装配式 | 注浆式榫槽接头关键构造参数影响研- 大数跨境

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装配式 | 注浆式榫槽接头关键构造参数影响研

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2023-05-23

本文发布已获得《都市快轨交通》授权

原文发表于《都市快轨交通》

第 36 卷第 2 期 2023 年 4 月

如有转载请联系版权方，标明出处

装配式地铁车站结构注浆式榫槽接头的不同几何构造影响接头的力学性能，进而制约整个结构的力学行为。针对注浆式榫槽接头关键构造参数——榫长、榫宽、接头高度、接头宽度、槽顶壁宽、槽底壁宽、榫头内缩长度，基于榫头占比率、槽壁榫宽比、榫头倾角、榫长榫宽比和内缩率5个指标进行接头构造设计要求研究。结合各个指标对接头承载性能、制作和施工便捷性的影响，提出一套接头构造设计步骤及要求，明确关键几何构造参数具体取值范围：榫宽w与截面高度H的比值宜大于0.28，各榫头之间的净距宜为0.5～1.5倍单个榫宽w，槽壁厚度t与榫宽w比值不宜小于0.4，榫头倾角α宜为75°～85°，长接头和短接头榫长l与榫宽w的比值宜分别为0.5～0.8和0.2～0.5，内缩率宜为20%～50%；研究成果可为同类装配式结构构件连接设计提供参考。关键词:地铁车站；预制装配；注浆式榫槽接头；构造设计

中图分类号: U231 文献标志码: A 文章编号: 1672-6073(2023)02-0034-11

装配式地铁车站建造技术是目前我国城市轨道交通建设由劳动密集型施工模式向集约化和机械化转变的重要时期应运而生的绿色建造方式，实现了地铁车站建设的绿色低碳和高效节能[1-2]。继2018年我国第一座装配式地铁车站(长春2号线双丰站)通车运营之后，国内掀起了采用预制装配技术建造地铁车站的热潮。目前，长春、青岛、深圳、无锡、广州等城市已建在建装配式地铁车站项目50余座[3-4]。以长春装配式地铁车站结构为代表的全预制装配式结构达42座。

接头是装配式结构区别于现浇结构最重要的特征。目前，在长春、青岛和深圳3座城市采用的全预制装配式地铁车站结构均采用了笔者所在研究团队研发的注浆式榫槽接头型式[3-5]。

研究团队通过大量试验分析[6-9]、有限元计算[10]、现场监测[11]和理论分析[12-14]已经掌握了注浆式榫槽接头的基本力学性能，揭示了这种接头的“变刚度特性”和“变承载能力”，以及注浆式榫槽接头的弯曲抵抗作用效应和抵抗矩作用。

注浆式榫槽接头组成要素较多，几何构造较为复杂，每一项几何要素对接头性能有不同的影响，接头的不同几何构造影响着接头的力学性能。因此，有必要对接头的关键构造参数及设计要求进行深入研究，探索使接头性能最优化的几何构造参数组合。装配式地下结构中其他类型接头的现有研究主要集中在盾构隧道管片连接的力学模型研究和性态分析，或者是沉管隧道节段接头的力学特性研究[15-16]，对接头的几何构造设计方面研究较少。为此，本文在注浆式榫槽接头前期力学性能研究基础上，进行了接头几何构造参数对接头性能影响的全方位研究，探索保证注浆式榫槽接头性能最优的构造设计要求。

1研究策略

1.1注浆式榫槽接头构造

注浆式榫槽接头由凹型榫槽、凸型榫头和注浆段组成(见图1)，现场拼装凹型榫槽与凸型榫头干式对接连接后，通过预留注浆孔在接头接缝之间灌注浆液，使榫头和榫槽接触面充分弥合。

1.2关键构造参数

注浆式榫槽接头几何构造涉及关键参数包括：榫长l、榫宽w、接头总高度H、接头总宽度B、槽壁厚度t(包括两榫头间距T)、榫头内缩长度i，见图2。对其进行构造设计时，对于单个榫头主要考虑榫头倾角α、榫长l与榫宽w的比值以及槽壁厚度t与榫宽w的比值。对于双榫或多榫接头，还需保证多个榫头之间保持相对合适的间距。双榫及多榫接头榫宽为w1，w2，…，wi。

1.3不同参数对接头性能影响计算模型和工况

本文建立了与试验结果匹配的有限元模型，对榫头不同几何构造接头力学性能进行影响分析，模型主体部分C50混凝土结构采用六面体的实体单元模拟，接触部分使用混凝土-混凝土接触面单元模拟(见图3)，模型具体参数和验证详见文献[10]和[14]。计算模型包括单榫接头压弯作用模型、双榫接头压弯作用模型、考虑轴力作用的四点剪切计算模型。

计算工况包含不同轴力作用下的不同榫头倾角α、榫头宽度w、榫头长度l、榫头内缩长度i(见图3(d))和双榫头间距T，工况具体参数详见表1。

1.4分析手段

本文将从凹凸榫咬合区总宽与接头高度比(榫头占比)η1=w/H、槽顶壁宽与榫宽比η2=t/w、榫头倾角α、榫长与榫宽比η3=l/w、内缩率η4=2i/B进行接头的几何构造控制要求分析。对于双榫和多榫接头，η2为ti/wi和Ti/wi的较小值，η3=l/wi。

接头的抗弯刚度kθ反映了接头抵抗弯矩的能力，是评判接头承载能力非常重要的指标，而kθ的大小受接头构造因素的影响，并随着内力的变化而变化，并非一个常量。因此，基于注浆式榫槽接头的承载特征曲线研究[3,7,13]，以及揭示的线性段、类线性段、非线性段和失稳阶段四阶段承载特征，本文从弯矩-转角承载特征曲线入手，结合不同型式接头在不同荷载氛围下的抗剪性能和应力表现，综合分析出接头构造的最佳组合，提出构造设计要求。

另外，对于抗弯刚度的描述，为充分表达刚度发展的非线性特性，更加真实地反映工程中由于构件的塑性化导致抗弯刚度的降低，可以采用应变能量等价的等效刚度进行分析。

如图4所示，等效刚度为到达最大承载弯矩Mlim对应转角所围面积(蓝色)的割线长度(斜边)斜率，该蓝色区域面积等于弯矩-转角(M-θ)曲线所包裹红色区域面积；M1～M3分别为阶段1线性段、阶段2类线性段和阶段3非线性段的承载极限弯矩，其中前两阶段为设计使用阶段；kθ,2为类线性段等效抗弯刚度；kθ,all为全生命周期所有阶段等效抗弯刚度。

2控制因子分析

2.1榫头占比率η1

2.1.1接头弯矩-转角关系

图5绘制了基于图3(a)模型(仅改变榫头宽度w这一变量)不同轴力作用下，不同榫头宽度的接头弯矩[1]转角关系，可以看到：

1)各个轴力工况下，在加载初始线性段各种宽度模型接头弯矩-转角关系曲线几乎重合，榫头宽度在这一阶段几乎没有影响。

2)随着弯矩增加，不同榫头宽度模型在相同的弯矩作用下同时出现了转动，接头抗弯刚度减小，但是各个榫头宽度模型的接头弯矩-转角关系曲线具有一定的重合区域，说明此时几种榫头宽度模型的接头抗弯刚度基本一样，榫头宽度在这一阶段对接头抗弯刚度的影响不大。

3)当弯矩达到较高水平之后，在同一弯矩作用下，小轴力工况下(500kN)，榫头宽度200～350mm模型抗弯刚度大于400～450mm，随着轴力的增大，差距变小，当轴力为1500～3000kN时，各个榫头宽度模型接头弯矩-转角关系曲线几乎一致，但是，当轴力到达4000kN时，200～350mm模型抗弯刚度略大于400～450mm。

由图5可见，榫头宽度相对较小时(200～350mm)，增大榫头宽度可以提高接头抗弯刚度，但榫头宽度相对较大时(400～450mm)，再增大榫头宽度并不一定对提高接头抗弯刚度起到正向作用。

2.1.2η1与接头抗弯刚度的关系

由于抗弯刚度的数量级较大，为了便于分析，更加直观地看到不同工况下抗弯刚度变化，对抗弯刚度取对数，作出不同榫宽与接头高度比η1与lgkθ,2和lgkθ,all关系曲线，见图6和图7，可以看到：

1)轴力≤3000kN作用下，η1对kθ,2影响幅度基本相同，当轴力为4000kN时，影响幅度明显变小，η1对kθ,all的影响变大，变化幅度仅比轴力≤1000kN略小，大于其他轴力工况，说明在较小轴力和较大轴力工况下需要考虑不同榫头占比对承载性能影响，在设计中应该注意这两种轴力工况。

2)在轴力很小时(≤500kN)，kθ,2随着η1先缓慢增大到40%～50%范围再加速减小，该轴力范围内，kθ,all也随着η1先缓慢增大到50%左右再急速下降。

3)轴力>500kN时，kθ,2随着η1增大而减小，减小幅度以50%为界，后半段降速比前半段快，当轴力为4000kN时，kθ,all也表现出该种趋势，轴力<4 000 kN 时，kθ, all随 η1变化趋势与轴力较小时一样，先缓慢增大到 50%左右再急速下降。4) 轴力 1 000～3 000 kN 作用下，kθ, 2和 kθ, all在 η1><50%范围内表现出相反的变化趋势可以看出，该榫 >头占比范围内接头非线性段抗弯承载性能较强，能抵消kθ,2的下降趋势，并将其变成缓慢上升趋势，当η1>50%时，非线性段承载能力弱于η1<50%的承载能力，导致 kθ, all由上升变成下降。可见，小轴力(≤500 kN)作用下适当提高榫头占比(η1><50%)有助于提高全阶段抗弯承载能力；但是在大轴力(4 000 kN)作用下，过大的 η1反而降低承载能力，考虑原因为榫头占比过大、槽壁厚度不够引起所致，此种情况下，榫槽无法提供榫头足够支撑力。2.1.3 η1与接头抗剪能力的关系采用文献[12]注浆式榫槽接头抗剪计算公式作出轴力为 0 工况下，与图 5～7 抗弯模型同尺寸的抗剪能力与 η1关系曲线，如图 8 所示。可以看到：抗剪能力随着 η1 的增大到 55%左右达到最大值，随后随着 η1 的增大而减小。可见，过小的榫头占比不能发挥抗剪键的作用，过大的榫头占比将不能保证足够的槽壁支撑，也降低了抗剪键的抗剪能力。综合 η1对抗弯和抗剪能力的影响，η1取值范围在 40%～70%性能最佳。>＜50%的承载能力，导致kθ,all由上升变成下降。

可见，小轴力(≤500kN)作用下适当提高榫头作用下适当提高榫头占比（η1<50%的承载能力，导致 kθ, all由上升变成下降。可见，小轴力(≤500 kN)作用下适当提高榫头占比(η1><50%)有助于提高全阶段抗弯承载能力；但是在大轴力(4 000 kN)作用下，过大的 η1反而降低承载能力，考虑原因为榫头占比过大、槽壁厚度不够引起所致，此种情况下，榫槽无法提供榫头足够支撑力。2.1.3 η1与接头抗剪能力的关系采用文献[12]注浆式榫槽接头抗剪计算公式作出轴力为 0 工况下，与图 5～7 抗弯模型同尺寸的抗剪能力与 η1关系曲线，如图 8 所示。可以看到：抗剪能力随着 η1 的增大到 55%左右达到最大值，随后随着 η1 的增大而减小。可见，过小的榫头占比不能发挥抗剪键的作用，过大的榫头占比将不能保证足够的槽壁支撑，也降低了抗剪键的抗剪能力。综合 η1对抗弯和抗剪能力的影响，η1取值范围在 40%～70%性能最佳。>＜50%)有助于提高全阶段抗弯承载能力；但是在大轴力(4000kN)作用下，过大的η1反而降低承载能力，考虑原因为榫头占比过大、槽壁厚度不够引起所致，此种情况下，榫槽无法提供榫头足够支撑力。

2.1.3η1与接头抗剪能力的关系

采用文献[12]注浆式榫槽接头抗剪计算公式作出轴力为0工况下，与图5～7抗弯模型同尺寸的抗剪能力与η1关系曲线，如图8所示。可以看到：抗剪能力随着η1的增大到55%左右达到最大值，随后随着η1的增大而减小。可见，过小的榫头占比不能发挥抗剪键的作用，过大的榫头占比将不能保证足够的槽壁支撑，也降低了抗剪键的抗剪能力。综合η1对抗弯和抗剪能力的影响，η1取值范围在40%～70%性能最佳。

2.1.4榫头间距与抗弯刚度的关系图9绘制了基于图3(b)双榫接头模型(仅改变榫头间距T这一变量)不同轴力作用下榫头间距/榫宽与lgkθ,2关系，可以看到不同轴力作用下榫头间距对抗弯刚度影响不大，过大的间距表现相对较弱一些，但是总体而言差别并不大，并且轴力越大，这种差别越不明显(3000kN和4000kN轴力工况下几乎重合)。考虑到双榫接头两榫槽之间亦为榫头，即接头共有榫头侧2个和榫槽侧1个共计3个榫头，为保证3个榫头的受力均匀性，建议间距需尽量接近榫宽。

2.2槽壁榫宽比η2

为讨论各种轴力作用下不同的槽顶壁宽t与榫宽w之比η2对承载性能的影响，基于不同榫宽接头模型作出η2与lgkθ,2和lgkθ,all关系曲线，见图10和图11。

1）kθ,2首先随η2快速增大，到达拐点η2=0.5后，在轴力≤500kN作用下，kθ,2随η2增大而缓慢降低，轴力>500kN条件下，kθ,2随η2增大继续增大，但是增速较η2≤0.5段变缓很多，并且趋于水平。

2)kθ,all随着η2的增大快速增大，到达η2=0.5时达到最大值，随后，除轴力4000kN工况，其余轴力作用下都缓慢减小，并趋于水平，轴力4000kN工况下，kθ,all变化趋势同kθ,2，到达拐点η2=0.5之后继续增大，但是增速明显降低；可见轴力<4 000 kN 时，η2过大会造成后期非线性段承载性能有所降低，考虑原因为榫头宽度降低，凹凸榫在后期承载咬合作用不如榫头宽度相对大一些的接头，这种现象也发生在轴力≤500 kN 作用下线性段的 kθ, 2中。3) 从变化幅度来看，kθ, 2除在 4 000 kN 轴力作用下有所变小，其余轴力工况下几乎不变；对于 kθ, all而言，轴力≤1 000 kN 作用下变化幅度最大，随后随着轴力的增大，变化幅度明显变小，但是在轴力 4 000 kN 作用下变化幅度反而增大，可见在较大的轴力作用下，保证槽壁的宽度可以提高后期非线性段承载性能。因此，保证榫头一定的槽壁榫宽比 η2，即保证榫槽壁的壁厚有助于提高接头的抗弯承载性能，但是无限制加大 η2对承载并不能起到持续正向作用，在外部轴力不够大的情况下，相对壁厚较小的榫宽会因为咬合作用发挥不足导致抗弯能力下降。该现象从图 12 抗剪能力同 η2关系曲线中也可以看出：抗剪能力随 η2 增大，到 0.4 左右后随着 η2增大而减小。综合 η2对抗弯和抗剪能力的影响，建议单个榫头槽壁(槽顶宽度) 与榫宽比 η2取值范围大于 0.4。>＜4000kN时，η2过大会造成后期非线性段承载性能有所降低，考虑原因为榫头宽度降低，凹凸榫在后期承载咬合作用不如榫头宽度相对大一些的接头，这种现象也发生在轴力≤500kN作用下线性段的kθ,2中。

3)从变化幅度来看，kθ,2除在4000kN轴力作用下有所变小，其余轴力工况下几乎不变；对于kθ,all而言，轴力≤1000kN作用下变化幅度最大，随后随着轴力的增大，变化幅度明显变小，但是在轴力4000kN作用下变化幅度反而增大，可见在较大的轴力作用下，保证槽壁的宽度可以提高后期非线性段承载性能。

因此，保证榫头一定的槽壁榫宽比η2，即保证榫槽壁的壁厚有助于提高接头的抗弯承载性能，但是无限制加大η2对承载并不能起到持续正向作用，在外部轴力不够大的情况下，相对壁厚较小的榫宽会因为咬合作用发挥不足导致抗弯能力下降。该现象从图12抗剪能力同η2关系曲线中也可以看出：抗剪能力随η2增大，到0.4左右后随着η2增大而减小。综合η2对抗弯和抗剪能力的影响，建议单个榫头槽壁(槽顶宽度)与榫宽比η2取值范围大于0.4。

2.3榫头倾角α

2.3.1接头弯矩-转角关系

从注浆式榫槽接头抗剪研究结果[12]可以看到，基于抗剪键强度考虑，抗剪键θ的最佳角度在0°～30°。因此本文研究该范围内各种轴力作用下不同的榫头倾角对承载性能的影响。图13展示了不同轴力作用下不同榫头倾角模型接头弯矩-转角关系。

通过图13可以发现：1)不同轴力工况下，加载初始，各种榫头倾角下接头抗弯刚度很大，几乎没有差别。

2)随着加载继续，接头抗弯刚度减小，各种榫头倾角的接头弯矩-转角关系曲线仍然具有一定的重合区域，说明此时几种榫头倾角模型的接头抗弯刚度基本一样，榫头倾角在承载线性阶段对接头抗弯刚度的影响不大。

3)加载弯矩继续增加，不同榫头倾角模型的接头转角增速出现了不一致，此时在小轴力(N≤1000kN)作用下，同一弯矩下不同榫头倾角的接头抗弯刚度排序为90°>80°>76°>70°。随着轴力的增大，倾角对抗弯能力的影响规律发生了改变，90°倾角模型性能表现不再最好，被80°倾角取代。

4)整体来看，随着轴力的增大，榫头倾角对抗弯刚度的影响逐渐变小，在4000kN轴力作用下，4种角度曲线几乎重合，也就是说不同角度模型抗弯刚度基本一致。

2.3.2α与接头抗弯刚度的关系

提取计算结果，作出α与lgkθ,2和lgkθ,all关系曲线分别于图14和图15，可以看到：

1)不同榫头倾角在各种轴力作用下kθ,all的变化幅度大于kθ,2，可见α的改变对接头全生命周期影响较大，也就是说当接头承载进入非线性段，合理的α值能提高承载性能。

2)对于kθ,2，轴力越小其变化幅度越大，轴力500kN时变化幅度最大，轴力1000kN次之，并且在这两种轴力作用下kθ,2随着α的增大而变大，增大幅度在α>76°放缓；当轴力≥1500kN时，kθ,2先随α增大而变大，到达α=80°后，随着α增大而减小，减小段幅度小于增大段幅度，但是当轴力为4000kN时，减小段幅度大于增大段幅度，90°倾角作用下kθ,2小于70°倾角的该值。考虑原因为：当轴力较小时，凹凸榫压紧度较小，倾斜度越大倾斜面越容易发生滑移，导致小轴力作用下承载性能不如较直立的榫头；当轴力变大后，凹凸榫压紧，倾斜面不易滑移，带倾斜度榫头能减轻直角榫头角部应力集中现象，斜线过渡使应力传递路径变长，单点应力值变小，应力分布较直立榫头缓和。

3)对于kθ,all，轴力500kN变化幅度最大，轴力1000kN次之，随着轴力变大其变化幅度减小，并且在这两种轴力作用下，kθ,all随着α的增大而变大，增率在α≥80°变得很小；当轴力≥1500kN，kθ,all同kθ,2变化趋势一样，先随α增大而变大，到α=80°后，随着α增大而减小，减小段幅度小于增大段幅度，并且减小段幅度随着轴力增大而增大，当轴力达到4000kN时，减小段幅度大于增大段幅度，90°倾角作用下kθ,all小于70°倾角的该值。

可见，在合理范围内增大榫头倾角可以在非线性阶段提高接头抗弯刚度，但是随着轴力增大其作用变小，特别是当轴力足够大时，几乎没有差别。当轴力很大时，直角倾角榫头角部轴力方向应力分量增大，应力集中现象更加明显，降低后期承载性能。因此，在装配式地铁车站设计中应综合各种因素选择合适的榫头倾角。按照注浆式榫槽接头剪力算法[12]对上述模型4种角度进行抗剪能力计算，发现接头抗剪承载力都为853kN，可见θ在0°～30°范围都能保证抗剪性能。综合考虑不同轴力作用下不同倾角的接头承载表现，建议注浆式榫槽接头的榫头倾角α取值范围为75°～85°。

2.4榫长榫宽比η3

2.4.1接头弯矩-转角关系

为了消除角度影响，选取图3(a)单榫接头90°榫头倾角模型，仅改变榫头长度这一变量，讨论不同榫头长度对接头性能影响。图16展示不同轴力作用下不同榫头长度的接头弯矩-转角关系。

从图中可以看到：

1)各个轴力工况下，最初弯矩较小，在加载弯矩线性段各种长度模型接头弯矩-转角关系曲线几乎重合，榫头长度在这一阶段几乎没有影响。

2)随着加载继续，不同长度模型在几乎同样位置进入弯曲段，曲线段前期有一定重合区域，随着轴力的增大，重合区域越大。

3)在非线性段，榫长越长对抗弯刚度越有利，轴力越小，榫长的有利作用越明显，500kN轴力下，长度95mm和145mm明显刚度小于其他几种长度。

4)长度大于195mm的3种榫头，抗弯刚度差距不大，并且随着轴力的增大，长度继续增大的有利作用越来越不明显，甚至到4000kN轴力时，在加载末期，345mm榫长抗弯刚度略小于245mm榫长，可见，当榫头相对较长时，增加榫头长度对提高接头抗弯刚度作用不大。

5)当榫长较小时，加载后期同一弯矩作用下转角较大，随轴力增大，差距相对变小，但是95mm和145mm榫头相较其他仍略大。

2.4.2η3与接头抗弯刚度的关系

下面讨论各种轴力作用下不同的槽长l与榫宽w之比η3对承载性能的影响，作出η3与lgkθ,2和lgkθ,all关系曲线，见图17和图18，可以看到：

1)随着η3的增大，两种lgkθ都缓慢增大，其中lgkθ,2在η3=0.5出现突变，整体曲线呈缓慢上升趋势，但是上升幅度越来越小。

2)lgkθ,all表现出同样缓慢上升趋势，上升斜率越来越小，在轴力4000kN作用下，在η3=0.5处lgkθ,2曲线上出现同样突变。对于lgkθ,2曲线上η3=0.5的突变，在lgkθ,all曲线上随着轴力的增大表现出斜率变缓，直到出现阶段极大值。

3)lgkθ,2的变化幅度整体远小于lgkθ,all，随着轴力的增大，两种lgkθ曲线变化幅度变小，lgkθ,all更加明显，当轴力到达4000kN，两种lgkθ曲线图幅大小一致，可见，对非线性段影响较线性段大，较长的榫头在承载末期能提供更多的承载能力。

总之，较大的榫长榫宽比η3能适当提高承载能力，但是如果η3过大，接头将承担长榫头和长榫槽壁的弯曲作用，造成榫头底部和榫槽底部上方出现应力集中现象(见图19)，而太小的η3承载能力不足。按照榫槽注浆式接头剪力算法对剔除其他变量因素的90°榫头倾角模型不同榫长进行抗剪能力计算，发现接头剪力均为853kN。另外，从注浆式榫槽接头长短榫(榫头长度95mm和195mm)试验结果[7]来看，短接头的凹凸榫嵌固作用弱，对接头抗弯不能起到主要作用，接头抵抗矩[13]之后发展迅速，鉴于短接头构件拼装方便，此种接头可以用在弯矩较小的接头部位，如车站的纵向构件。因此，综合考虑抗弯刚度和应力分布情况，建议将接头分长榫和短榫考虑η3取值。

2.5内缩率η4

2.5.1接头弯矩-转角关系

图20绘制了基于图3(a)模型(仅改变榫头内缩长度i这一变量)不同轴力作用下不同榫头内缩的接头弯矩-转角关系，可以看到：

1)各个轴力工况下，最初弯矩较小，在加载线性段各种内缩长度模型接头弯矩-转角关系曲线几乎重合，榫头内缩长度在这一阶段几乎没有影响。

2)随着加载继续，不同内缩长度模型在几乎同样位置进入弯曲段，曲线段前期有一定重合区域，随着轴力的增大，重合区域也增大。

3)各种轴力工况下，从非线性曲线段可以看到，内缩长度0时的工况抗弯刚度小于其他3种工况，可见，榫槽对榫头侧面的包裹(内缩≠0)增大了榫头侧面与榫槽的摩擦，对承载起到积极作用，但是这种作用在小轴力作用下比较明显，随着轴力增大，抗弯刚度差距缩小，在4000kN轴力作用下几乎没有差距。

4)内缩长度并非越长越好，在500kN和1000kN轴力作用下，抗弯能力150mm＞200mm＞250mm，500kN的内缩长度比1000kN明显。5)150mm模型始终表现出最好的抗弯能力，在轴力小于3000kN时更加明显，轴力≥3000kN时，内缩长度差距影响不大。

2.5.2η4与接头抗弯刚度的关系

提取不同榫头内缩长度的计算结果，绘制不同轴力作用下内缩率η4与lgkθ,2和lgkθ,all关系曲线，见图21和图22，可以看到：

1)总体来看，不同内缩率对kθ,2影响较小，相对其他内缩率η4为30%时的kθ,2较大，当轴力≥3000kN时，曲线近乎于一条水平线。

2)不同内缩率对kθ,all作用明显，除轴力2500kN作用，从其余工况可以明显看到η4=30%时kθ,all最大，当轴力2500kN时，η4为30%时的kθ,all值也相对较大，仅比η4=40%略小；随着轴力的增大，kθ,all的变化幅度明显变小，当轴力为4000kN时，曲线趋平。

3)有内缩(η4≠0)比无内缩(η4=0)的kθ,all大，随着η4(≠0)的增大，kθ变大，基本上到达η4=30%峰值后，再缓慢降低。

4)内缩率相对于其他几何构造因子影响较小，特别是在线性阶段，几乎可以忽略。

2.5.3η4与接头抗剪能力的关系

下面从剪力角度讨论内缩率对接头性能影响，图23展示了图3(c)所示不同轴力工况不同榫头内缩接头四点剪切作用下η4与接缝相对变形量的关系。可以看到，接缝相对变形随着内缩率的增大而增大，内缩率在30%之前增长较缓，之后增速变大。

适当的榫头内缩长度，让榫槽更充分地在侧面对榫头进行包裹，有利于提高抗弯性能，特别是当轴力较小时。榫头内缩长度并非越大越好，内缩长度过大不利于接头抗剪，30%左右的内缩率是小轴力下一个较好的选择。

3构造参数确定和设计步骤

总结第2章接头关键构造参数对接头性能的讨论，在基于等强度、安全性、合理分配3大原则基础上，提出一套接头构造设计步骤，如图24所示。

具体作法如下：

1)首先通过凹凸榫咬合区域占比确定凹凸榫咬合区域宽度。对于单榫接头，建议榫宽w与截面高度H的比值宜大于0.28；对于双榫或多榫接头，建议总榫宽w(即w1+w2+……+wi)与截面高度H的比值宜大于0.4，另外建议各榫头之间的净距宜为0.5～1.5倍单个榫宽w。

2)通过槽壁厚度t与榫宽w比值，结合接头尺寸和步骤1)，最终确定是单榫还是多榫以及确定w和t的取值，建议槽壁厚度t与榫宽w比值不宜小于0.4。

3)选择榫头倾角α，建议α宜为75°～85°。

4)通过榫长l与榫宽w的比值确定榫长。建议单榫长接头榫长l与榫宽w的比值宜为0.5～0.8；单榫短接头榫长l与榫宽w的比值宜为0.2～0.5；环向接头宜选用长接头，短接头可用于环间。

5)选取合适的榫头内缩率，建议内缩率宜为20%～50%，当两端i不同时，2i取两端i之和。

4结论

本文以前期接头综合性能试验、理论和数值研究成果为基础，对接头构造从榫头占比率η1、槽壁榫宽比η2、榫头倾角α、榫长榫宽比η3、内缩率η4几个控制要素出发进行了关键构造参数影响及设计要求研究，综合各个构造控制因素对接头抗弯和抗剪能力的影响，并考虑到制造的便捷性，定位的准确性，提出了一套接头构造设计要求，并给出了详细使用法则。得到主要结论如下：

1)单榫η1取值宜大于0.28，双榫及多榫η1取值宜大于0.4；

2)单个榫头η2取值宜大于0.4；

3)α宜为75°～85°；

4)长榫头η3取值宜为0.5～0.8，短榫头η3取值宜为0.2～0.5；

5)η4取值宜为20%～50%。

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