姚 健

(中國(guó)鐵建房地產(chǎn)集團(tuán)有限公司 北京 100039)

1 引言

裝配式綠色建筑其實(shí)用性越來越大，并廣泛應(yīng)用于城市建筑中。由于裝配式綠色建筑的建設(shè)周期短、能耗開銷小，從而被廣泛應(yīng)用在新農(nóng)村建設(shè)、廠房建設(shè)等領(lǐng)域[1]。在裝配式綠色建筑設(shè)計(jì)中，裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)固定方法是技術(shù)難點(diǎn)，通過裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化固定設(shè)計(jì)，提高建筑結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性和應(yīng)力可靠性，研究裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)固定方法，在優(yōu)化裝配式綠色建筑梁柱單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中具有重要意義，相關(guān)的裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)固定方法研究受到諸多學(xué)者極大關(guān)注。

對(duì)裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)固定設(shè)計(jì)是建立在對(duì)裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)力學(xué)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)值模擬和力學(xué)分析，實(shí)現(xiàn)裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)固定優(yōu)化[2]。當(dāng)前，對(duì)裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)固定方法主要采用錨節(jié)點(diǎn)固定方法、基坑固定方法以及對(duì)拉鋼筋固定方法等，采用雙鋼板混凝土組合墻設(shè)計(jì)的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性控制[3]。文獻(xiàn)[4]提出一種采用承載力、剛度、裂縫形態(tài)控制的裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)固定方法，根據(jù)節(jié)點(diǎn)錨固性能分析和參數(shù)解析，實(shí)現(xiàn)裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)固定，但該方法進(jìn)行裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)固定的搭接強(qiáng)度不高。文獻(xiàn)[5]提出基于非接觸式的若干錨固鋼筋穩(wěn)定性固定方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)固定，在細(xì)節(jié)構(gòu)造、傳力機(jī)制上，提高了裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)固定的輸出可靠性和穩(wěn)定性，通過栓釘實(shí)現(xiàn)錨固，但該方法缺乏相應(yīng)的理論和試驗(yàn)支撐。

針對(duì)上述問題，本文提出基于節(jié)點(diǎn)受剪性能整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)固定方法。首先在裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)中，采用框架中節(jié)點(diǎn)的混凝土應(yīng)力分析方法，選擇埋件式錨固方法，結(jié)合預(yù)應(yīng)力度分析和屈服響應(yīng)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)的等強(qiáng)連接；然后采用靜力單調(diào)拉伸試驗(yàn)方法，增大鋼筋與鋼板間的不平衡力矩，提高梁柱節(jié)點(diǎn)固定的穩(wěn)定性和可靠性，采用節(jié)點(diǎn)受剪性能整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，降低搭接鋼筋與鋼板距離；最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，展示本文方法在提高裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)錨固能力方面的優(yōu)越性能。

2 連接形式和材料本構(gòu)關(guān)系

2.1 裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)連接形式

結(jié)合對(duì)裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力參數(shù)分析方法，建立裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)的混凝土基礎(chǔ)與雙鋼板組合墻節(jié)點(diǎn)連接模型[6]。裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)的基坑環(huán)境分布如圖1所示。

圖1 裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)的基坑環(huán)境分布(單位:m)

采用鋼筋混凝土筏板作為基礎(chǔ)，結(jié)合嵌入式錨固和埋件式錨固的方法，建立裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)的錨固連接模塊，根據(jù)三種錨固形式，采用雙鋼板混凝土組合墻配置方法，利用裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)兩側(cè)的栓釘實(shí)現(xiàn)錨固[7－8]?？紤]到筏板基礎(chǔ)，在裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)的嵌入鋼板上穿孔，對(duì)鋼筋搭接試件的裂縫采用錨桿固定的方法進(jìn)行梁柱節(jié)點(diǎn)固定，采用埋件式錨固方法，在混凝土中帶肋鋼筋進(jìn)行搭接連接，通過對(duì)拉鋼筋及鋼板應(yīng)變檢測(cè)和力學(xué)參數(shù)分析，確定裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)的墻－鋼筋混凝土基礎(chǔ)參數(shù)，進(jìn)行裝配式綠色建筑梁柱單元的抗震設(shè)計(jì)，設(shè)置拉鋼筋配置[9]。裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)連接結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)連接結(jié)構(gòu)形式(單位:m)

2.2 裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)材料本構(gòu)關(guān)系

建筑梁柱節(jié)點(diǎn)材料在加固改造工程中具有廣泛的應(yīng)用。裝配式綠色建筑物裝飾裝修中，節(jié)點(diǎn)材料主要用于板材粘接、墻面預(yù)處理、貼墻、陶瓷墻地磚、各種地板及地毯的鋪設(shè)粘接，通過其能夠提高防水、密封、彈性和抗沖擊性能。這些性能不僅能提高裝配式綠色建筑裝飾質(zhì)量，增加美觀與舒適度，還能改善施工工藝，提高施工效率與質(zhì)量。在裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)中，采用框架中節(jié)點(diǎn)的混凝土應(yīng)力分析方法，計(jì)算裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)的承載力和預(yù)應(yīng)力[10]，構(gòu)建裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)材料本構(gòu)關(guān)系模型，采用埋件式錨固方法，結(jié)合預(yù)應(yīng)力度分析和屈服響應(yīng)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)的等強(qiáng)連接[11]，抗彎應(yīng)力模型為:

式中:Vt1為拉鋼筋配置相對(duì)于節(jié)點(diǎn)性能內(nèi)力；Vu1為鋼筋標(biāo)準(zhǔn)錨固長(zhǎng)度；ΔVt為搭接鋼筋與鋼板的間距。采用靜力加載試驗(yàn)方法，分析搭接鋼筋直徑的修正因子為:

式中:dei為試件截面及鋼板上的滯回系數(shù)；dpti為較大局部變形的屈曲關(guān)系，混凝土澆筑時(shí)兩側(cè)模板參數(shù)。錨固鋼筋應(yīng)力參數(shù)為:

式中:λ為受壓和受拉損傷指標(biāo)；t為體積配箍率。考慮加載裝置尺寸和加載能力，得到裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)受拉損傷指標(biāo)系數(shù)滿足[12]u:I×IRd→IR，混凝土彈性模量為:

式中:τ≥0。分析混凝土受壓和受拉損傷指標(biāo)系數(shù)，鋼管內(nèi)混凝土的受拉損傷指標(biāo):

式中:P(Y｜λi)為雙軸抗壓屈服強(qiáng)度；P(Y｜λj)為單軸受拉時(shí)應(yīng)力；P(Y｜λT)為初始彈性模量。由此建立裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)材料本構(gòu)關(guān)系模型，在單軸受力情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)本構(gòu)關(guān)系分析。

3 裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)固定優(yōu)化

3.1 節(jié)點(diǎn)受剪性能整體結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

在構(gòu)建了裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)材料本構(gòu)關(guān)系模型的基礎(chǔ)上，采用搭接鋼筋布置方式，進(jìn)行裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)的搭接傳力分析，通過分析裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)的承載力、剛度等參數(shù)信息，建立裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力參數(shù)分析模型，在鋼板底部焊接的鋼板之間，實(shí)現(xiàn)對(duì)柱與基礎(chǔ)錨固區(qū)域的應(yīng)力參數(shù)解算，構(gòu)建抗剪承載力計(jì)算模型，采用埋件式錨固方法，結(jié)合預(yù)應(yīng)力度分析和屈服響應(yīng)分析，得到裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)的縱向強(qiáng)度，建立梁節(jié)點(diǎn)的有限元模型，得到混凝土受壓應(yīng)力為:

式中:n為施加預(yù)應(yīng)力；φi為混凝土受壓序列值；b、t、a均為混凝土受壓系數(shù)；v為受壓時(shí)速度。結(jié)合組合框架節(jié)點(diǎn)有限元分析，得到壓應(yīng)力和壓應(yīng)變的關(guān)系如圖3所示。

圖3 壓應(yīng)力和壓應(yīng)變關(guān)系

根據(jù)圖3所示的壓應(yīng)力和壓應(yīng)變的關(guān)系，采用有限元模擬的方法，進(jìn)行鋼板與鋼筋間搭接傳力測(cè)試。在組合框架節(jié)點(diǎn)有限元分析模型中，根據(jù)受壓應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系分布，采用錨固方法，將拉鋼筋兩端均焊接在鋼板上，分析不同位置對(duì)拉鋼筋的受力情況，得出受力為:

式中:aii為應(yīng)力－應(yīng)變聯(lián)合分布特征；bi為流動(dòng)勢(shì)偏量值；為混凝土膨脹角；為單軸受壓相應(yīng)的應(yīng)變。根據(jù)節(jié)點(diǎn)受剪性能整體結(jié)構(gòu)參數(shù)分析法，計(jì)算鋼筋標(biāo)準(zhǔn)錨固長(zhǎng)度，分析錨固長(zhǎng)度對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的影響。

3.2 裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)應(yīng)力優(yōu)化

采用靜力單調(diào)拉伸試驗(yàn)方法，增大鋼筋與鋼板間的不平衡力矩，構(gòu)建裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)的搭接模型，得到搭接位置變化指標(biāo)為:

式中:Is為縱橫向間距；μj為受壓應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系分布；Aj為單軸受壓應(yīng)力－應(yīng)變；W′為單軸受拉下降段參數(shù)值；F為雙軸抗壓屈服強(qiáng)度。

當(dāng)F＝0.1時(shí)，得到雙軸抗壓屈服強(qiáng)度滿足:

式中:λn為裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)單軸抗拉強(qiáng)度；fvk為單軸受拉下降段參數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)值；ω為流動(dòng)勢(shì)偏量值；Ac、Aw分別為箍筋約束下混凝土的截面參數(shù)和分布面積；∑Af為剛度恢復(fù)系數(shù)；n為鋼材初始彈性模量。

根據(jù)錨桿體支護(hù)順序，結(jié)合混凝土支撐柱工程，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力結(jié)構(gòu)參數(shù)分析。在插筋錨固節(jié)點(diǎn)中，通過分析試件的承載力，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)的等強(qiáng)連接，采用靜力單調(diào)拉伸試驗(yàn)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)固定。節(jié)點(diǎn)優(yōu)化模型如圖4所示。

圖4 裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

4 實(shí)驗(yàn)分析

測(cè)試分析中，設(shè)定鋼筋強(qiáng)度等級(jí)均為HRB400，采用工字鋼、鋼管和內(nèi)加強(qiáng)設(shè)計(jì)方法，建立裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)極限強(qiáng)度檢測(cè)模型，屈服預(yù)應(yīng)力度為234.1 MPa、232.0 MPa。裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如表1所示。

表1 裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)表1的參數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，在塑性損傷模型中進(jìn)行裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)固定的受力分析，如圖5所示。

圖5 裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)固定的受力分析

根據(jù)圖5裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)固定的受力情況，其抗拉力受力特征值最高為72%，屈服應(yīng)力受力特征值最高為70%。在此基礎(chǔ)上，分析裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)固定的力學(xué)參數(shù)解析結(jié)果如表2所示。

表2 裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)固定的受力參數(shù)解析結(jié)果

根據(jù)表2參數(shù)解析結(jié)果可知，采用本文方法進(jìn)行綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)固定的受力可靠性較好。裝配式綠色建筑層間位移測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

分析圖6可知，通過裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)固定設(shè)計(jì)，降低了層間位移，預(yù)應(yīng)力度分別為0.31、0.79，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 層間位移測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語

本文進(jìn)行裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)固定方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并提出基于節(jié)點(diǎn)受剪性能整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)固定方法。在裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)中，采用框架中節(jié)點(diǎn)的混凝土應(yīng)力分析方法，建立裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)的混凝土基礎(chǔ)與雙鋼板組合墻節(jié)點(diǎn)連接模型，采用鋼筋混凝土筏板作為基礎(chǔ)，結(jié)合嵌入式錨固和埋件式錨固的方法，構(gòu)建裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)材料本構(gòu)關(guān)系模型，采用埋件式錨固方法，結(jié)合預(yù)應(yīng)力度分析和屈服響應(yīng)分析采用節(jié)點(diǎn)受剪性能整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，降低搭接鋼筋與鋼板距離。采用本文方法進(jìn)行裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點(diǎn)固定的抗拉能力較好，搭接鋼筋的滑移得到有效控制，提高了裝配式綠色建筑梁柱單元的穩(wěn)定性，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。