CN112127546A - 端板连接型装配式预制钢筋混凝土梁及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
端板连接型装配式预制钢筋混凝土梁，钢筋混凝土主体的上下翼缘上设有纵向钢筋，钢筋混凝土主体的端部连接一块封板，封板的内侧焊有栓钉，栓钉固结在钢筋混凝土主体的混凝土内；封板的外侧与H型钢的内端焊接，H型钢的外端与端板焊接；钢筋混凝土主体端部的剪力通过封板上的栓钉传给H型钢后再通过端板传给柱子，混凝土梁段的弯矩通过纵筋传给H型钢；H型钢的翼缘和腹板之间设有加劲肋；纵向钢筋穿过H型钢的上下翼缘的孔后弯折并贴在加劲肋上形成锚固。本发明还包括装配式预制钢筋混凝土梁的设计方法。本发明克服了装配式钢筋混凝土结构连接节点复杂、可靠性较差的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程结构设计领域，基于钢结构、混凝土结构和钢-混凝土组合结构基本理论，提出了一种适用于钢柱(或钢-混凝土组合柱)-钢筋混凝土梁装配式多高层建筑的新型预制钢筋混凝土梁及其设计计算方法。
背景技术
装配式建筑要求结构构件工厂预制、现场装配化施工，采用钢柱(或钢-混凝土组合柱)和混凝土梁组成的混合框架结构体系具有符合“强柱弱梁”的材料设计理念、节省用钢量、抗火反腐蚀性能好等优点，但常规的预制钢筋混凝土梁与钢柱(组合柱)之间存在连接复杂、可靠性差等问题。
发明内容
本发明要克服现有技术的上述缺点，提出一种便于与钢柱(或组合柱)连接的装配式预制钢筋混凝土梁及其设计计算方法。
本发明的端板连接型装配式预制钢筋混凝土梁，包括钢筋混凝土主体1，钢筋混凝土主体1的上下翼缘上设有纵向钢筋2，钢筋混凝土主体1的端部连接一块封板5，封板5的内侧设有栓钉10，栓钉10固结在钢筋混凝土主体1的混凝土内；封板5的外侧与H型钢6的内端焊接，H型钢6的外端与端板8焊接；钢筋混凝土主体1端部的剪力通过封板5上的栓钉10传给H型钢6后在通过端板8传给柱子，混凝土梁段的弯矩通过纵筋2传给H型钢6；H型钢6的翼缘和腹板之间设有加劲肋11；纵向钢筋2穿过H型钢6的上下翼缘的孔后弯折并贴在加劲肋11上形成锚固结构，如附图1所示。
靠近钢筋混凝土主体1的中部的一侧为内侧，反之为外侧。
优选地，钢筋混凝土主体1的中部设有非加密区箍筋3，钢筋混凝土主体1上靠近封板5处设有加密区箍筋4。
优选地，H型钢6的翼缘与端板8之间设有加劲肋7。
本发明的端板连接型装配式预制钢筋混凝土梁通过端板8和螺栓与钢柱(或组合柱)连接，其连接性质为典型的钢结构连接，克服了装配式钢筋混凝土结构连接节点复杂、可靠性较差的缺点。
上述可用于多高层装配框架建筑结构的端板连接型装配式预制钢筋混凝土梁及其设计方法，包括如下步骤：
1)步骤S1，根据混凝土结构基本理论，初步确定钢筋混凝土梁的截面，根据整体结构进行分析计算得到的构件内力包络图设计混凝土梁的配筋，按实际配筋计算得到钢筋混凝土梁的实际抗弯承载力Mub；
2)步骤S2，根据梁端部H型钢的抗弯屈服承载力设计值Msby应大于按钢筋混凝土梁的实际抗弯承载力Mub，进行H型钢截面设计、且H型钢的截面高度等于混凝土梁中上、下纵筋的净间距；
3)步骤S3，根据梁端的H型钢的全截面屈服弯矩理论值Msbu计算确定H型钢翼缘附近的螺栓群所受的总拉力T＝Msbu/hb1并进行螺栓设计：确定螺栓直径db并进行布置，其中hb1为梁端部的H型钢上下翼缘中至中距离，螺栓中心到H型钢的翼缘、腹板的距离应满足施工时拧螺栓的所需最小操作空间；
4)步骤S4，根据螺栓布置确定端板的长和宽，在钢端板上设置加劲肋，并将钢端板按不同支承条件进行区格划分，根据钢结构理论计算各区格所需的板厚度，取其中最大值为钢端板厚度tp；
5)步骤S5，加工制作梁时，根据混凝土中的纵向钢筋穿过H型钢翼缘上的孔后弯折锚固，梁端H型钢的长度应满足开孔到边缘最小距离、加劲肋和端部间净距足够拧紧螺栓操作等构造要求，H型钢在连接柱子的一端设置端板(带有螺栓孔)、另一端则设置封板与混凝土梁段分离，封板上焊有栓钉来传递混凝土和H型钢间的剪力，封板上下边设有多个U形槽口以方便纵筋穿过，在现场完成预制混凝土梁和钢柱(组合柱)装配后将梁两端的H型钢和漏在混凝土之外的钢筋刷防火防火漆，或用细石混凝土等其他防火反腐材料将梁的这部分外露的钢(钢筋和型钢)包裹起来。
优选地，所述步骤S1中，根据整体结构计算得到的内力包络图，设计混凝土梁的截面尺寸和配筋，并按实际配筋计算钢筋混凝土梁的实际抗弯承载力Mub。
优选地，所述步骤S2中，根据梁端部H型钢的抗弯屈服承载力设计值Msby应大于按钢筋混凝土梁的实际抗弯承载力Mub，进行H型钢截面设计以保证梁的破坏发生在钢筋混凝土部分；同时H型钢的截面高度等于混凝土梁中上、下纵筋的净间距，便于纵筋锚固在H型钢上。
优选地，所述步骤S3中，根据梁端部H型钢的全截面屈服弯矩理论值Msbu计算确定H型钢翼缘附近的螺栓群所受的总拉力T＝Msbu/hb1并进行螺栓设计——确定螺栓直径db并进行布置，其中hb1为H型钢上下翼缘中至中距离，布置螺栓时要求螺栓中心到H型钢的翼缘、腹板的距离满足施工时拧螺栓的所需最小操作空间。
优选地，所述步骤S4中，根据螺栓的布置确定端板的长和宽，在钢端板上设置加劲肋，将端板分为不同支承格区，根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规(GB51022-2015)相关规定计算各个支承格区的端板厚度，如下：
端板外伸时的两边支承区格：
端板平齐时的两边支承区格：
三边支承区格：
式中，f为端板钢材抗拉强度设计值，N1为一个螺栓(或锚栓)受拉承载力设计值，ef为螺栓中心至H型钢翼缘的距离，ew为螺栓中心至H型钢腹板的距离，b和bs分别为端板宽度和加劲肋宽度，端板厚度tep取t1～t3的较大值、且不小于16mm。
优选地，所述步骤S5中，梁端的H型钢两端分别设有端板和封板，H型钢的长度应满足翼缘上的孔(用来纵向钢筋贯穿和锚固)到边缘的距离满足构造要求、加劲肋和端部间净距足够拧紧螺栓操作要求等，H型钢端部设置封板的目的是与混凝土梁段分离，封板上下两边开有U形槽口方便纵筋穿过，封板上焊有抗剪栓钉来传递混凝土和H型钢间的剪力，抗剪栓钉的数量n＝Vb/Nc v，其中Vb为剪力按《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)11.3.2条计算得到，反映了梁的“强剪弱弯”的抗震设计理念，Nc v为单个栓钉的受剪承载力设计值，根据《钢结构设计标准》(GB50017-2017)计算如下：
式中，Ec为混凝土弹性模量，As为圆柱头焊钉钉杆截面面积，fc为混凝土抗压强度设计值，fu为圆柱头焊钉极限抗拉强度设计值。在现场完成预制混凝土梁和钢柱(组合柱)装配后将梁两端的H型钢和漏在混凝土之外的钢筋刷防火防火漆，或用细石混凝土等其他防火反腐材料将梁的这部分外露的钢(钢筋和型钢)包裹起来。
本发明的梁的两端为一小段带有端板的H型钢，中间为占梁整个跨度大部分的钢筋混凝土，混凝土梁的纵筋穿过H型钢翼缘上的孔后弯折锚固、且在钢筋弯折附近设置H型钢的横向加劲肋，H型钢和混凝土之间设置封板，预制梁通过端板和螺栓连接于钢柱或钢-混凝土组合柱达到“强柱弱梁”的抗震设计目的，封板上焊接栓钉来传递混凝土和H型钢之间的剪力，现场完成装配后再将预制梁两端的H型钢和暴露在混凝土之外的纵向钢筋刷上防火防腐漆，或用细石混凝土等其他防火反腐材料将梁的这部分外露的钢(钢筋和型钢)包裹起来。
本发明梁的可能破坏模式主要有钢筋混凝土梁受弯破坏、钢筋混凝土梁剪切破坏、螺栓受拉破坏、端板破坏(塑性铰线模式)、螺栓剪切破坏，按照各种破坏模式设计端板等各个组件，将破坏模式控制为钢筋混凝土梁受弯破坏。
本发明的有益效果是：
本发明应用于钢柱(钢-混凝土组合柱)和预制钢筋混凝土梁组成的装配式多高层框架建筑结构，提出了一种新型的预制钢筋混凝土梁，梁两端各自外伸一小段H型钢，且H型钢两侧设有端部和封板。根据整体结构计算得到的构件内力，进行梁的配筋设计。根据H型钢抗弯屈服承载力设计值Msby大于按实际配筋计算的钢筋混凝土梁抗弯承载力Mub，进行H型钢截面设计，且H型钢截面高度等于上下纵筋净间距。根据梁端部H型钢的全截面屈服弯矩理论值Msbu，进行螺栓和端板设计。根据钢筋混凝土梁的“强剪弱弯”抗震理念计算所得的剪力Vb设计封板上的抗剪栓钉，实现剪力从混凝土段充分传递到H型钢段。
本发明可提供一种用于装配式框架结构的新型预制钢筋混凝土梁，并给出设计方法；本发明可能较好地解决传统预制钢筋混凝土梁与预制钢柱(钢-混凝土组合柱)连接难、可靠性低的问题。
附图说明
图1a～图1f是本发明新型钢筋混凝土梁构造图，其中图1a是本发明新型预制钢筋混凝土梁的侧视图，图1b是图1a的A-A向剖视图，图1c是图1a的B-B向剖视图，图1d是图1a的C-C向剖视图，图1e是图1a的D-D向剖视图，1e是图1a的E-E向剖视图。
图2a～图2c是本发明的不同支承条件的端板区格及相关几何尺寸的示意图，其中图2a是端板无加劲肋时的区格划分，图2b是端板仅外伸部分设置加劲肋时的区格划分，图2c是端板外伸部分和内部均设置加劲肋时的区格划分。
图3是本发明的设计计算流程图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
说明书附图的部件编号：梁的钢筋混凝土主体1、梁的纵向钢筋2、梁的非加密区箍筋3、梁的加密区箍筋4、上下边带有槽口的封板5、H型钢6、加劲肋7、端板8、高强螺栓9、封板上的抗剪栓钉10、H型钢的加劲肋11、端板伸臂格区12、端板两边支承格区13、端板无肋格区14、端板三边支承格区15。
本发明的端板连接型装配式预制钢筋混凝土梁，该梁中间占梁跨度的大部分为钢筋混凝土主体1，梁两端外伸一小段两端设置端板8和封板5的H型钢6，混凝土中的纵筋2(通常设置成上下各4根或2根)通过穿过H型钢6翼缘上事先开好的孔后弯折锚固在加劲肋11附近，靠近H型钢的混凝土梁箍筋采用加密箍筋4、且梁的剪力通过封板5上的栓钉10传给H型钢6，混凝土梁段的弯矩通过纵筋2传给H型钢6，梁与柱之间通过端板8和高强螺栓9连接。新型预制钢筋混凝土梁与钢柱(或组合柱)构成了装配式多高层框架建筑结构，具有强柱弱梁、避免现场焊接、梁柱连接可靠等优点。运用钢结构、混凝土结构、结构抗震的基本理论，提出了此类梁的设计计算方法。
钢筋混凝土梁和钢柱(组合柱)组成的结构符合“强柱弱梁”抗震设计理念，梁端部伸出一小段带有端板的H型钢则不仅实现连接的可靠性(类似钢结构梁柱连接)、而且实现“强节点弱构件(梁)”的抗震设计理念，梁端部设置的H型钢和焊有栓钉的封板则容易实现“强剪弱弯”的抗震设计理念。另外，本发明的预制梁能很好地适应高层建筑因柱子垂直度的累计误差可能导致梁的实际跨度大于设计跨度，克服了普通钢梁在高层建筑结构中无法应用抗震性能好的螺栓端板连接节点的缺陷。具体施工时，只需要将本发明的预制混凝土梁在内力较小的四分之一跨度处分成一大一小两部分梁、并留出后浇带，将两段梁分别安装到梁两段的柱子上后再后浇形成整根梁。如此，可以充分发挥螺栓端板连接节点抗震性能好优势。
上述可用于多高层装配式建筑结构的端板连接型装配式预制钢筋混凝土梁，其设计计算包括如下步骤：
1)步骤S1，根据混凝土结构基本理论，初步确定钢筋混凝土梁的截面，根据整体结构进行分析计算得到的构件内力包络图设计混凝土梁的配筋，按实际配筋计算得到钢筋混凝土梁的实际抗弯承载力Mub；
2)步骤S2，根据梁端部H型钢的抗弯屈服承载力设计值Msby应大于按钢筋混凝土梁的实际抗弯承载力Mub，进行H型钢截面设计、且H型钢的截面高度等于混凝土梁中上、下纵筋的净间距；
3)步骤S3，根据梁端的H型钢的全截面屈服弯矩理论值Msbu计算确定H型钢翼缘附近的螺栓群所受的总拉力T＝Msbu/hb1并进行螺栓设计：确定螺栓直径db并进行布置，其中hb1为梁端部的H型钢上下翼缘中至中距离，螺栓中心到H型钢的翼缘、腹板的距离应满足施工时拧螺栓的所需最小操作空间；
4)步骤S4，根据螺栓布置确定端板的长和宽，在钢端板上设置加劲肋，并将钢端板按不同支承条件进行区格划分，根据钢结构理论计算各区格所需的板厚度，取其中最大值为钢端板厚度tp；
5)步骤S5，加工制作梁时，根据混凝土中的纵向钢筋穿过H型钢翼缘上的孔后弯折锚固，梁端H型钢的长度应满足开孔到边缘最小距离、加劲肋和端部间净距足够拧紧螺栓操作等构造要求，H型钢在连接柱子的一端设置端板(带有螺栓孔)、另一端则设置封板与混凝土梁段分离，封板上焊有栓钉来传递混凝土和H型钢间的剪力，封板上下边设有多个U形槽口以方便纵筋穿过，在现场完成预制混凝土梁和钢柱(组合柱)装配后将梁两端的H型钢和漏在混凝土之外的钢筋刷防火防火漆，或用细石混凝土等其他防火反腐材料将梁的这部分外露的钢(钢筋和型钢)包裹起来。
Claims (9)
1.端板连接型装配式预制钢筋混凝土梁，包括钢筋混凝土主体(1)，钢筋混凝土主体(1)的上下翼缘上设有纵向钢筋(2)，钢筋混凝土主体(1)的端部连接一块封板(5)，封板(5)的内侧焊有栓钉(10)，栓钉(10)固结在钢筋混凝土主体(1)的混凝土内；封板(5)的外侧与H型钢(6)的内端焊接，H型钢(6)的外端与端板(8)焊接；钢筋混凝土主体(1)端部的剪力通过封板(5)上的栓钉(10)传给H型钢(6)后再通过端板(8)传给柱子，混凝土梁段的弯矩通过纵筋(2)传给H型钢(6)；H型钢(6)的翼缘和腹板之间设有加劲肋(11)；纵向钢筋(2)穿过H型钢(6)的上下翼缘的孔后弯折并贴在加劲肋(11)上形成锚固；
靠近钢筋混凝土主体(1)的中部的一侧为内侧，反之为外侧。
2.如权利要求1所述的端板连接型装配式预制钢筋混凝土梁，其特征在于：钢筋混凝土主体(1)的中部设有非加密区箍筋(3)，钢筋混凝土主体(1)上靠近封板(5)处设有加密区箍筋(4)。
3.如权利要求1所述的端板连接型装配式预制钢筋混凝土梁，其特征在于：H型钢(6)的翼缘与端板(8)之间设有加劲肋(7)。
4.如权利要求1所述的端板连接型装配式预制钢筋混凝土梁的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1，根据混凝土结构基本理论，初步确定钢筋混凝土梁的截面，根据整体结构进行分析计算得到的构件内力包络图设计混凝土梁的配筋，按实际配筋计算得到钢筋混凝土梁的实际抗弯承载力Mub；
步骤S2，根据梁端部H型钢的抗弯屈服承载力设计值Msby应大于按钢筋混凝土梁的实际抗弯承载力Mub，进行H型钢截面设计、且H型钢的截面高度等于混凝土梁中上、下纵筋的净间距；
步骤S3，根据梁端的H型钢的全截面屈服弯矩理论值Msbu计算确定H型钢翼缘附近的螺栓群所受的总拉力T＝Msbu/hb1并进行螺栓设计——确定螺栓直径db并进行布置，其中hb1为梁端部的H型钢上下翼缘中至中距离，螺栓中心到H型钢的翼缘、腹板的距离应满足施工时拧螺栓的所需最小操作空间；
步骤S4，根据螺栓布置确定端板的长和宽，在钢端板上设置加劲肋，并将钢端板按不同支承条件进行区格划分，根据钢结构理论计算各区格所需的板厚度，取其中最大值为钢端板厚度tp；
步骤S5，加工制作梁时，梁端的H型钢的两侧设置端板和封板，分别，其中端板通过高强螺栓连接于柱子，封板用来将H型钢段与混凝土梁段分离。根据混凝土中的纵向钢筋穿过H型钢翼缘上的孔后弯折锚固，H型钢的长度应满足开孔到边缘最小距离、加劲肋和端部间净距足够拧紧螺栓操作等构造要求，封板上焊有栓钉来传递混凝土和H型钢间的剪力，封板上下边开有多个U形槽口方便纵筋穿过，在现场完成预制混凝土梁和钢柱(组合柱)装配后将梁两端的H型钢和暴露在混凝土之外的钢筋刷防火防火漆。
5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，所述步骤S1中，按钢柱(或钢-混凝土组合柱)-钢筋混凝土梁结构进行整体结构分析计算得到构件的内力包络图，据此设计钢筋混凝土梁的截面尺寸和配筋，按实际配筋计算钢筋混凝土梁的实际抗弯承载力Mub。
6.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，梁端部设有一段带有钢端板的H型钢，根据H型钢的抗弯屈服承载力设计值Msby应大于混凝土梁实际抗弯承载力Mub进行H型钢截面设计，保证梁的破坏位置发生在钢筋混凝土部分。此外，为了便于纵向钢筋的弯折锚固，要求H型钢的截面高度等于混凝土梁中上、下纵筋的净间距。
7.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，按梁端H型钢的全截面屈服弯矩理论值Msbu计算确定型H钢翼缘附近的螺栓群所受的总拉力T＝Msbu/hb1，根据T进行螺栓设计：确定螺栓直径db并进行布置，其中hb1为H型钢上下翼缘中至中距离，螺栓中心到H型钢翼缘、腹板的距离应满足施工时拧螺栓的所需最小操作空间。
8.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，所述步骤S4中，根据螺栓布置确定梁的钢端板的长和宽，在钢端板上设置加劲肋，将端板按不同支承条件分为不同的支承区，根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》(GB51022-2015)相关规定计算各个支承格区的端板厚度，如下：
端板外伸时的两边支承区格：
端板平齐时的两边支承区格：
三边支承区格：
式中，f为端板钢材抗拉强度设计值，N1为一个螺栓(或锚栓)受拉承载力设计值，ef为螺栓中心至H型钢翼缘的距离，ew为螺栓中心至H型钢腹板的距离，b和bs分别为端板宽度和加劲肋宽度，端板厚度tep取t1～t3的较大值、且不小于16mm。
9.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于：所述步骤S5中，制作梁时，梁端H型钢的长度应满足翼缘上孔到边缘最小距离要求、加劲肋和端部间净距足够拧紧螺栓操作要求等，H型钢在远离柱子位置的一端则设置封板与混凝土梁段分离，根据混凝土和型钢之间的剪力充分传递的要求，在封板上焊接抗剪栓钉的数量n＝Vb/Nc v，其中Vb为剪力按《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)11.3.2条计算得到，反映了梁的“强剪弱弯”的抗震设计理念，Nc v为单个栓钉的受剪承载力设计值，根据《钢结构设计标准》(GB50017-2017)计算如下：
式中，Ec为混凝土弹性模量，As为圆柱头焊钉钉杆截面面积，fc为混凝土抗压强度设计值，fu为圆柱头焊钉极限抗拉强度设计值。此外，封板上下边设有多个U形槽口，以方便纵筋穿过。在现场完成预制混凝土梁和钢柱(组合柱)装配后将梁两端的H型钢和暴露在混凝土之外的钢筋刷防火防火漆，或用细石混凝土等其他防火反腐材料将梁的这部分外露的钢(钢筋和型钢)包裹起来。
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| CN113152276A (zh) * | 2021-03-22 | 2021-07-23 | 崔冰 | 一种被动式抗裂增强型预制桥面板连接结构及其设计方法 |
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