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(xué)科技學(xué)院，湖北 宜昌 443000）

1 概述

在一些復(fù)雜的工業(yè)建筑及裝配式建筑結(jié)構(gòu)中，預(yù)埋件的用鋼量往往比較大，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮預(yù)埋件的構(gòu)造設(shè)計(jì)。一般情況下，預(yù)埋件對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件的外觀尺寸影響較小，它是利用預(yù)先埋入混凝土結(jié)構(gòu)中的預(yù)制鐵件，通過(guò)后期的焊接或螺栓連接達(dá)到構(gòu)件間互相連接的目的。通常，預(yù)埋件是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間主要的傳力部件，因此，對(duì)預(yù)埋件構(gòu)造設(shè)計(jì)和驗(yàn)算等的研究意義重大。

2 新型干式節(jié)點(diǎn)預(yù)埋件構(gòu)造設(shè)計(jì)

新型干式節(jié)點(diǎn)預(yù)埋件的構(gòu)造設(shè)計(jì)也是基于錨筋式埋件節(jié)點(diǎn)，對(duì)于錨筋式埋件節(jié)點(diǎn),國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了大量研究，如王寶珍等針對(duì)不同類(lèi)型預(yù)埋件進(jìn)行試驗(yàn),在鋼筋混凝土的“剪力- 摩擦”理論的基礎(chǔ)上,提出了預(yù)埋件在不同受力狀態(tài)下的錨筋計(jì)算式[1]。預(yù)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(tài)下的受力性能,提出了拉剪預(yù)埋件的計(jì)算式[2]。殷芝霖等對(duì)錨筋式埋件的破壞機(jī)理、計(jì)算方法、構(gòu)造要求和有關(guān)影響承載力的主要因素進(jìn)行了分析論述, 并提出了純拉狀態(tài)下錨筋式埋件的抗拉承載力計(jì)算式[3]。此外,王秀娟等在分析計(jì)算錨板厚度的基礎(chǔ)上, 認(rèn)為在軸心受拉和受彎構(gòu)件的錨板厚度計(jì)算中,錨板厚度取1.3 倍的錨筋直徑可滿足要求[4]。朱耀國(guó)等建立了有限元模型對(duì)預(yù)埋件的受力性能進(jìn)行數(shù)值計(jì)算[5]。

論文中采用的預(yù)埋件主要是由鋼板和預(yù)埋錨筋（構(gòu)件的縱筋兼做錨筋）組成的錨筋式預(yù)埋件，可參考文獻(xiàn)[6]中相應(yīng)的預(yù)埋件類(lèi)型進(jìn)行構(gòu)造設(shè)計(jì)和計(jì)算。新型干式節(jié)點(diǎn)預(yù)埋件（方鋼管法蘭盤(pán)）的構(gòu)造設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 方鋼管法蘭盤(pán)連接節(jié)點(diǎn)

另外，由于拼接節(jié)點(diǎn)一般設(shè)置在構(gòu)件反彎點(diǎn)附近，受力分析時(shí)是否考慮地震作用將直接影響拼接節(jié)點(diǎn)受力情況。故在此分兩種情況進(jìn)行預(yù)埋件的設(shè)計(jì)。

3 靜載作用下預(yù)埋件的設(shè)計(jì)

在方鋼管法蘭盤(pán)連接中，方鋼管法蘭盤(pán)與預(yù)制混凝土構(gòu)件通過(guò)預(yù)埋錨筋（混凝土構(gòu)件縱筋可以兼做錨筋）進(jìn)行錨固，靜載作用時(shí)，預(yù)埋件只受到軸力和剪力的作用。下面利用摩擦抗剪設(shè)計(jì)方法對(duì)預(yù)埋錨筋的設(shè)置進(jìn)行討論。

在預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中，特別是在連接處，直接受剪可能會(huì)使構(gòu)件發(fā)生剪切破壞。此時(shí)，如果剪應(yīng)力較大的剪切面不能提供足夠的抗剪承載能力，可能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重后果。

方鋼管法蘭盤(pán)所需的預(yù)埋錨筋可通過(guò)摩擦抗剪設(shè)計(jì)方法來(lái)確定。假設(shè)在方鋼管法蘭盤(pán)連接中，預(yù)制柱的榫齒沿截面1-1 開(kāi)裂，且有預(yù)埋鋼筋、預(yù)制柱縱筋穿過(guò)此截面。剪力V 平行于開(kāi)裂面，使得榫齒相對(duì)于預(yù)制柱有沿著開(kāi)裂截面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)的趨勢(shì)，此時(shí)剪力V 主要由開(kāi)裂面處的摩擦力來(lái)抵抗，并且預(yù)埋鋼筋和縱筋由于相對(duì)滑動(dòng)而受拉。受力示意圖，如圖2 所示。

圖2 混凝土開(kāi)裂處受力分析圖

當(dāng)預(yù)埋錨筋的屈服強(qiáng)度相同時(shí)，壓力最大值將出現(xiàn)在截面的兩邊，其值為：

其中

式中：Nmax——壓力最大值；

N——預(yù)制拼接柱所受軸力；

T——截面內(nèi)預(yù)埋鋼筋與預(yù)制柱縱筋所受拉力值；

N1——榫齒所受的軸為；

N2——方鋼管法蘭盤(pán)所受的軸力；

Ag——方鋼管法蘭盤(pán)的承壓面積；

Ae——榫齒截面面積；

A——預(yù)制拼接柱截面面積；

Am——預(yù)埋錨筋總的截面面積；

As——預(yù)制柱縱向受力鋼筋總的截面面積；

fmv——預(yù)埋鋼筋的屈服強(qiáng)度。

開(kāi)裂面處的摩擦力可由軸向壓力乘以有效摩擦系數(shù)μe來(lái)確定，其取值可參考ACI 規(guī)范[7]按下式計(jì)算：

式中：λ ——系數(shù)，對(duì)普通混凝土取 λ=1.0；

μ——摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù) μ的選取，可參考ACI規(guī)范，對(duì)整體澆筑的普通混凝土取1.4，接觸面不作任何處理時(shí)取0.6。

根據(jù)ACI 規(guī)范的有關(guān)規(guī)定，在實(shí)際設(shè)計(jì)和驗(yàn)算時(shí)，還應(yīng)對(duì)混凝土開(kāi)裂面處的摩擦力乘以折減系數(shù)φ，對(duì)于抗剪計(jì)算時(shí)，φ 取0.85。當(dāng)榫齒兩端鋼筋屈服強(qiáng)度相同時(shí)，隔離體為研究對(duì)象，由力的平衡得：

μ1取0.6，μ2取1.4；

b1——預(yù)制柱截面受剪寬度；

b2——榫齒核心區(qū)混凝土受剪寬度。

將式（2）和（3）代入式（5）得：

從而得到預(yù)埋錨筋的驗(yàn)算公式：

綜上可知，在方鋼管法蘭盤(pán)連接中，進(jìn)行預(yù)制柱的榫齒截面設(shè)計(jì)后，還應(yīng)根據(jù)式（7）對(duì)方鋼管法蘭盤(pán)上的預(yù)埋錨筋進(jìn)行驗(yàn)算。

4 地震作用下預(yù)埋件的設(shè)計(jì)

在地震作用下，預(yù)埋件將受到軸力、剪力和彎矩的共同作用，預(yù)埋件的構(gòu)造設(shè)計(jì)，如圖3 所示。應(yīng)根據(jù)文獻(xiàn)[6]中的方法設(shè)計(jì)預(yù)埋件。

圖3 方鋼管法蘭盤(pán)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(yù)埋錨筋截面面積應(yīng)分別按公式（8）和（9）計(jì)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(yù)埋錨筋截面面積應(yīng)分別按公式（10）和（11）計(jì)算，并取二者較大值：

V——剪力設(shè)計(jì)值；

N——法向拉力或壓力設(shè)計(jì)值，法向壓力設(shè)計(jì)值不應(yīng)大于0.5fcA，此處A'為法蘭板的面積；

M——彎矩設(shè)計(jì)值。當(dāng)M小于0.4NZ 時(shí)，取M等于0.4NZ；

T——法蘭板厚度；

αb——法蘭板彎曲變形折減系數(shù)；

αr——鋼筋層數(shù)影響系數(shù)，當(dāng)錨

筋等間距配置時(shí)，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(pán)的變形驗(yàn)算

由于螺栓分布較密，每個(gè)螺栓都有一定的強(qiáng)度富余，螺栓的變形小于法蘭板，因此螺栓對(duì)法蘭板起到一定的限制作用。考慮螺栓的限制作用后，螺栓受拉和受彎將分別引起相對(duì)于中徑的轉(zhuǎn)角變形，其受力變形示意圖，如圖4 所示。

圖4 高強(qiáng)螺栓受彎及法蘭板變形情況

由螺栓受拉及受彎所產(chǎn)生的相對(duì)于中徑轉(zhuǎn)角分別為：

式中：L——螺栓的長(zhǎng)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(shè)法蘭板邊界是連續(xù)化的，法蘭盤(pán)的外邊界轉(zhuǎn)角變?yōu)椋?/p>

式中：β ——考慮螺栓間的空隙后法蘭板連續(xù)外邊界轉(zhuǎn)角增大系數(shù)，一般取1.5。則法蘭板的變形驗(yàn)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(pán)截面寬度；

[v]——法蘭板燒度容許值。

6 結(jié)論

6.1 對(duì)全預(yù)制裝配式新型干式連接節(jié)點(diǎn)預(yù)埋件（方鋼管法蘭盤(pán)）進(jìn)行整體受力分析和構(gòu)造設(shè)計(jì)，應(yīng)用摩擦抗剪理論推導(dǎo)出了預(yù)埋件在不考慮地震作用和考慮地震作用兩種情況下的設(shè)計(jì)驗(yàn)算公式。

6.2 依據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，給出了法蘭盤(pán)的強(qiáng)度驗(yàn)算公式和法蘭盤(pán)的變形驗(yàn)算公式。