連接件的根部構(gòu)造對(duì)其抗拉壓性能的影響

連接件的根部構(gòu)造對(duì)其抗拉壓性能的影響

預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的結(jié)構(gòu)性能，充分發(fā)揮了良好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效應(yīng)。目前，它在世界經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的應(yīng)用廣泛，土木工程行業(yè)的建設(shè)比例逐年上升。預(yù)制樓板是預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)體系中的重要組成構(gòu)件,預(yù)制板之間的連接可靠程度及預(yù)制樓蓋的平面內(nèi)力學(xué)特性對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的整體性和動(dòng)力響應(yīng)影響巨大。預(yù)制樓蓋結(jié)構(gòu)共有三種形式,即干式樓蓋體系、濕式樓蓋體系和混合式樓蓋體系。濕式樓蓋體系和混合式樓蓋體系具有較大的承載力和剛度,但是部分保留了傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土樓蓋體系的缺點(diǎn),增大了樓蓋自重,增大了地震作用效應(yīng),對(duì)施工、造價(jià)等方面有著不利影響,并且不利于構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn),限制了預(yù)制混凝土技術(shù)優(yōu)越性的發(fā)揮。在干式樓蓋中,樓蓋的隔板作用主要由按一定規(guī)律布置的機(jī)械連接件提供,其力學(xué)特點(diǎn)直接影響到樓蓋的隔板作用,因此極為重要。美國UBC2006規(guī)范將樓蓋變形大于2倍層間位移的樓蓋歸類為柔性樓蓋。國外其他資料認(rèn)為,樓蓋的相對(duì)水平撓度必須小于1/50000,才能被視為平面內(nèi)剛度無限大。我國TJ11—78《工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》根據(jù)我國自己的研究成果經(jīng)綜合分析后,取相對(duì)水平撓度小于1/12000作為樓蓋水平剛度可被假定為無限大的界限。目前較為常用的計(jì)算樓蓋平面內(nèi)變形的方法是等效梁模型(equivalentbeammodel)理論。在該理論中連接件的抗拉(壓)剛度是一個(gè)重要參數(shù)。另外,靠近垂直于地震作用方向樓蓋邊部的連接件將受到較大的拉(壓)作用。因此,連接件的抗拉(壓)性能將直接影響到樓蓋體系在水平地震作用下的性能和結(jié)構(gòu)的整體性。全球每年都有數(shù)以百萬計(jì)的機(jī)械連接件應(yīng)用于工程實(shí)踐,目前對(duì)各種形式機(jī)械連接件的抗拉試驗(yàn)研究成果也比較多,但是對(duì)各種連接件的細(xì)部構(gòu)造研究較少,相應(yīng)的細(xì)部構(gòu)造規(guī)定不明確。1樓蓋整體性設(shè)計(jì)目前應(yīng)用較多的干式樓蓋主要是雙T板樓蓋體系,筆者提出并正在研究全預(yù)制裝配式空心板和其他形式的平板樓蓋體系,如圖1所示。美國混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范ACI318-05第7.13節(jié)對(duì)樓蓋整體性提出了要求:對(duì)于預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu),應(yīng)在結(jié)構(gòu)的橫向、縱向、豎向及周邊提供可靠的抗拉連接(tensionties),以有效地連接起結(jié)構(gòu)的各個(gè)構(gòu)件,不允許使用僅依賴構(gòu)件之間摩擦力的連接形式。圖1中的結(jié)構(gòu)采用預(yù)制樓板,板與板之間及梁與板之間采用機(jī)械連接件加以連接,其中板-板連接中的發(fā)卡式連接件為本文的研究對(duì)象,如圖2所示。有限元模性中,由對(duì)稱性,只選擇包括單個(gè)連接件的單塊板進(jìn)行計(jì)算。試件模型中混凝土板的尺寸為:長×寬×厚=1000mm×1000mm×50mm。2連接件細(xì)部構(gòu)造的數(shù)值試驗(yàn)細(xì)部構(gòu)造影響預(yù)制樓板連接件抗拉(壓)性能,從而影響到樓蓋的隔板作用,進(jìn)而影響到整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力特性和抗震設(shè)計(jì)方法,因此彌足重要。本文以嵌條長度、錨板厚度及其挑出長度(錨板端部到錨筋與錨板焊接點(diǎn)的距離)為參數(shù),采用有限元程序ABAQUS研究連接件細(xì)部構(gòu)造對(duì)發(fā)卡式連接件抗拉(壓)承載力、剛度和變形能力等方面的影響。有限元模型中混凝土采用損傷塑性本構(gòu)模型、鋼材采用雙折線本構(gòu)關(guān)系模型。錨板接觸表面法向采用“硬”接觸,切向采用庫倫摩擦模型。這種建模方法的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性。分析模型的透視圖如圖3所示。其中錨筋的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度分別為505,668MPa;錨板的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度分別為420,500MPa;混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。2.1抗拉壓強(qiáng)度通過研究發(fā)現(xiàn),嵌條長度對(duì)連接件的抗拉(壓)性能影響較大。模型中錨筋直徑為10mm,長度為400mm,錨筋肢距為100mm,錨板寬度為50mm,這四個(gè)參數(shù)在本文保持不變。錨板厚度t=8mm,錨板懸挑長度s=25mm。分析嵌條長度h=60,80,100,120mm情況下連接件的抗拉(壓)性能。計(jì)算得到四種情況下連接件的抗拉荷載-位移曲線如圖4所示。美國《預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會(huì)設(shè)計(jì)手冊(cè)———預(yù)制和預(yù)應(yīng)力混凝土》推薦以等效桁架模型理論來計(jì)算發(fā)卡式連接件的抗拉承載力,該方法假定連接件完全由兩只錨筋的軸向受拉來承擔(dān)平面內(nèi)荷載作用,并且拉壓肢錨筋同時(shí)達(dá)到屈服和極限強(qiáng)度,計(jì)算公式為:式中:Vy、Vu為連接件名義抗拉(壓)強(qiáng)度、極限承載力;A為單肢錨筋的截面積;fy、fu為錨筋屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度;θ為錨筋的與預(yù)制板側(cè)邊法線的夾角。由圖4可知,連接件的抗拉承載力和剛度隨嵌條長度的增長而增大,除h=60mm情況外連接件均達(dá)到了理論極限強(qiáng)度。當(dāng)嵌條長度大于或等于錨筋肢距時(shí)(如h=100,120mm),連接件承載力的名義承載力和極限承載力與等效桁架理論計(jì)算值吻合得很好,而當(dāng)嵌條長度小于錨筋肢距時(shí),由于錨板的彎曲變形使得計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算值相差較大。由圖5可知,連接件的抗壓強(qiáng)度和剛度亦隨嵌條長度的增加而增大。當(dāng)嵌條長度小于錨筋肢距時(shí)(如h=60,80mm),連接件的強(qiáng)度較低,變形能力有限,這是由于在軸向壓力作用下因嵌條較短使得錨板發(fā)生了翹曲,混凝土承壓面積較小而發(fā)生破壞。而嵌條長度大于錨筋肢距的兩種情況下連接件的承載力和變形能力都較為理想。2.2錨板評(píng)論員長度分析錨板挑出長度s=5,15,25mm三種情況下,發(fā)卡式連接件的抗拉(壓)性能。其中嵌條長度為100mm,錨板厚度為8mm。由圖6可知,錨板挑出長度為5,15,25mm三種情況下,除第一種情況下名義強(qiáng)度和極限強(qiáng)度都與等效桁架理論計(jì)算值吻合較好,后兩者的抗拉荷載-位移曲線幾乎重合。當(dāng)連接件錨板挑出長度較小時(shí)錨筋距板端較近,錨筋的作用使得錨板端部受力集中而發(fā)生過早破壞。由圖7可知,錨板挑出長度對(duì)連接件抗壓承載力、剛度和變形能力影響較小。懸挑長度為5mm時(shí)連接件的承載力略大于其他兩種情況,但從總體上看,懸挑長度對(duì)連接件的抗壓性能影響較小。2.3錨板抗拉性能分析錨板厚度t=4,5,6,8,10mm五種情況下,發(fā)卡式連接件的抗剪性能。嵌條長度為h=100mm,錨板挑出度為s=25mm。由圖8可知,在錨筋屈服之前連接件的剛度隨錨板厚度的增加小幅提高,連接件進(jìn)入塑性階段以后抗拉荷載-位移曲線幾乎重合,抗拉性能較為一致。五種情況下連接件強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果與等效桁架理論吻合度很高。錨板厚度對(duì)發(fā)卡式連接件抗壓性能的影響比對(duì)其抗拉性能的影響明顯。由圖9可知,在彈性階段,連接件的強(qiáng)度和承載力基本上隨錨板厚度的增加而增大,在連接件進(jìn)入塑性階段后除錨板厚度為10mm情況下,其他四種情況的荷載-位移曲線間的關(guān)系沒有規(guī)律。五種情況下連接件的變形能力相當(dāng)。3卡式連接件平面內(nèi)力學(xué)性能的影響目前全干式樓蓋平面內(nèi)變形主要采用等效梁模型來計(jì)算。在等效梁模型中,樓蓋的平面內(nèi)剛度由兩部分組成,即預(yù)制板和連接件。其中連接件剛度包括平面內(nèi)抗剪剛度、平面內(nèi)抗拉剛度和平面內(nèi)抗壓剛度三個(gè)部分。在此將定量分析各種參數(shù)下發(fā)卡式連接件面內(nèi)抗拉(壓)剛度,以更好地揭示細(xì)部構(gòu)造對(duì)發(fā)卡式連接件平面內(nèi)力學(xué)性能的影響。連接件的初始剛度定義為從原點(diǎn)到圖10中A點(diǎn)連線的斜率,A點(diǎn)坐標(biāo)為(Ty,Δy)。因模型本構(gòu)選擇為雙折線鋼筋本構(gòu),連接件荷載位移曲線的下降段模擬無法實(shí)現(xiàn)。在此將模型的最大荷載近似為峰值荷載,以此計(jì)算連接件的初始剛度。表1提供了各種參數(shù)下的發(fā)卡式連接件抗拉(壓)初始剛度值。由表1計(jì)算結(jié)果并結(jié)合文獻(xiàn)可知,發(fā)卡式連接件的平面內(nèi)抗拉剛度與其平面內(nèi)抗剪剛度水平相當(dāng)。由抗拉剛度和抗壓剛度的對(duì)比分析結(jié)果可知,發(fā)卡式連接件的抗壓剛度大體上是抗拉剛度的5倍以上,這與文獻(xiàn)的結(jié)論接近。所以,在水平地震作用下即便預(yù)制樓板之間發(fā)生嚴(yán)重的擠壓現(xiàn)象,因連接件抗壓剛度較大,預(yù)制板間的板縫很難閉合。因此,在進(jìn)行全預(yù)制裝配式樓蓋體系整體建模分析和建立全預(yù)制樓該體系力學(xué)模型時(shí)不應(yīng)考慮板側(cè)之間的接觸摩擦作用。但對(duì)于圖1和圖2中所示的新型全預(yù)制裝配式樓蓋而言企口板的接觸效應(yīng)應(yīng)當(dāng)合理地加以考慮。4錨板長度和錨板厚度對(duì)連接件抗拉性能的影響1)嵌條長度對(duì)發(fā)卡式連接件抗拉(壓)承載力和剛度影響較大,當(dāng)嵌條長度小于錨筋肢距時(shí)連接件剛度和承載力均較小,變形能力較差,且抗拉承載力與理論計(jì)算值偏差較大。建議設(shè)計(jì)時(shí)嵌條長度應(yīng)大于或等于錨筋肢距。2)錨板挑出長度對(duì)發(fā)卡式連接件抗拉性能影響較大,而對(duì)其抗壓性能影響較小。當(dāng)挑出長度為5mm時(shí)連接件的剛度較小,承載力未達(dá)到理論水平。綜合考慮連接件抗剪性能和施工等因素影響,建議錨板挑出長度以2~3倍錨板厚度為宜。3)錨板厚度對(duì)發(fā)卡式連接件初始剛度影響較大,連接件初始剛度隨錨板厚度增加而增大,但除錨板為10mm情況以外,連接件基本在相同的荷載和變形水平上計(jì)入塑性狀態(tài),進(jìn)入塑性以后所有連接件抗拉性能基本一致。連接件的初始抗拉剛度隨錨板厚度增加而增大,t=10mm時(shí)的剛度和承載力均大于其它情況。進(jìn)入塑性以后,除t=10mm情況以外,其他四種情況的荷載-位移響間的關(guān)系沒有明顯規(guī)律。綜合考慮連接