新型装配式框架干式连接节点核心区暗牛腿剪切性能分析

张力滨 周子涵

(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

混凝土就其施工建造方式可以分为现浇式以及装配式。然而装配式混凝土结构能够改变目前混凝土适用于建筑上的一些弊端问题[1]。装配式混凝土框架结构具有环保、施工效率高等优势，这也是目前为止混凝土建筑技术中的一大亮点所在。

近年来由于装配式建筑的广泛建造，对装配式框架梁柱节点的研究也越来越多，其中牛腿式梁柱连接的研究主要都是针对框架柱和柱牛腿的力学性能、抗震性能及变形等方面，对于节点连接处的缺口梁研究的内容较少[2]。本课题的目的是研究装配式框架节点干式连接中柱牛腿及缺口梁的极限承载力及刚度之间的关系，并给出设计建议，完善装配式框架节点干式牛腿连接梁柱的理论体系和设计方法。利用ABAQUS[3]结合现有的钢筋混凝土的本构模型，变换具体参数(柱牛腿钢筋数量和缺口梁的纵筋数量)对梁柱节点进行有限元分析；得到理论上钢筋数量及企口连接具体数值对框架梁柱节点性能的影响，并与实验所得结论进行对比分析。

1 传统预制装配式框架干式连接节点形式

预制装配式框架干式连接节点形式主要有以下几种：牛腿连接，钢吊架式连接，焊接连接，螺栓连接等。

其中牛腿连接中的明牛腿连接具有承载力较大，节点刚性较好，受力可靠等优点，因此在众多的装配式钢筋混凝土多层厂房中使用颇多[4];暗牛腿连接相较于明牛腿而言，暗牛腿能够为建筑的连接处创造较好的外形构造，但其无法使用在静力和动力性能的建筑设计上。如果一支梁的一半高度能够承受剪力的话，则另一半梁就能够作为柱的牛腿，而要使牛腿不凸出梁边，梁端和牛腿的配筋则比较复杂[5]。而钢吊架式连接的柱子模板制作简单，在北美洲国家使用较为广泛[6]。这一方法有一个较为极致的缺点就是构造复杂、对施工的质量要求很高，对安装的精度也要求很高，这种连接方式的承载力度不足，因此不适合承受高强度的荷载[7]。焊接连接的施工方法避免了现场现浇混凝土，节省混凝土养护时间，从而达到缩短工期的效果[8]。螺栓连接方法有一个非常致命的缺点：预制时必须进行高精度的作业，在螺栓连接中连接构造普遍复杂、连接构件相对较多。

2 新型预制装配式框架干式连接节点的提出

2.1 新型装配式框架干式连接节点的连接装置

本课题的目的是研究装配式框架节点干式连接中柱牛腿及缺口梁的长度与斜度同缺口梁的极限承载力及刚度之间的关系，并给出设计建议，完善装配式框架节点干式牛腿连接梁柱的理论体系和设计方法，利用ABAQUS对现有的钢筋混凝土的本构模型，变换具体参数(柱牛腿钢筋数量和缺口梁的纵筋数量)对梁柱节点进行有限元分析,连接装置如图1所示。

2.2 新型装配式框架干式连接节点的主要连接型式

整理思路可以发现：运用钢筋混凝土暗牛腿连接方式，之后采取预埋件进行焊接构造是比较理想的节点型式[9]，如图2所示。

在分析完干式节点的主要连接型式后还应该考虑预制构件连接的塑性铰设置。一般情况下将塑性铰设置在离开柱边一定距离的梁柱内，这样做的目的是为了防止节点核心区的混凝土因为地震而受到影响[10]。

3 新型预制装配式框架干式连接节点中暗牛腿的应用研究分析

3.1 钢筋混凝土暗牛腿的受力分析

如图3所示剪力V是由缺口梁与钢筋混凝土暗牛腿之间进行传递，由剪力V产生的弯矩M对上下钢板传递，上部钢板传递的力Fh1由柱中的预埋件传递到柱中。与企口连接节点相同，对节点的受力进行简化，忽略灌缝传递的竖向剪力和承压面上的水平剪力。

3.2 新型预制装配式混凝土框架连接节点中钢筋混凝土暗牛腿的有限元分析

根据模型以及工程的实际应用情况，暗牛腿模型的尺寸如图4所示，混凝土暗牛腿有限元模型如表1所示。

表1 混凝土暗牛腿有限元模型

混凝土等级C20C30上部受力钢筋直径/mm18201820模型编号一二三四

钢筋单元划分见图5，混凝土及承压钢板单元划分见图6。

根据上述的分析，图7为所得出的混凝土应力分部情况，而图8则是在极限荷载下混凝土裂缝的分布情况。

通过分析我们发现钢筋混凝土暗牛腿与梁柱相交的地方有着非常明显的应力集中现象，我们所设计的模型均是因为梁柱铰接面上钢筋混凝土暗牛腿下部混凝土压碎而破坏的。而模型中暗牛腿上部的水平受力钢筋并没有因此而屈服，在极限荷载情况下，暗牛腿的变形现象也不是很明显。

3.3 有限元分析与理论分析结果对比

经过计算结果的分析发现，在本尺寸下的暗牛腿没有发生下截面的破坏，也没有发生暗牛腿上部受拉钢筋的屈服，而是发生了斜压杆在节点的混凝土压碎。在实际工程中由于各种因素的影响钢筋混凝土暗牛腿仍可能发生混凝土压杆破坏和梁柱交界面的剪切破坏和上部受拉钢筋的屈服破坏。将公式计算结果与有限元分析求得的极限承载力进行对比，如表2所示。

表2 暗牛腿承载力理论计算值与有限元分析结果对比 kN

根据表2得出的结果分析，计算得出的结果是极限承载力基本保持一致，经过计算发现由暗牛腿上部的受力钢筋决定的承载力与有限元结果有点出入，说明有限元模型中暗牛腿半高处的构造钢筋不仅对混凝土具有一定的约束作用，并且对暗牛腿的承载能力有直接的影响。可见，若取计算时的较小值进行设计，钢筋混凝土暗牛腿具有一定的安全储备。

4 结论与展望

本文采用理论和有限元ABAQUS软件分析，对新型装配式干式连接节点核心区暗牛腿剪切性能进行分析，通过模型实验对比得出了以下几个结论：

1)在预制装配式混凝土框架中，不同的连接方式有着各自的优缺点，实验采用不同的构造方式实现干式连接弥补这些缺陷；

2)笔者利用有限元ABAQUS软件对新型连接构造进行分析，结果显示利用合理构造干式企口连接节点、钢筋混凝土暗牛腿缺口梁干式节点能够满足承载力且性能优异。

[1] 颜 军,罗海艳,郎 龑.装配式框架结构节点研究现状与展望[J].混凝土与水泥制品,2016(1):75-79,84.

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