型钢类型对型钢柱-梁节点受力性能的影响

陈云瑞 程远兵

华北水利水电大学土木与交通学院 河南 郑州 450045

型钢高强混凝土剪力墙型钢柱-梁节点的施工是工程中的一个难点，针对这一难点，国内外很多学者提出了许多不同的解决方案。梁威[1]针对SRC柱-RC梁节点中梁钢筋不可避免地与型钢翼缘碰撞的问题，提出了2种处理方法：一是钢筋与翼缘焊接；二是翼缘开孔，钢筋穿过翼缘。针对第2种方法提出了一种新型节点构造，即带暗牛腿的角钢补强形式，并对它的计算做了说明。杜米广[2]认为剪力墙结构中型钢柱-梁节点施工的主要难点在于连梁纵向受力钢筋与梁柱节点核心区钢骨的连接，由于剪力墙一般较薄，边缘构件的截面尺寸较小，且型钢柱紧邻边缘构件端部并与多根钢筋排布在一起，使这一难点更为突出。杜米广[2]结合工程实例，通过对不同受力、不同连接方式的节点进行对比，认为在结构复杂、钢筋布置密集的型钢混凝土柱中，使用套筒连接方式为主、腹板打孔和牛腿焊接为辅的组合工艺最为适用。相景深[3]研究的外肋板式钢板混凝土组合剪力墙与钢连梁节点省去了墙体的端柱，连梁直接与剪力墙相连，构造简单合理，施工快捷，为确定这种节点的抗震性能，设计了4个足尺的外肋板式钢板混凝土组合剪力墙与钢梁节点试件，并进行了低周反复试验。孙芃等[4]分析了加腋绕开式、钢筋连接套筒式、承重销牛腿式等6种梁主筋与型钢柱连接节点，认为没有任何一种节点可以适用所有部位、工况和构造细部的要求。因此在实际工程中选择节点做法时，应从型钢截面形式、施工效率、经济成本等方面综合考虑。

本文提出了一种优化方案，在解决梁钢筋难以锚入剪力墙问题的同时，避免了在型钢上穿孔，并利用Abaqus有限元软件建立有限元模型对优化前后的节点进行建模、加载和分析，并验证方案的可行性。

1 工程概况及优化方案

1.1 工程概况

郑州市某城中村改造项目为剪力墙结构的超高层建筑，其中主楼的地下2层至地上9层范围内的部分剪力墙边缘构件中设计有不规则矩阵式排列的型钢柱，且剪力墙和混凝土梁的配筋率高，钢筋直径大，原设计方案中边缘构件内型钢为H型钢，需要在型钢上钻孔才能与梁钢筋锚固，而钻孔会削弱钢柱截面，当钻孔过多或过大时需要使用锚固板对型钢进行面积补强，导致型钢制作和现场焊接难度较大，施工困难。

1.2 优化方案

为解决上述施工难题，本研究通过等强度代换原则将H型钢更换为相同截面面积的双槽钢或格构柱，代换计算公式如下[5]：

式中：As2、As1——代换后及代换前型钢截面面积；

fy2、fy1——代换后及代换前型钢抗拉强度设计值。

H型钢和代换后的2种型钢的截面尺寸如图1～图3所示。将截面代换后的型钢柱以缀板连接后，替换原H型钢柱位置，再将型钢柱宽度范围内的梁钢筋从型钢柱与缀板的间隙穿过，型钢柱宽度范围外的梁钢筋从型钢柱与边缘构件竖向钢筋的间隙穿过。双槽钢和格构柱截面分别在1个方向或2个方向上有足够的空间满足钢筋穿过，达到了既能避免在型钢上钻孔，又能使梁钢筋锚入节点的目的。但是型钢构造的变化对剪力墙性能的影响需通过有限元软件进行分析研究。

图1 H型钢截面

图2 双槽钢截面

图3 格构柱截面

2 Abaqus模型的建立

2.1 材料的本构关系及参数设置

Abaqus中的混凝土损伤塑性模型通过引入受拉与受压损伤变量对混凝土卸载刚度进行模拟，其不仅可用于模拟单向加载，也适合模拟循环荷载下混凝土的反应，本研究选取该模型作为混凝土的本构模型[6]。钢筋、H型钢、双槽钢、格构柱和型钢缀板等钢材的本构关系都采用理想弹塑性模型，即两折线模型，不考虑钢材屈服后的硬化阶段。剪力墙的混凝土强度等级为C60，混凝土材料的参数取值为：密度2.5×10-9g/mm3，弹性模量3.65×104N/mm2，泊松比0.2。型钢标号为Q345B，钢筋标号为HRB400，钢材具体参数见表1。

表1 钢筋及型钢材料参数

2.2 模型的建立

钢筋混凝土结构的有限元模型通常有分离式模型、整体式模型和组合式模型这3种，由于钢筋混凝土结构是由混凝土和钢筋2种材料组成，而钢筋通常都被包裹在混凝土结构中且相对体积较小，为更贴合工程实际，本文选择把混凝土和钢筋当作2种不同单元来处理的分离式模型建立剪力墙模型。这种模型把混凝土、型钢和钢筋各自划分为相互之间没有关联的单元，并将不同构件的刚度矩阵分开求解，相比于其他2种模型，这种模型的优点是可按工程实际配置钢筋和型钢。

墙肢厚度为300 mm，墙肢高度为2 100 mm，为方便试件的固定及加载，在墙肢两端设计了固定梁及加载梁，梁上配置了足够的钢筋，防止加载梁先于试件被破坏。按照图4尺寸及配筋建立足尺混凝土模型，模型从上自下依次为加载梁、剪力墙和底座梁。型钢高度取3 000 mm，贯通加载梁、剪力墙和底座梁，其中加载梁和底座梁的混凝土保护层厚度为25 mm，剪力墙保护层厚度为20 mm，3种方案剪力墙型钢处的横截面如图5所示。

图4 模型混凝土结构尺寸及配筋

由图5可以看出，优化方案中的梁钢筋可以顺利地锚入剪力墙中〔图5（b）、图5（c）〕，从而避免了梁钢筋在型钢上穿孔〔图5（a）〕，既不影响型钢截面完整性，又降低了施工难度。

图5 3种方案型钢处横截面示意

2.3 单元类型的选取及接触关系

型钢单元和混凝土单元（剪力墙、底座梁和加载梁）均选用六面体八节点线性减缩积分单元C3D8R，该单元的位移计算结果比较精确，计算用时更短，并能很好地适用于网格细化，梁钢筋和剪力墙钢筋采用三维两结点线性桁架单元T3D2，该单元有2个节点，每个节点有3个自由度。

为方便建模，钢筋网忽略纵横钢筋之间的偏移，而是将梁钢筋和剪力墙钢筋分别合并，合并后将加载梁、剪力墙、底座梁钢筋网分别视为一个整体，双槽钢与格构柱中的缀板使用Tie命令与钢骨主体连接。再以内置区域的方式设置约束，将型钢和钢筋嵌入混凝土内。由于型钢和钢筋与混凝土界面之间的滑移量较小，因此本模型中将不考虑型钢与混凝土之间的相对滑移，并假设混凝土与型钢和钢筋之间的位移完全协调，这样既简化了模型，提高了效率，又符合工程实际情况[7]。

2.4 边界条件和荷载

在Abaqus程序中，加载方式主要有2种，一种是力加载方式，将荷载以集中力或压强方式施加在模型上；另一种是位移加载方式，将位移直接输出在加载点上。由于使用力加载方式时，试件达到极限条件时会导致刚度减小，从而导致计算难以收敛，因此选用计算时更容易收敛的位移加载，以位移方式在加载梁轴向施加荷载，加载制度如图6所示，幅值Δy为10 mm。模型底座梁底部采用固定约束，在边界条件设置时，令U1=U3=UR2=0。

图6 加载制度示意

3 计算结果与分析

经过计算，3种型钢构造方案中钢骨的应力云图如图7所示。

图7 型钢应力云图

通过Abaqus可视化子菜单下的查询功能，查询3种型钢的最大应力值发现：H型钢方案中的型钢最大应力为112 MPa，双槽钢方案中的型钢最大应力为119.5 MPa，相对于H型钢方案增大了6.696%，格构柱方案的最大应力为123.2 MPa，相对于H型钢方案增大了10%。

可以发现，H型钢方案是受力状态最好的方案，但是梁钢筋需钻孔穿过型钢，施工烦琐；双槽钢方案中型钢应力略微增大，但仍小于屈服应力，处于弹性工作状态，且可以在1个方向上自由锚入梁钢筋，施工方便；格构柱方案中的型钢最大应力是3个方案中最大的，但也处于弹性工作状态，本方案可以在2个方向上自由锚入梁钢筋。

4 结语

1）本文通过型钢的等截面代换，将剪力墙中H型钢替换为双槽钢及格构柱的优化方案能有效地解决梁钢筋难以锚入型钢柱-梁节点的问题，这2种方案中的双槽钢方案适合于1个方向上有梁钢筋锚入的情况，并有利于混凝土的浇捣；格构柱方案适用于2个方向上有梁钢筋锚入的情况。

2）相同荷载条件下，2种优化方案中双槽钢方案的型钢最大应力较小，受力性能更好，虽然略差于原设计方案中的H型钢，但是最大应力仍小于钢骨屈服应力，不影响结构的安全性能。双槽钢方案可以在1个方向上自由锚入梁钢筋，适用于大多数情况的剪力墙，因此首选双槽钢方案来解决型钢柱-梁节点的施工难题。