周萬(wàn)清 門夢(mèng)飛 張明玉

(1. 三峽大學(xué) 湖北省防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峽大學(xué) 三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖北 宜昌 443002)

預(yù)制裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)梁間連接節(jié)點(diǎn)的位置研究

周萬(wàn)清1，2門夢(mèng)飛1，2張明玉1，2

(1. 三峽大學(xué) 湖北省防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峽大學(xué) 三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖北 宜昌 443002)

為了研究預(yù)制裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的設(shè)置位置問(wèn)題，運(yùn)用控制變量結(jié)合數(shù)值模擬的方法，用結(jié)構(gòu)分析有限元軟件SAP2000建立框架模型，研究分析梁的最小主應(yīng)力點(diǎn)的位置．結(jié)果表明：主、次梁截面尺寸、樓板厚度、樓面荷載的變化4因素對(duì)中間跨主梁段應(yīng)力極小值點(diǎn)位置(1/4處)影響極小，可以忽略；主梁跨度對(duì)應(yīng)力極小值點(diǎn)位置有較小影響，梁兩端極小值點(diǎn)距離最近端點(diǎn)的距離與梁長(zhǎng)的比值接近0.25，極差僅為2×10-6，一開(kāi)間次梁的根數(shù)對(duì)主梁應(yīng)力極小值點(diǎn)的影響較大，隨著次梁根數(shù)的增加，梁兩端極小值點(diǎn)距相鄰端點(diǎn)的距離與梁長(zhǎng)的比值在0.2～0.25．綜合分析認(rèn)為梁柱連接節(jié)點(diǎn)的最佳設(shè)置位置為梁端1/5～1/4處．

預(yù)制裝配式； 節(jié)點(diǎn)； 位置； 影響因素； 應(yīng)力極值

在預(yù)制裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)中，梁柱連接處是最重要的節(jié)點(diǎn)，它直接影響結(jié)構(gòu)的整體抗震性能．以往的抗震研究主要集中在后澆整體式和預(yù)應(yīng)力拼接等現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)和結(jié)構(gòu)研究，對(duì)裝配式節(jié)點(diǎn)和結(jié)構(gòu)的研究很少．各國(guó)預(yù)制混凝土相關(guān)抗震規(guī)范中的一些條文規(guī)定和設(shè)計(jì)參數(shù)取值缺乏試驗(yàn)和理論依據(jù)，因此，研究梁柱的連接節(jié)點(diǎn)有著重大的實(shí)際意義[1]．

過(guò)去對(duì)預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的研究中梁柱的連接節(jié)點(diǎn)一般設(shè)置在梁柱連接節(jié)點(diǎn)核心區(qū)位置，即在梁柱的端點(diǎn)位置．韓建強(qiáng)[2]指出了Ersoy將焊接節(jié)點(diǎn)設(shè)置在預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)梁跨中點(diǎn)的設(shè)計(jì)思路，日本社團(tuán)法人預(yù)制建筑協(xié)會(huì)編制的《R-PC的設(shè)計(jì)》[3]中指出預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)中梁的豎向接合部設(shè)置在梁端部．劉菲菲[4]基于此提出了新型裝配式節(jié)點(diǎn)連接形式-梁跨中處節(jié)點(diǎn)和1/3處連接節(jié)點(diǎn)；此新型節(jié)點(diǎn)的設(shè)置位置與傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)設(shè)置相比，充分考慮了“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的原則，在梁跨中和1/3處梁的主應(yīng)力相對(duì)于梁端處減小，減小了連接節(jié)點(diǎn)處的受力，提高了節(jié)點(diǎn)的安全性．

混凝土結(jié)構(gòu)中受力鋼筋的連接接頭設(shè)置在受力較小處[5]．本文運(yùn)用控制變量結(jié)合數(shù)值模擬的方法，用結(jié)構(gòu)分析有限元軟件SAP2000建立框架模型，研究分析梁的最小主應(yīng)力點(diǎn)的位置；通過(guò)分析主梁和次梁的截面尺寸、樓面荷載的大小、樓板的厚度、一開(kāi)間次梁的根數(shù)、主梁的跨度等6因素的影響，對(duì)PC框架結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)的設(shè)置位置做出理論分析確定梁柱連接節(jié)點(diǎn)的最佳設(shè)置位置(如圖1所示)．

圖1 PC框架結(jié)構(gòu)梁柱的連接節(jié)點(diǎn)示意圖

1 建立模型

本文運(yùn)用有限元軟件SAP2000建立框架模型，分析梁的最小主應(yīng)力點(diǎn)，來(lái)確定梁柱節(jié)點(diǎn)與中間跨梁柱的連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)置位置．

1)工程概況．模型采用5層預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系，地上建筑5層，無(wú)地下室，建筑高度18 m．研究模型擬按照抗震設(shè)防烈度為8度，地震分組為第二組，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.2g，場(chǎng)地類別為第Ⅱ類，混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比取0.05，場(chǎng)地特征周期為0.4 s．

2)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置．模型中混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C30，結(jié)構(gòu)受力鋼筋和箍筋均采用HRB400．

3)模型假定．首先，此模型的研究是基于對(duì)商場(chǎng)建筑的研究而建立的．其次，框架梁、柱和樓板的均采用自動(dòng)網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格最大尺寸不超過(guò)1.2 m．再次，次梁與主梁的連接處的彎矩釋放形式采用簡(jiǎn)支，主梁與柱子的連接形式均為連續(xù)，框架柱與基礎(chǔ)的連接形式采用剛接，最后，荷載采用考慮地震作用下的荷載效應(yīng)組合．

2 中間跨梁柱連接節(jié)點(diǎn)的位置確定

2.1 主梁截面尺寸的變化的影響分析

用SAP2000建立6個(gè)框架模型，運(yùn)用控制變量法，6個(gè)模型中次梁截面尺寸、柱截面尺寸、樓板的厚度，建筑的跨度、層高、樓面荷載、一開(kāi)間次梁的根數(shù)等條件保持不變，以主梁的尺寸大小為控制變量，具體的模型信息見(jiàn)表1．

表1 模型參數(shù)表

分析中間跨的梁BC的最小應(yīng)力點(diǎn)位置隨主梁的截面尺寸變化，為了使結(jié)果更可靠，取邊榀框架和中間榀框架進(jìn)行分析．在6個(gè)有限元模型中分別取1軸框架和3軸框架上BC跨梁主應(yīng)力圖，梁的最大主應(yīng)力圖為平滑的曲線(如圖2所示)，應(yīng)力值變化從梁左端點(diǎn)到右端點(diǎn)變化規(guī)律為：先增大先遞減，再遞增，然后再遞減、再遞增，易得到梁端的兩個(gè)極值點(diǎn)的位置和極值的大?。?/p>

圖2 梁的應(yīng)力圖

1軸框架上BC跨右端與3軸框架上BC跨的應(yīng)力極小值點(diǎn)的位置如圖3所示，應(yīng)力極小值大小的變化趨勢(shì)和圖3規(guī)律相似．分析認(rèn)為當(dāng)其余設(shè)計(jì)參數(shù)不發(fā)生變化時(shí)，主梁截面尺寸增加時(shí)：1)主梁的應(yīng)力極小值點(diǎn)位置距主梁最近端點(diǎn)的距離基本保持在0.25左右，即中間跨框架梁的主梁截面尺寸的變化對(duì)主梁的應(yīng)力極小值點(diǎn)的位置影響極小，可以忽略．2)中間跨主梁的應(yīng)力極小值點(diǎn)大小均隨著梁的截面尺寸的增加而減?。?/p>

圖3 1軸框架上BC跨各層梁左端 應(yīng)力極小值點(diǎn)的位置和大小

2.2 樓板厚度變化對(duì)應(yīng)力極小值點(diǎn)位置的影響分析

用SAP2000建立6個(gè)框架模型，模型數(shù)據(jù)見(jiàn)表1．以樓板的厚度為控制變量，取樓板厚度分別為100、120、150、200、250 mm．

圖4 1軸框架上BC跨各層梁左端 應(yīng)力極小值點(diǎn)的位置和大小

1軸框架上BC跨右端與3軸框架上BC跨的應(yīng)力極小值點(diǎn)的位置如圖4所示，應(yīng)力極小值大小的變化趨勢(shì)和圖4規(guī)律相似．1)主梁的應(yīng)力極小值點(diǎn)位置距主梁最近端點(diǎn)的距離基本保持在0.25左右，即中間跨框架梁的主梁截面尺寸的變化對(duì)主梁的應(yīng)力極小值點(diǎn)的位置基本沒(méi)有影響．2)中間跨主梁的應(yīng)力極小值點(diǎn)大小均隨著樓板厚度的增加而增大．

2.3 次梁截面尺寸的變化對(duì)結(jié)果的影響分析

用SAP2000建立5個(gè)框架模型，框架結(jié)構(gòu)的跨度(主梁的跨度)取為7.2 m，以次梁為的截面尺寸為控制變量，在次梁的截面尺寸(單位：mm×mm)分別以200×400、200×450、200×500、200×550、200×600逐漸增長(zhǎng)、其他變量同表1，得到圖5所示結(jié)果，從而得出以下結(jié)論：1)主梁的應(yīng)力極小值點(diǎn)位置距主梁最近端點(diǎn)的距離基本保持在0.25左右，即中間跨框架梁的主梁截面尺寸的變化對(duì)主梁的應(yīng)力極小值點(diǎn)的位置影響很小．2)除了200 mm×400 mm的次梁外，其余條件下主梁的應(yīng)力極小值大小基本恒定．

圖5 1軸框架上BC跨各層梁左端 應(yīng)力極小值點(diǎn)的位置和大小

2.4 樓面荷載的變化對(duì)結(jié)果的影響分析

用SAP2000建立兩組框架模型，模型中主次梁截面尺寸、柱子截面尺寸、樓板的厚度、層高、一開(kāi)間次梁的根數(shù)等條件保持不變，同表1．模型的跨度取為7.2 m，分別以樓面恒荷載大小和活荷載大小為控制變量，第1組模型樓面活荷載取3.5 kN/m2，恒荷載分別取0.5、2.5、4.5、6.5、8.5、10.5 kN/m2，第2組模型樓面恒荷載取2.5 kN/m2，活荷載分別取0.5、1.5、2.5、3.5、4.5、5.5 kN/m2．得到的以恒荷載為控制變量時(shí)應(yīng)力極小值點(diǎn)位置和應(yīng)力值如圖6所示．

圖6 1軸框架上BC跨各層梁左端 應(yīng)力極小值點(diǎn)的位置和大小

1軸框架上BC跨右端與3軸框架上BC跨的應(yīng)力極小值點(diǎn)的位置如圖6所示，應(yīng)力極小值大小的變化趨勢(shì)和圖6規(guī)律相似．分析認(rèn)為當(dāng)其余設(shè)計(jì)參數(shù)不發(fā)生變化時(shí)，恒荷載和活荷載分別逐漸增加的條件下，得出以下結(jié)論：1)主梁的應(yīng)力極小值點(diǎn)距主梁最近端點(diǎn)的距離基本保持在0.25，即模型中樓面恒荷載的變化對(duì)主梁的應(yīng)力極小值點(diǎn)的位置影響極小．2)中間跨主梁的應(yīng)力極小值點(diǎn)大小均隨著梁樓面恒荷載的增加而增大．

2.5 主梁的跨度變化對(duì)結(jié)果的影響分析

用SAP2000建立6個(gè)橫跨和縱跨均為四跨的5層框架模型，樓板的恒荷載取2.5 kN/m2，活荷載取3.5 kN/m2．以主梁的跨度的變化為控制變量，主梁的跨度分別取4、5、6、7、8、9 m．

圖7 軸框架上BC跨各層梁左端應(yīng)力 極小值點(diǎn)的位置和大小

除了樓板厚度、主梁截面尺寸、次梁截面尺寸等幾個(gè)無(wú)關(guān)變量外，在其余設(shè)計(jì)參數(shù)不發(fā)生變化時(shí)，主梁的跨度從4 m增加到9 m，得到以下結(jié)論：梁的應(yīng)力極小值點(diǎn)隨主梁跨度的變化，應(yīng)力極小值點(diǎn)距梁最近端點(diǎn)的距離有所變化，梁兩端極小值點(diǎn)距離最近端點(diǎn)的距離和梁長(zhǎng)的比值為0.249．主梁的跨度大小對(duì)主梁的應(yīng)力極小值點(diǎn)的位置有一定的影響，但影響較小，梁兩端極小值點(diǎn)距離最近端點(diǎn)的距離和梁長(zhǎng)的比值接近0.25．

2.6 一開(kāi)間次梁根數(shù)的變化對(duì)結(jié)果的影響分析

用SAP2000建立7個(gè)橫跨和縱跨均為四跨的5層框架模型，橫跨和縱跨的跨度均為8.4 m，層高3.6 m，主梁的截面尺寸為300 mm×700 mm，次梁的截面尺寸200 mm×500 mm，柱子的截面尺寸為600 mm×600 mm，樓板的恒荷載取2.5 kN/m2，活荷載取3.5 kN/m2．次梁的根數(shù)從0增加到4根時(shí)，樓板厚度分別取250、120、100、100、100 mm，在上一小節(jié)中得到結(jié)論樓板的厚度對(duì)主梁的極小應(yīng)力點(diǎn)沒(méi)有影響，屬無(wú)關(guān)變量．

1軸框架上BC跨右端和3軸框架上BC跨的應(yīng)力極小值點(diǎn)的位置和圖8所示相似，應(yīng)力極小值大小的變化趨勢(shì)也和上圖相同．綜上所示，除樓板厚度這個(gè)無(wú)關(guān)變量外，在其余設(shè)計(jì)參數(shù)不發(fā)生變化時(shí)，次梁根數(shù)從0增加到4時(shí)，得到以下結(jié)論：架梁兩端的應(yīng)

力極小值點(diǎn)距最近梁最近端點(diǎn)的距離與梁長(zhǎng)的比值隨著次梁根數(shù)的增加，其值在0.2到0.25之間變化．

圖8 軸框架上BC跨各層梁左端 應(yīng)力極小值點(diǎn)的位置和大小

3 結(jié)果分析

通過(guò)上述建模分析比較，得出以下結(jié)論：1)主、次梁截面尺寸、樓板厚度、樓面荷載的變化對(duì)中間跨主梁上應(yīng)力極小值點(diǎn)位置影響極小，可以忽略，梁兩端極小值點(diǎn)距離最近端點(diǎn)的距離和梁長(zhǎng)的比值基本恒定在0.25．2)主梁跨度對(duì)應(yīng)力極小值點(diǎn)位置有較小影響，梁兩端極小值點(diǎn)距離最近端點(diǎn)的距離與梁長(zhǎng)的比值差僅為2×10-6，梁兩端極小值點(diǎn)距相鄰端點(diǎn)的距離與梁長(zhǎng)的比值近似為0.25．3)一開(kāi)間次梁的根數(shù)對(duì)主梁應(yīng)力極小值點(diǎn)的影響較大，隨次梁根數(shù)的增加，梁兩端極小值點(diǎn)距相鄰端點(diǎn)的距離與梁長(zhǎng)的比值在0.2～0.25．4)預(yù)制裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)梁柱連接節(jié)點(diǎn)的最佳設(shè)置位置為梁端1/5～1/4處．

[1] 范 力．裝配式預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能研究[D]．上海：同濟(jì)大學(xué)，2007．

[2] 韓建強(qiáng)，李振寶，宋曉勝．裝配混凝土框架結(jié)構(gòu)新型連接形式-預(yù)應(yīng)力裝配框架結(jié)構(gòu)的研究[J]．工業(yè)建筑，2009(11)：100-103．

[3] R-PC的設(shè)計(jì)[S]．社團(tuán)法人預(yù)制建筑協(xié)會(huì)．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012．

[4] 劉菲菲，張紀(jì)剛，于德湖，等．預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)新型梁連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與分析[J]．施工技術(shù)，2015(15)：44-47．

[5] GB50010-2010．凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011．

[責(zé)任編輯 周文凱]

Research on Positions of Beam and Column Joints of Precast Concrete Structures

Zhou Wanqing1，2Men Mengfei1,2Zhang Mingyu1,2

(1. Key Laboratory of Disaster Prevention & Mitigation of Hubei Province, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China; 2. Collaborative Innovation Center for Geo-hazards and Eco-environment in Three Gorges Area of Hubei Province & Architecture, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

In order to research the optimum positions of the joints in the precast concrete frame structure, the control variable method is used considering the main beam and secondary beam section sizes, floor load size, floor thickness, number of secondary beams, span of main beam and other factors; 6 groups of finite element framework models are built by SAP2000. Through analysing the positions of minimum stress of main beams, the positions of joints the beam and the column are determined. The results show that： the size of the main and secondary beams, the slab thickness, the changes of the surface load has little influence on the minimum stress point of the middle span girder; so it can be ignored; the main beam span has a certain impact on position of minimum stress; the minimum difference ratio of the closest endpoint distance and the beam length is only 2×10-6. The number of the secondary beam in a room inside has a great impact on the influence. with the increase of the secondary beam number, the ratio of the closest endpoint distance and the beam length ranged from 0.20 to 0.25. Finally, the precast concrete frame structure joints of beam and column sets in the distance about 1/5 to 1/4 points.

precast; joint; position; influence factors; stress extreme value

2017-01-08

國(guó)家自然科學(xué)基金(51608303，41102187)

周萬(wàn)清(1978-)，男，副教授，博士，全國(guó)一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師，主要從事土木工程的教學(xué)和科研．E-mail：zhouwq1978@163.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.03.008

TU375

A

1672-948X(2017)03-0036-04