型钢柱-梁节点钢筋排布优化设计及有限元分析

李一玮，陈云瑞，孙凤英，贾新聪，程远兵

(1.郑州市工程质量监督站，河南 郑州 450045； 2.华北水利水电大学土木与交通学院，河南 郑州 450045；3.中建七局(上海)有限公司，上海 201800； 4.中建七局第四建筑有限公司，陕西 西安 710000)

0 引言

劲性高强度混凝土剪力墙与混凝土梁节点施工始终为工程中的一项难题。有专家为解决型钢混凝土与钢结构连接节点设计问题，对型钢柱与混凝土梁常用各种节点连接类型进行分析。混凝土梁与型钢柱常用的节点连接方式主要有弯锚连接、预制钢筋搭接板焊接、预制钢筋接驳器机械连接、预制短钢筋机械连接、预制钢筋穿孔。但剪力墙边缘构件空间较小，若采用弯锚连接、预制钢筋搭接板焊接、预制钢筋接驳器机械连接、预制短钢筋机械连接等方式，剪力墙边缘构件空间尺寸不满足要求。采用预制钢筋穿孔节点连接方式，则H型钢柱截面尺寸不满足规范中规定的钢筋间距要求。杜米广[1]认为型钢混凝土柱施工难点在于梁柱节点核心区钢骨与框架梁纵向受力钢筋连接。由于剪力墙为一种薄壁结构，边缘构件空间较小，且型钢柱紧邻边缘构件端部多根排布在一起，这一难点更为突出。杜米广结合工程实例，通过对不同受力、不同连接方式节点进行对比，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。孙芃等[2]认为腹板开孔贯通式节点形式施工方便快捷，梁纵向钢筋无需断开，保证了梁纵向钢筋贯通与锚固，但由于采用这种方法对型钢板进行开孔时，对母材截面强度有一定削弱作用，需考虑补强措施。

本研究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，减少了在型钢上的穿孔，并利用ABAQUS有限元软件建立有限元模型，对优化前后节点进行建模、加载和分析，验证方案可行性。

1 工程概况

以郑州市金水区司家庄城中村改造项目为依托，项目2-1号楼为超高层剪力墙结构。主楼地下2层至9层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配筋率高，钢筋直径大。原设计方案为将梁钢筋直接穿过型钢，但此方法会削弱钢柱截面，且截面损失过大不满足承载力要求时需进行补强，要求补强板厚度不小于柱壁厚度一半，并在柱壁正、反面进行补强，导致型钢预制和现场焊接难度大，施工困难。

2 优化方案

为解决施工难题，在预制穿孔基础上，调整和优化混凝土梁钢筋排布方式，并配合使用锚固板，达到既能使混凝土梁钢筋锚入节点，又能减少型钢穿孔的目的。优化原理为：按代换前后钢筋承载力相等原则进行强度代换，代换时计算如式(1)所示。

As2fy2≥As1fy1

或n2d22fy2≥n1d12fy1

(1)

式中：As2，As1分别为代换后及代换前钢筋截面面积；fy2，fy1分别为代换后及代换前钢筋抗拉强度设计值；n2，n1分别为代换后及代换前钢筋根数；d2，d1分别为代换后及代换前钢筋直径。

当钢筋级别相同但直径不同时，可按等面积原则代换。优化方案具体做法为：首先通过钢筋代换，将型钢柱宽度范围内的梁钢筋直径增大或减小1个型号后放置于下一排，并从型钢柱与边缘构件竖向钢筋间隙穿过，在原位置放置构造架立筋。通过调整钢筋排布方式后仍有部分混凝土梁钢筋无法贯穿节点时，此部分梁钢筋通过在型钢柱上钻孔穿过，并对型钢柱钻孔部位按要求进行补强。通过钻孔穿过的混凝土梁钢筋在末端通过直螺纹连接锚固板，此时梁钢筋锚固长度>0.4labE即可。由于梁配筋与型钢柱相对位置不同，因此，该项目共有4种型钢柱-梁节点，针对这4种节点，均进行配筋调整优化。

1)配筋类型1

原方案H型钢柱的竖向几何中心线与混凝土梁竖向几何中心线重合，混凝土梁上、下各配置3根贯通钢筋，如图1a所示，调整后方案如图1b所示。

图1 配筋类型1钢筋排布

2)配筋类型2

原方案H型钢柱竖向几何中心线与混凝土梁竖向几何中心线重合，混凝土梁上、下各配置4根贯通钢筋，如图2a所示，调整后方案如图2b所示。

图2 配筋类型2钢筋排布

3)配筋类型3

原方案H型钢柱竖向几何中心线与混凝土梁竖向几何中心线重合，混凝土梁上、下各配置5根贯通钢筋，如图3a所示，调整后方案如图3b所示。

图3 配筋类型3钢筋排布

4)配筋类型4

原方案H型钢柱竖向几何中心线与混凝土梁竖向几何中心线存在较大偏移，混凝土梁上、下各配置3根贯通钢筋，如图4a所示，调整后方案如图4b所示。

图4 配筋类型4钢筋排布

本调整方案虽然未减少钻孔数量，但由于原方案中2个钻孔位置靠近型钢边缘，锚固板无法安装，因而难以实施，调整后方案中4个钻孔位置均靠近型钢中心线，便于钢筋绑扎和锚固操作。

型钢柱上钻孔方案如图5所示。根据混凝土梁钢筋直径在型钢柱腹板或翼板上钻孔，并在钻孔位置焊接补强板。因型钢柱多为并排放置，为减少在型钢柱上的开孔数量，减少钢筋锚固长度，需在钢筋端头通过直螺纹拧上锚固板，此时直锚长度满足0.4labE即可。4种节点优化前后的详细配筋如表1所示，钢筋等级为HRB400，型钢为Q345B钢，尺寸如图6所示。改进后钢筋连接处节点细部如图7所示(以配筋类型1为例)。

图5 钻孔类型

表1 各节点配筋

图6 GGZ2型钢截面尺寸

图7 改进后节点细部(配筋类型1)

3 ABAQUS模型建立

3.1 材料本构关系及参数设置

根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》[3]确定混凝土和钢筋本构模型。

本研究中，剪力墙混凝土强度等级为C60，梁混凝土强度等级为C30，混凝土材料参数如表2所示。采用HRB400钢筋，Q345B型钢，材料参数如表3所示。

表2 混凝土材料参数

表3 钢筋及型钢材料参数

3.2 单元类型选取及接触关系

为计算方便，混凝土单元和型钢单元采用六面体八结点线性减缩积分单元C3D8R，剪力墙钢筋和梁钢筋采用三维两结点线性桁架单元T3D2[4]。由于型钢表面与梁钢筋连接部分设有锚固板，因此，使用Tie绑定约束指令连接型钢和梁钢筋，能较好地保证型钢和梁钢筋之间的协同工作。再以内置区域方式设置约束，将型钢及钢筋嵌入混凝土内，并假设混凝土与型钢间位移完全协调，这样既简化了模型，提高了效率，又符合工程实际情况[5]。

3.3 边界条件及荷载

模型中剪力墙底部及梁远端均采用固定约束，再以边界条件形式将梁上荷载设计值以压强方式施加于梁上，其中梁上荷载为板上荷载(恒荷载和活荷载)+梁自重。设计静力荷载工况下的最不利荷载组合为：1.35×3.5(kN/m2)×恒荷载区域面积(m2)+1.4×1.3(kN/m2)×活荷载区域面积(m2)+梁自重(kN)。

4 计算结果与分析

4种节点调整后，在最不利荷载工况下，钢骨节点处梁钢筋应力云图如图8所示。通过ABAQUS可视化功能的查询功能查询钢筋骨架最大应力处应力值，得到调整前后梁钢筋最大应力对比结果如表4所示。

图8 4种节点调整后梁钢筋应力云图(单位：MPa)

表4 4种节点调整前后梁钢筋最大应力计算结果

由计算结果可知，配筋类型1，4优化方案会使节点处梁钢筋最大应力略微升高，分别增大0.165%，1.051%，不影响结构设计承载力；配筋类型2，3的调整方案使节点处梁钢筋最大应力有所降低，将更有利于结构安全。

4种配筋类型节点在设计荷载工况下仍能正常工作，只是在梁与剪力墙连接处有应力集中，但梁钢筋最大应力仍满足设计要求，且减少了型钢钻孔，降低了型钢预制及现场焊接难度，满足调整配筋的预期目标。

5 结语

1)通过钢筋代换，将型钢柱宽度范围内的混凝土梁钢筋直径增大或减小1个型号后，从型钢柱与边缘构件竖向钢筋间隙穿过，并在原位置放置构造架立筋的做法可有效解决梁钢筋难以锚入型钢柱中的问题，且几乎不对梁钢筋工作产生影响。

2)无法避开仍需通过在型钢柱上钻孔穿过的纵向受力钢筋，通过直螺纹拧上锚固板后，直锚长度满足0.4labE时即可满足锚固要求。