近年来,国家和地方政府大力推广装配式建筑,其中装配式混凝土结构占有绝对比重 ^[1,2]。在大跨度、重荷载的工业和公共建筑中,预应力混凝土双T板(简称双T板)的经济性、受力性能优势突出,已经在国内被大量应用 ^[3]。在应用双T板的装配式混凝土结构中,梁板连接节点是传力的核心部位。早期国内双T板主要用于工业建筑的屋面板,双T板端部连接方式相对较少,现有双T板端部连接方式应用于多层建筑中存在传递水平力不可靠、难以保证平面内刚度假定、结构层高过大等诸多问题,这也在一定程度上限制了双T板进一步推广应用。

　　 本文梳理国内外已有双T板端部连接节点的构造形式和研究进展,分析各连接节点的特点,归纳各节点在应用中存在的问题。在此基础上,提出一种快捷、高效的适用于国内多层装配式建筑的双T板新型钢质企口连接方式,对其设计要点及受力性能进行了分析研究,并对其投入工程应用进行相关探索。

　　 双T板与支承构件的连接方式以焊接、螺栓的干式连接方式为主。根据双T板的受力特点,其端部与支承构件的连接方式均为简支连接,具体支座可分为固定铰支座、滑动铰支座两种。当用于楼盖时,多设置后浇混凝土层以形成装配整体式楼盖。

　　 双T板的支承构件有矩形梁、倒T形梁、墙等,双T板端部可分为全截面和企口变截面 ^[4]两种形式。矩形梁和全截面双T板配套使用的建造方式方便快捷,但增加结构层高,进而造成建筑成本的攀升,工程中应用较少。国内实际工程中倒T形梁应用更多,典型应用的工程有上海颛桥万达广场工程(采用全截面双T板) ^[5]、上海李尔总部大楼工程(采用带企口双T板) ^[6]。本章按双T板端部全截面、企口变截面、借助悬挑预埋部件三种形式对双T板端部连接方式进行分析。

　　 全截面双T板设计简单,制作难度小,为降低结构层高多与倒T形梁配套使用,也有与矩形梁、预制墙构件连接的构造。

　　 国家建筑标准设计图集《预应力混凝土双T板》(18G432-1) ^[7]给出主要适用于全截面双T屋面板和支承梁的焊接连接和螺栓连接方式各一种(图1、图2)。双T板肋梁底部和支承梁顶部设置预埋件,双T板吊装完成后,直接将双T板和支承梁的预埋件通过焊接或螺栓连接起来,将两者形成整体。焊接与螺栓连接一般为固定铰支座,如采用螺栓连接且连接型钢螺栓孔具备水平位移能力时也可形成滑动铰支座。此连接方式影响结构层高、整体性差,不宜应用在楼盖中。

　　 王戈等 ^[8]提出另一种适用于双T屋面板端部与预制梁的连接方式(图3)。支承梁为L形,顶部预设预埋件。双T板的端面预制预埋件,端部搭接于L形梁上,通过连接件焊接于梁顶预埋件与双T板端面预埋件之间,从而形成固定铰支座。

　　 黄文等 ^[9]提出一种如图4的双T板和预制墙体的连接方式。该连接方式在所述的预制墙体上设置有牛腿,墙体上双T板顶部的相应位置预埋钢板。双T板肋梁底部和板顶连接处均预埋有钢板。将双T板搁置在墙体牛腿上,牛腿上放置用于保证双T板底部均匀受力的橡胶垫块,通过连接钢板焊接的方式连接双T板板顶和墙体上的预埋钢板,在双T板顶部后浇混凝土形成完整的结构。此连接方式使双T板与支承构件形成固定铰支座,可有效传递水平力,已应用于停车楼等大中型公共建筑领域中 ^[10]。

　　 图2～4连接方式的双T板保持全截面,端部无需特殊的配筋设计。图2、图3的连接方式主要用于屋面板,图4的连接方式主要用于楼面板。图4连接方式中支承构件、双T板能够通过混凝土局部承压验算,也可采用如图3方式取消连接处钢板预埋件。

　　 企口变截面双T板可以降低结构层高、增加结构的稳定性,可与矩形梁、倒T形梁配套使用。由于双T板肋窄、肋高较大且端部配筋复杂,国内外对双T板企口变截面处的配筋设计进行了较多研究。

　　 Mattock等 ^[11]对双T板企口的受力性能进试验研究,并从经济性和便捷性两方面出发研究企口处钢筋的不同构造形式。完成的5个设计构造形式不同的双T板企口(图5)受力机理相同,吊筋起到抗剪作用,水平钢筋起到抗弯作用,试验研究表明,在强度和裂缝控制方面,配置斜向吊筋的试件(图5(a),(b),(c),(e))性能优于配置竖向吊筋的试件(图5(d))。通过试件破坏之前端部钢筋的屈服情况判断,在企口端部使用环形吊筋具有更好的锚固效果(图5(c),(d))。由于环形吊筋具有抗剪作用,当有斜裂缝穿过环形吊筋时,环形吊筋的放置角度对企口的受力性能具有重要的影响。

　　 Nanni等 ^[12]对双T板端部企口的配筋构造形式进行研究。通过试验验证,采用满足与研究同时代的PCI设计手册(第五版) ^[13]中Z形配筋构造形式(图6)的双T板企口受力性能满足要求,并给出Z形配筋企口的设计方法。同时,建议企口截面处的钢筋要具备可靠的锚固。Z形筋的两个“竖直”部分均可起到抗剪作用。相比于图5的配筋形式,Z形筋安装简单,避免企口钢筋拥挤,方便浇筑混凝土。

　　 Botros等 ^[14]在双T板企口研究的基础之上,针对应用中企口部分出现裂缝等问题,研究双T板企口钢筋构造形式和设计参数对性能的影响,并进行有限元模拟分析。试验结果表明,荷载作用下,端部企口的配筋构造形式影响裂缝的开展。在混凝土保护层厚度较小的情况下,钢筋的布置种类及安放的位置和角度对防止企口变截面处的裂缝的出现具有重要的作用。另外,当企口部分有预应力筋穿过的情况下,可以限制裂缝的出现及开展,且可提高企口的极限承载力。研究还指出PCI设计手册(第七版) ^[15]的企口设计方法是相对保守的。

　　 赵勇等 ^[16]在现有研究基础之上,进行双T板企口端部竖向静力加载试验(图7),对破坏形态和受力性能进行研究。试验结果表明,在达到极限荷载前,伸出端根部截面剪跨比和竖向吊筋形式对双T板企口端部影响不大。建议计算直剪承载力时,不计入伸出端底部纵筋面积,水平抗剪钢筋只计入离伸出端下边缘2/3倍伸出端截面高度范围内的面积。双T板企口端部的设计计算可采用拉压杆模型。由于双T板端部窄且配筋复杂,为保证传力可靠和受力安全,建议双T板企口端部吊筋(A_sh)采用C形筋的构造形式。

　　 多位学者的研究表明,企口双T板端部斜裂缝是普遍存在的问题,需要在相应的位置配置抗剪钢筋穿过可能的斜裂缝截面以限制斜裂缝的开展;由于双T板肋窄,建议采用C形的吊筋形式,C形筋的弯弧内半径需满足《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)(2015版) ^[17]中梁柱顶层端节点梁上部纵筋的弯弧内半径要求;预应力筋可阻止变截面处的劈裂破坏,提高企口的极限承载力;制作过程中端部钢筋的位置及角度应保证准确,且防止浇筑过程中对其产生影响;由于双T板肋窄,吊筋直径不宜过大,防止吊筋周围混凝土因粘结能力不足而开裂。对于双T板端部设计成企口的设计计算,国内规范中尚未直接规定,工程应用可参考美国PCI设计手册(第七版) ^[15]的设计方法并注意与中国规范有关规定及变量、单位的衔接。

　　 大跨重载的全截面双T板高度往往较大,采用倒T形梁的构造形式可有效地减小层高,但倒T形梁配筋复杂、挑耳材料用量大、生产复杂、安装偏差要求高。另外,变截面双T板的企口传力路径复杂,设计制作的难度也很大。综上,有必要开发针对矩形梁和全截面双T板的更简便连接方式。

　　 Poore等 ^[18]提出一种双T板端面型钢嵌入式Shooter连接方式(图8),其中顶部的型钢可实现伸缩的效果(图9)。通过对4个双T板试件进行竖向静力加载试验和有限元模拟,分析Full Yield Design和Partial Yield Design两种不同的Shooter连接的设计方法 ^[18],并研究其破坏模式及受力性能。试验结果表明,改进的拉-压杆模型适用于类似于Shooter的所有连接节点。企口的破坏模式一般为弯剪破坏,破坏时大部分钢筋没发生屈服。不利裂缝最有可能从双T板的端面底部出现,并向着加载点的方向进行开展。关于此种类型连接方式的设计与应用要点还需进行完善。

　　 PCI设计手册(第七版) ^[15]中提供Cazaly hanger(图10)和Loov hanger(图11)两种通过悬挑预埋部件连接的连接方式可供双T板使用,并规定了设计方法。此两种连接方式均在双T板端部进行合理的配筋设计,只通过悬挑出来的钢件将双T板和支承构件连接形成整体。经过试验验证 ^[19]和工程应用,证明此两种连接方式安全、可靠。

　　 上述借助悬挑预埋部件连接,均将设计制作完整的预埋部件整体埋入双T板的内部,以悬挑出来的钢件为媒介将双T板与支承构件连接形成整体。双T板保持全截面,无需特殊的构造,板顶近似与支承梁平齐,可以起到降低结构层高的效果。但Loov hanger连接方式悬臂钢件为钢板,对于跨度、荷载较大的双T板,容易变形过大发生失稳,造成安全隐患。考虑到国内钢结构抗火和耐腐蚀的实际情况,钢质悬挑部件直接应用难度较大。

　　 在借鉴上述借助悬挑预埋部件连接的基础上,研发符合中国工程实际情况的高效连接方式很有必要。

　　 通过以上内容分析,结合国内双T板肋窄和端部配筋较密等实际情况,以理论分析和试验研究为基础,对已有借助悬挑预埋部件连接方式进行改进,即为新型钢质企口连接方式,其主要特点如下:

　　 (1)将顶部型钢改为内部灌满细石混凝土或灌浆料的实心钢管。此项举措不仅能减小钢管的截面尺寸以适应双T板肋窄的情况,而且可以提高钢材的抗火及耐腐蚀的性能。

　　 (2)将竖向抗剪钢筋形状改为形。此举措契合双T板的截面形状,可避免端部钢筋拥挤的问题。

　　 (3)可同时适用屋面装配式连接与楼面装配整体式连接,支承梁可为非叠合矩形梁,双T板端部保持全截面,可有效降低结构层高,提高施工效率。

　　 (4)双T板端部无需配置复杂的受力钢筋,设计简便,制作与施工安装工艺简单,综合经济性好。

　　 作者已完成新型钢质企口连接的试验研究并申请有关专利,目前专利已发布 ^[20]。

　　 本研究提出的新型钢质企口连接,即将钢构件预埋在双T板的内部,通过顶端悬挑出来的悬臂钢质部件将双T板挂在矩形支承梁上,支承梁顶相应位置预埋钢板。钢质企口连接构造见图12,包括内注细石混凝土或灌浆料的悬臂钢管及U形钢带、顶部受拉钢筋、底部摩擦抗剪钢筋、竖向抗剪钢筋。U形钢带焊接在悬臂钢管侧面,将悬臂钢管锚固在双T板内部。顶部受拉钢筋焊接在悬臂钢管的底部中心位置。底部摩擦抗剪钢筋焊接在U形钢带底部中心位置。竖向抗剪钢筋底部包在预应力钢筋外侧,顶部延伸至试件顶面。为防止产生附加偏心距,顶部钢筋的合力作用点应该在钢管的中心位置。将整个钢质企口加工完成以后将其放在双T板的模具内并可靠定位,待双T板混凝土浇筑并养护后完成构件制作。

　　 双T板的堆放、运输、吊装过程中,要防止钢质企口悬挑部分碰撞损坏。在构件制作及吊装施工的全过程中要严格控制误差在设计及规范要求的范围之内。特别是在双T板安装就位的过程中,要保持支承梁上钢板和悬臂钢管表面平行且对中放置,防止产生附加的弯矩作用,影响整个构件的受力性能。

　　 新型钢质企口连接传力路径简单、明确。竖向支座反力通过悬臂钢管传给U形钢带;U形钢带通过其包围的混凝土及底部摩擦抗剪钢筋将竖向力传给构件截面,最终由肋梁内部的抗剪钢筋承担竖向支座反力。水平支座反力通过悬臂钢管传递给末端的抗拉钢筋。

　　 钢质企口连接的设计为控制各组成部分的承载力及变形,包括受拉、受弯、受剪承载力及转动变形。下面将阐述其设计流程:

　　 (1)U形钢带的设计。竖向支座反力通过悬臂钢管传至钢带,考虑其受拉承载力以确定其截面尺寸,按照《钢结构设计标准》(GB 50017—2017) ^[21]中对轴心受拉构件的要求进行设计计算。

　　 (2)悬臂钢管的设计。悬臂钢管为内部灌注细石混凝土或灌浆料矩形实心钢管,作为连接方式的重要组成部分,其刚度和承载能力决定整个企口的受力性能。支座反力作用其上,按照《矩形钢管混凝土结构技术规程》(CECS 159∶2004) ^[22]对拉弯及受剪构件的承载力要求进行设计,并进行局部稳定性验算。

　　 (3)配筋设计,包括顶部钢筋的抗拉设计、底部钢筋的摩擦抗剪设计和竖向钢筋的抗剪设计。顶部钢筋只承担水平拉力,依据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)(2015版) ^[17]中对轴心受拉构件的要求进行设计计算;依据摩擦抗剪的传力机理,参考美国PCI设计手册(第七版) ^[15]和国内外规范中摩擦抗剪的计算公式,给出适合该底部钢筋的摩擦抗剪设计公式;为确保安全,斜截面抗剪计算只考虑钢筋项,不考虑混凝土项,斜截面的力全部由竖向抗剪钢筋承担,可参照《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)(2015版) ^[17]中斜截面受剪承载力计算公式的箍筋项进行设计计算。

　　 虽然新型钢质企口连接具有较多的优势,但为将钢质企口与双T板合理配套使用,使其具备完整的应用技术体系,研发团队正在进行如下工作,并已取得初步成果:

　　 (1)定量化设计。充分考虑施工荷载、永久荷载及施工顺序影响,提出钢质企口设计考虑的作用取值方法。参考PCI设计手册(第七版) ^[15]的设计方法,基于中国规范要求,提出适合中国工程的计算方法,确定U形钢带高度、悬臂钢管长度、构造钢筋配筋量等构造参数要求。

　　 (2)产品标准化。为保证工程质量,提高应用效率,对钢质企口产品进行标准化设计,最终形成完整的产品系列,提出关键参数供设计与工程应用人员直接选用。

　　 (3)检验与验收。为形成配套的产品体系,确保钢质企口的质量,针对钢质企口连接的受力提出可靠的检验方法与检验规则,以便应用于钢质企口产品的研发定型及型式检验、生产检验、出厂检验、进场检验等检验与验收场景。

　　 (4)应用场景。此连接方式既可进行纯干式连接,也可应用于有后浇层的工程中。若采用纯干式连接,建议悬臂钢管与支承构件顶部预埋钢板焊接连接;若应用在有后浇层的工程中,需考虑后浇层的设计方式及后浇层对钢质企口承载力的影响。

　　 除了新型钢质企口本身,为工程化应用还应该对悬臂钢管搁置位置处支承构件的构造及设计计算、有后浇层的结构中钢质企口与支承构件的整体设计、双T板端部板面和肋梁钢筋网片构造形式、后浇层混凝土抗裂与引导开裂等问题进行进一步研究。

　　 在按全截面连接、带企口连接、借助悬挑预埋部件连接3种方式总结国内外双T板端部连接方式的基础上,结合中国的工程情况和发展所面临的问题,提出了适合中国工程的新型钢质企口连接方式,对其主要特点及工程应用进行了详细分析,并对工程应用的有关问题进行展望。新型钢质企口连接方式可采用纯干式连接,也可应用在有后浇层的工程中,具有构造简单、施工方便和经济性好等优势,可为各类多层建筑的楼盖中应用双T板提供参考和依据,为进一步推广双T板的应用提供可靠支撑。