fig.15 The finite element model |
图 16给出了部分试件荷载挠度的数值分析结果和试验结果对比情况；图 17给出了试验破坏模式和数值分析破坏模式的对比情况.从图 16和图 17可以看出，数值分析结果和试验结果吻合良好，极限承载力误差在5%以内，破坏模式也较为一致.
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图 16 A2002荷载挠度曲线对比 Fig.16 Comparison of loaddeflection curves of A2002 |
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图 17 A1002破坏模式对比 Fig.17 Comparison of failure modes of A1002 |
本文研发了一种预制混凝土梁端预埋槽钢节点.完成了12根预制混凝土梁的承载力试验，根据试验结果得出如下结论：
(1) 试件的主要破坏模式有槽钢撬出破坏和梁端部混凝土压碎两种；预制混凝土梁试件在加载过程中的平面外变形几乎为零.
(2) 试件的极限承载力随着槽钢预埋深度的增加而增加，但增加幅度逐渐变小；当槽钢预埋深度为200 mm时，试件的极限变形最大.梁端部箍筋间距加密能明显提高梁承载力和变形能力，并充分发挥混凝土材料性能.梁跨中设置空腔对的承载力和变形能力影响较小，但可以减轻预制混凝土梁重量，对装配式建筑具有重大意义.槽钢偏心对梁产生额外的扭矩，略微降低节点的承载力和变形能力.
(3) 数值分析结果和试验结果吻合良好，表明了所建立的数值模型的有效性，为后续深入研究奠定了基础.
| [1] |
薛伟辰. 预制混凝土框架结构体系研究与应用进展[J]. 工业建筑, 2002, 32(11): 47 XUE Weichen. Progress of studies and applications of precast concrete frame structure systems[J]. Industrial Construction, 2002, 32(11): 47 DOI:10.3321/j.issn:1000-8993.2002.11.017 |
| [2] |
赵斌, 吕西林, 刘海峰. 预制高强混凝土结构后浇整体式梁柱组合件抗震性能试验研究[J]. 建筑结构学报, 2004(6): 22 ZHAO Bin, LV Xilin, LIU Haifeng. Experimental study on seismic behavior of precast concrete beam-column subassemblage with cast-in-situ monolithic joint[J]. Journal of Building Structures, 2004(6): 22 |
| [3] |
VANGEEM M. Achieving sustainability with precast concrete[J]. PCI Journal Prestressed Concrete Institute Journal, 2006, 51(1): 42 |
| [4] |
范力, 吕西林, 赵斌. 预制混凝土框架结构抗震性能研究综述[J]. 结构工程师, 2007, 23(4): 90 FAN Li, LV Xilin, ZHAO Bin. Summary of investigation on seismic behavior of precast concrete frame structures[J]. Structural Engineers, 2007, 23(4): 90 |
| [5] |
汪青杰, 张延年, 徐春一, 等. 钢管混凝土柱与型钢梁装配式节点抗震试验[J]. 沈阳工业大学学报, 2014, 36(3): 355 WANG Qingjie, ZHANG Yannian, XU Chunyi, et al. Seismic test for fabricated connection of concrete-filled steel tubular column and H-shaped steel beam[J]. Journal of Shenyang University of Technology, 2014, 36(3): 355 DOI:10.7688/j.issn.1000-1646.2014.03.20 |
| [6] |
李向民, 高润东, 许清风. 预制装配式混凝土框架高效延性节点试验研究[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2013, 44(8): 3453 LI Xiangmin, GAO Rundong, XU Qingfeng. Experimental study on high ductile joints for precast RC frame[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2013, 44(8): 3453 |
| [7] |
高杰, 田春雨, 郝玮, 等. 装配式梁柱叠合楼板中节点抗震性能试验研究[J]. 建筑结构学报, 2015(增2): 196 GAO Jie, TIAN Chunyu, HAO Wei, et al. Experimental study on seismic behavior of precast concrete layered slab and beam to column interior joints[J]. Journal of Building Structures, 2015(S2): 196 |
| [8] |
徐姝亚, 李正良, 刘红军. 装配式套筒连接CFST柱RC梁节点抗震性能[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2016, 48(6): 124 XU Shuya, LI Zhengliang, LIU Hongjun. Seismic behavior of precast sleeve-connected CFST column to RC beam connection[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2016, 48(6): 124 DOI:10.11918/j.issn.0367-6234.2016.06.020 |
| [9] |
张爱林, 赵亮, 刘学春, 等. 装配式方钢管柱桁架梁节点单调加载试验研究[J]. 土木工程学报, 2014(增2): 169 ZHANG Ailin, ZHAO Liang, LIU Xuechun, et al. Monotonic experimental study of prefabricated square tubular column to truss beam connections[J]. China Civil Engineering Journal, 2014(S2): 169 |
| [10] |
郭小农, 裴进玉, 李国强, 等. 预制混凝土梁端预埋槽钢节点承载性能数值研究[J]. 建筑钢结构进展, 2017, 19(1): 26 GUO Xiaonong, BUI Tienngoc, LI Guoqiang, et al. Numerical research on bearing perfomace of embedded channel joint of precast concrete beam[J]. Progress in Steel Building Structrues, 2017, 19(1): 26 |
| [11] |
中华人民共和国住房和城乡建设部. 混凝土结构设计规范: GB 50010—2010[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010. Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China. Code for design of concrete structures: GB 50010—2010[S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2010. |