型鋼類型對型鋼柱-梁節(jié)點受力性能的影響

陳云瑞 程遠(yuǎn)兵

華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院 河南 鄭州 450045

型鋼高強混凝土剪力墻型鋼柱-梁節(jié)點的施工是工程中的一個難點，針對這一難點，國內(nèi)外很多學(xué)者提出了許多不同的解決方案。梁威[1]針對SRC柱-RC梁節(jié)點中梁鋼筋不可避免地與型鋼翼緣碰撞的問題，提出了2種處理方法：一是鋼筋與翼緣焊接；二是翼緣開孔，鋼筋穿過翼緣。針對第2種方法提出了一種新型節(jié)點構(gòu)造，即帶暗牛腿的角鋼補強形式，并對它的計算做了說明。杜米廣[2]認(rèn)為剪力墻結(jié)構(gòu)中型鋼柱-梁節(jié)點施工的主要難點在于連梁縱向受力鋼筋與梁柱節(jié)點核心區(qū)鋼骨的連接，由于剪力墻一般較薄，邊緣構(gòu)件的截面尺寸較小，且型鋼柱緊鄰邊緣構(gòu)件端部并與多根鋼筋排布在一起，使這一難點更為突出。杜米廣[2]結(jié)合工程實例，通過對不同受力、不同連接方式的節(jié)點進(jìn)行對比，認(rèn)為在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、鋼筋布置密集的型鋼混凝土柱中，使用套筒連接方式為主、腹板打孔和牛腿焊接為輔的組合工藝最為適用。相景深[3]研究的外肋板式鋼板混凝土組合剪力墻與鋼連梁節(jié)點省去了墻體的端柱，連梁直接與剪力墻相連，構(gòu)造簡單合理，施工快捷，為確定這種節(jié)點的抗震性能，設(shè)計了4個足尺的外肋板式鋼板混凝土組合剪力墻與鋼梁節(jié)點試件，并進(jìn)行了低周反復(fù)試驗。孫芃等[4]分析了加腋繞開式、鋼筋連接套筒式、承重銷牛腿式等6種梁主筋與型鋼柱連接節(jié)點，認(rèn)為沒有任何一種節(jié)點可以適用所有部位、工況和構(gòu)造細(xì)部的要求。因此在實際工程中選擇節(jié)點做法時，應(yīng)從型鋼截面形式、施工效率、經(jīng)濟成本等方面綜合考慮。

本文提出了一種優(yōu)化方案，在解決梁鋼筋難以錨入剪力墻問題的同時，避免了在型鋼上穿孔，并利用Abaqus有限元軟件建立有限元模型對優(yōu)化前后的節(jié)點進(jìn)行建模、加載和分析，并驗證方案的可行性。

1 工程概況及優(yōu)化方案

1.1 工程概況

鄭州市某城中村改造項目為剪力墻結(jié)構(gòu)的超高層建筑，其中主樓的地下2層至地上9層范圍內(nèi)的部分剪力墻邊緣構(gòu)件中設(shè)計有不規(guī)則矩陣式排列的型鋼柱，且剪力墻和混凝土梁的配筋率高，鋼筋直徑大，原設(shè)計方案中邊緣構(gòu)件內(nèi)型鋼為H型鋼，需要在型鋼上鉆孔才能與梁鋼筋錨固，而鉆孔會削弱鋼柱截面，當(dāng)鉆孔過多或過大時需要使用錨固板對型鋼進(jìn)行面積補強，導(dǎo)致型鋼制作和現(xiàn)場焊接難度較大，施工困難。

1.2 優(yōu)化方案

為解決上述施工難題，本研究通過等強度代換原則將H型鋼更換為相同截面面積的雙槽鋼或格構(gòu)柱，代換計算公式如下[5]：

式中：As2、As1——代換后及代換前型鋼截面面積；

fy2、fy1——代換后及代換前型鋼抗拉強度設(shè)計值。

H型鋼和代換后的2種型鋼的截面尺寸如圖1～圖3所示。將截面代換后的型鋼柱以綴板連接后，替換原H型鋼柱位置，再將型鋼柱寬度范圍內(nèi)的梁鋼筋從型鋼柱與綴板的間隙穿過，型鋼柱寬度范圍外的梁鋼筋從型鋼柱與邊緣構(gòu)件豎向鋼筋的間隙穿過。雙槽鋼和格構(gòu)柱截面分別在1個方向或2個方向上有足夠的空間滿足鋼筋穿過，達(dá)到了既能避免在型鋼上鉆孔，又能使梁鋼筋錨入節(jié)點的目的。但是型鋼構(gòu)造的變化對剪力墻性能的影響需通過有限元軟件進(jìn)行分析研究。

圖1 H型鋼截面

圖2 雙槽鋼截面

圖3 格構(gòu)柱截面

2 Abaqus模型的建立

2.1 材料的本構(gòu)關(guān)系及參數(shù)設(shè)置

Abaqus中的混凝土損傷塑性模型通過引入受拉與受壓損傷變量對混凝土卸載剛度進(jìn)行模擬，其不僅可用于模擬單向加載，也適合模擬循環(huán)荷載下混凝土的反應(yīng)，本研究選取該模型作為混凝土的本構(gòu)模型[6]。鋼筋、H型鋼、雙槽鋼、格構(gòu)柱和型鋼綴板等鋼材的本構(gòu)關(guān)系都采用理想彈塑性模型，即兩折線模型，不考慮鋼材屈服后的硬化階段。剪力墻的混凝土強度等級為C60，混凝土材料的參數(shù)取值為：密度2.5×10-9g/mm3，彈性模量3.65×104N/mm2，泊松比0.2。型鋼標(biāo)號為Q345B，鋼筋標(biāo)號為HRB400，鋼材具體參數(shù)見表1。

表1 鋼筋及型鋼材料參數(shù)

2.2 模型的建立

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的有限元模型通常有分離式模型、整體式模型和組合式模型這3種，由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是由混凝土和鋼筋2種材料組成，而鋼筋通常都被包裹在混凝土結(jié)構(gòu)中且相對體積較小，為更貼合工程實際，本文選擇把混凝土和鋼筋當(dāng)作2種不同單元來處理的分離式模型建立剪力墻模型。這種模型把混凝土、型鋼和鋼筋各自劃分為相互之間沒有關(guān)聯(lián)的單元，并將不同構(gòu)件的剛度矩陣分開求解，相比于其他2種模型，這種模型的優(yōu)點是可按工程實際配置鋼筋和型鋼。

墻肢厚度為300 mm，墻肢高度為2 100 mm，為方便試件的固定及加載，在墻肢兩端設(shè)計了固定梁及加載梁，梁上配置了足夠的鋼筋，防止加載梁先于試件被破壞。按照圖4尺寸及配筋建立足尺混凝土模型，模型從上自下依次為加載梁、剪力墻和底座梁。型鋼高度取3 000 mm，貫通加載梁、剪力墻和底座梁，其中加載梁和底座梁的混凝土保護層厚度為25 mm，剪力墻保護層厚度為20 mm，3種方案剪力墻型鋼處的橫截面如圖5所示。

圖4 模型混凝土結(jié)構(gòu)尺寸及配筋

由圖5可以看出，優(yōu)化方案中的梁鋼筋可以順利地錨入剪力墻中〔圖5（b）、圖5（c）〕，從而避免了梁鋼筋在型鋼上穿孔〔圖5（a）〕，既不影響型鋼截面完整性，又降低了施工難度。

圖5 3種方案型鋼處橫截面示意

2.3 單元類型的選取及接觸關(guān)系

型鋼單元和混凝土單元（剪力墻、底座梁和加載梁）均選用六面體八節(jié)點線性減縮積分單元C3D8R，該單元的位移計算結(jié)果比較精確，計算用時更短，并能很好地適用于網(wǎng)格細(xì)化，梁鋼筋和剪力墻鋼筋采用三維兩結(jié)點線性桁架單元T3D2，該單元有2個節(jié)點，每個節(jié)點有3個自由度。

為方便建模，鋼筋網(wǎng)忽略縱橫鋼筋之間的偏移，而是將梁鋼筋和剪力墻鋼筋分別合并，合并后將加載梁、剪力墻、底座梁鋼筋網(wǎng)分別視為一個整體，雙槽鋼與格構(gòu)柱中的綴板使用Tie命令與鋼骨主體連接。再以內(nèi)置區(qū)域的方式設(shè)置約束，將型鋼和鋼筋嵌入混凝土內(nèi)。由于型鋼和鋼筋與混凝土界面之間的滑移量較小，因此本模型中將不考慮型鋼與混凝土之間的相對滑移，并假設(shè)混凝土與型鋼和鋼筋之間的位移完全協(xié)調(diào)，這樣既簡化了模型，提高了效率，又符合工程實際情況[7]。

2.4 邊界條件和荷載

在Abaqus程序中，加載方式主要有2種，一種是力加載方式，將荷載以集中力或壓強方式施加在模型上；另一種是位移加載方式，將位移直接輸出在加載點上。由于使用力加載方式時，試件達(dá)到極限條件時會導(dǎo)致剛度減小，從而導(dǎo)致計算難以收斂，因此選用計算時更容易收斂的位移加載，以位移方式在加載梁軸向施加荷載，加載制度如圖6所示，幅值Δy為10 mm。模型底座梁底部采用固定約束，在邊界條件設(shè)置時，令U1=U3=UR2=0。

圖6 加載制度示意

3 計算結(jié)果與分析

經(jīng)過計算，3種型鋼構(gòu)造方案中鋼骨的應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖7 型鋼應(yīng)力云圖

通過Abaqus可視化子菜單下的查詢功能，查詢3種型鋼的最大應(yīng)力值發(fā)現(xiàn)：H型鋼方案中的型鋼最大應(yīng)力為112 MPa，雙槽鋼方案中的型鋼最大應(yīng)力為119.5 MPa，相對于H型鋼方案增大了6.696%，格構(gòu)柱方案的最大應(yīng)力為123.2 MPa，相對于H型鋼方案增大了10%。

可以發(fā)現(xiàn)，H型鋼方案是受力狀態(tài)最好的方案，但是梁鋼筋需鉆孔穿過型鋼，施工煩瑣；雙槽鋼方案中型鋼應(yīng)力略微增大，但仍小于屈服應(yīng)力，處于彈性工作狀態(tài)，且可以在1個方向上自由錨入梁鋼筋，施工方便；格構(gòu)柱方案中的型鋼最大應(yīng)力是3個方案中最大的，但也處于彈性工作狀態(tài)，本方案可以在2個方向上自由錨入梁鋼筋。

4 結(jié)語

1）本文通過型鋼的等截面代換，將剪力墻中H型鋼替換為雙槽鋼及格構(gòu)柱的優(yōu)化方案能有效地解決梁鋼筋難以錨入型鋼柱-梁節(jié)點的問題，這2種方案中的雙槽鋼方案適合于1個方向上有梁鋼筋錨入的情況，并有利于混凝土的澆搗；格構(gòu)柱方案適用于2個方向上有梁鋼筋錨入的情況。

2）相同荷載條件下，2種優(yōu)化方案中雙槽鋼方案的型鋼最大應(yīng)力較小，受力性能更好，雖然略差于原設(shè)計方案中的H型鋼，但是最大應(yīng)力仍小于鋼骨屈服應(yīng)力，不影響結(jié)構(gòu)的安全性能。雙槽鋼方案可以在1個方向上自由錨入梁鋼筋，適用于大多數(shù)情況的剪力墻，因此首選雙槽鋼方案來解決型鋼柱-梁節(jié)點的施工難題。