预制装配式叠合梁梁端抗剪设计分析研究

时间：2020-04-29 22:04:29 来源：互联网

　　在预制装配式混凝土结构设计过程中，预制叠合梁与现浇混凝土结合面处的垂直面经常出现抗剪不足的情况，针对此问题，本文选取了一些典型梁截面进行了相应的数据分析并提出了一些解决方案。研究分析成果可为相关应用与研究提供参考。

　　预制装配式混凝土结构是目前工业化建设过程中采用的一种非常重要的结构形式，多地推出了相应的装配式政策以积极推进建筑产业化。而对于预制装配式结构，在设计过程中预制梁端的预制面与现浇混凝土结合面处的垂直面抗剪是关键节点。根据相关规范要求，预制叠合梁梁端垂直截面抗剪在按照常规结构设计时经常出现不满足的情况。对此，本文通过选取典型梁截面做了相应的数据分析并提出了对应的解决方案。预制叠合梁有两种常用的截面设计方式，一种是预制叠合梁做成矩形截面，一种是预制叠合梁做成凹口截面。本文采用矩形截面预制梁进行分析，另一种截面形式可参考分析结果。

一、预制叠合梁主要应用概况

　　1、装配整体式剪力墙结构

　　此类型结构形式采用预制外墙时，门窗洞口上方一般为结构主梁，此时需要预制叠合梁与填充外墙墙体形成整体预制外墙构件。多数情况下此类型梁截面宽度为200mm，采用现浇层厚度为150mm的叠合梁设计。

　　2、装配式框架结构、装配式框架-现浇剪力墙结构

　　此两种类型结构形式中的预制梁构件为拆分框架梁及次梁，以预制叠合梁形式设计。其跨度一般较大，宽度300mm~500mm的梁经常被采用。一般采用现浇层150mm的叠合梁设计。

　　二、梁端抗剪验算

　　2.1 规范规定的基本公式

　　根据《装配式混凝土结构技术规程》6.5.1条，梁端接缝受剪承载力需满足ηjVmua≤VuE(其余抗剪要求不在本文研讨范围内，因此不做赘述)。其中，ηj为受剪承载力增大系数，Vmua按实配钢筋面积计算的斜截面受剪承载力设计值，VuE为梁端接缝在地震设计状况下受剪承载力设计值(其他符号意义详见规范)。按此要求，即应满足垂直截面抗剪强于斜截面抗剪。其中：

　　预制装配式叠合梁梁端抗剪设计分析研究

　　2.2 叠合梁端接缝受剪承载力设计值数据分析

　　2.2.1典型剪力墙预制梁分析

　　选取常用的设计条件为假定条件：某抗震等级为三级的剪力墙结构，采用梁截面宽度为常用的200mm，混凝土强度等级采用C30，梁端箍筋为

　　预制装配式叠合梁梁端抗剪设计分析研究8@100(2)，预制梁现浇叠合层的混凝土厚度150mm，预制梁的键槽根部截面面积与后浇键槽根部截面面积相同。需满足公式：1.1Vmua≤VuE。

　　分析不同截面高度以满足公式要求的最小纵向钢筋截面面积如表2.1：

　　表2.1200mm宽不同梁高叠合梁端剪力分析表

　　预制装配式叠合梁梁端抗剪设计分析研究

　　实际设计时如200x400截面，配筋往往不大，全部纵筋4

　　预制装配式叠合梁梁端抗剪设计分析研究16(腰筋一般较小或不设，忽略其影响)能够覆盖大多数需求，而根据上表，此配筋远不能满足要求，其他截面情况也大致相同。因此在装配式设计时应采取措施以满足抗剪要求。

　　2.2.2典型框架预制梁分析

　　选取常用的设计条件为假定条件：某抗震等级为二级的框架结构，采用框架梁截面宽度400mm，混凝土强度等级采用C30，梁端加密区箍筋为

　　预制装配式叠合梁梁端抗剪设计分析研究8@100(4)，预制梁现浇叠合层的混凝土厚度150mm，预制梁的键槽根部截面面积与后浇键槽根部截面面积相同。需满足公式：1.2Vmua≤VuE。

　　分析不同截面高度以满足公式要求的最小纵向钢筋截面面积如表2.2：

　　预制装配式叠合梁梁端抗剪设计分析研究

　　根据某工程项目(上海某框架结构学校)实例，主要采用400x750截面框架梁，实际设计所需全部纵筋大多不超12

　　预制装配式叠合梁梁端抗剪设计分析研究25。根据上表，此配筋截面不满足要求，应在PC设计时采取额外措施满足抗剪要求。

　　2.2.3不同截面叠合梁端抗剪综合分析

　　根据以上数据分析，要满足梁端垂直截面抗剪需求，纵筋配筋率大致需不低于2.5%，而通过经常性项目的统计分析，一般的梁纵筋总配筋率在1.2%~2.0%范围内，住宅项目甚至配筋率更低，此时的结构设计配筋并不能满足叠合梁梁端抗剪要求。因此需要采取额外梁端抗剪构造措施。为满足规范公式要求，可减小ηjVmua值或增大VuE值。

　　方法一：

　　减小ηjVmua值。其中ηj为根据抗震等级调整的量，可视为定值。在Vmua的求解公式中，截面宽度与高度已在结构设计时明确，也应视为定值。如此只能通过调整梁端加密区箍筋直径、肢数、间距来减小斜截面抗剪承载力设计值。但这显然与结构设计初衷不符(梁端强剪弱弯)，且根据最低构造要求，往往也难以再调整。由此可见ηjVmua值通常已经由设计明确，不宜调整。

　　方法二：

　　增大VuE值。在VuE的求解公式中，Ac1是可调节变量，即通过增加叠合梁现浇层厚度以提高VuE，但此项数值占比很小(等式中占比一般不大于7%)，调整的计算意义不大。同样Ak值的调整对抗剪力贡献也是不大，且以上分析已经按照最大化来处理。因此最终为了满足要求，应增大垂直穿过结合面的钢筋(补充设置抗剪键)的截面面积，即增大Asd值来满足设计要求。

　　通过以上两点分析，要满足叠合梁端箍筋加密区的垂直截面接缝抗剪强于斜截面抗剪的要求，在纵筋设计偏小，而箍筋相对较大的情况下，应采取相应的措施来调整梁端部截面的抗剪承载力设计者，比较可行的方式是增强垂直截面的抗剪承载力设计值。因此增大垂直穿过结合面的钢筋(补充设置抗剪键)的截面面积是目前可行的办法。

　　三、垂直面抗剪不足的解决方案

　　3.1解决方案概述

　　增大垂直穿过结合面的钢筋可采取的方式可以是增大梁的上部纵筋、下部纵筋、腰筋，也可以采取附加抗剪钢筋、抗剪键的形式，增强预制叠合梁的梁端垂直截面抗剪承载力设计值。

　　3.2解决方案比选

　　3.2.1方案一：增大设计纵向主筋的截面

　　在结构设计过程中即应考虑到装配式设计时的梁端抗剪问题，使纵筋在设计之初即满足此项要求，同时梁端箍筋按需配置，避免采取过大的加强措施，造成斜截面实配钢筋抗剪过大，而造成垂直面抗剪所需纵筋随之增大。但是当设计配筋满足承载力需求的情况下，为满足预制装配式设计而增大纵向钢筋截面，一方面会造成工程用钢量增加而成本提高，另一方面容易造成配筋过多(当箍筋偏大，截面斜截面抗剪承载力设计值很大，此方法极易造成纵筋过大)，反而实际影响现场混凝土浇筑质量，也不利于结构安全。

　　其中，梁端纵向主筋增大部分可分为梁端上部纵筋与梁端下部纵筋。如果提高梁端上部钢筋截面容易形成超筋，也不符合结构设计的基本原则(强剪弱弯);如果提高梁端下部钢筋截面，则不利于预制构件吊装施工，同一框架柱处的两侧预制叠合梁的纵向钢筋难以错开，尤其在框架结构中，两个方向的主梁预制的情况下，钢筋过大造成钢筋排布更加困难，甚至无法实现预制吊装;同时也会造成节点区域钢筋间距过小，从而使得后期现浇混凝土不容易浇筑密实，影响工程质量。

　　3.2.2方案二：纵向主筋不放大，增大腰筋

　　垂直面的纵筋，除了主筋，也应充分利用腰筋的作用。此方案相比方案一，也同样会造成成本增加，但是其优势在于避免了增大主受力纵筋的配筋面积造成的一系列问题。在有平面上同一节点两个方向主梁预制时，腰筋会在构件吊装过程中出现钢筋冲突的问题，可通过内置钢筋螺纹套筒的方式解决。

　　3.2.3方案三：附加抗剪钢筋或抗剪键

　　此方案具体实施可有如下几个方式：(a)梁端预制面与现浇面处后置抗剪钢筋(图3.1叠合梁顶后置筋);(b)梁端预制梁腹处预设抗剪钢筋，也可以预埋直螺纹套筒，现场后拧抗剪钢筋(图3.2叠合梁腹设抗剪筋);(c)梁端预制梁腹处预埋抗剪键(图3.3叠合梁腹设抗剪键)。其中(b)项较(a)项增加了螺纹套筒的成本，但是可节约现浇层的宝贵空间，不影响混凝土浇筑;(c)项应注意避让柱纵筋，同时在垂直交叉梁预制时会造成吊装冲突及垂直向腰筋碰撞，设计时应取舍采用。方案三相较于方案一、二，可有效节约成本，同时对主体结构的设计过程几乎没有影响。

　　其中(b)项方案，当平面上预制叠合梁仅一个方向上有预制时，可采用预制抗剪钢筋的方式，吊装时无冲突。但是当两个方向均有预制叠合梁时，预埋抗剪钢筋则会造成两个方向上的构件吊装冲突。此时则应考虑采用预埋直螺纹套筒，现场后拧抗剪钢筋的方式。

　　预制装配式叠合梁梁端抗剪设计分析研究

　　图3.1(a)叠合面后置筋图

　　预制装配式叠合梁梁端抗剪设计分析研究

　　图3.2(b)梁腹设抗剪筋图

　　预制装配式叠合梁梁端抗剪设计分析研究

　　图3.3(c)梁腹设抗剪键

　　四、结论与建议

　　在结构设计过程中，预制梁端垂直面抗剪不足的问题经常出现。通过本文对典型不同截面梁的数据分析，方案三(附加抗剪钢筋或抗剪键)为最优方式。

　　装配式结构的设计是一个非常综合的过程，需要各专业配合，在深化阶段更是施工过程的方案前置。在各专业配合高度紧密的情况下，如果即满足设计规范要求，同时能简化配合流程，又能节约时间及成本，是需要不断深入探索与研究的课题。在解决梁端垂直截面抗剪不足的问题中，采用附加抗剪钢筋或抗剪构造的方式可以有效满足设计、配合、时间、成本等各方面要求。

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