中铁城建集团北京工程有限公司
概括
钢混结构具有承载力高、抗震性能好、裂缝可控等优点，近年来在建筑结构中得到了广泛的研究和应用。但目前钢混结构存在钢筋可能穿透内层钢筋，削弱钢筋承载力，且施工工序复杂的问题。银川绿地中心是宁夏回族自治区第一高楼，项目中两座塔楼均采用框架-核心筒混合结构体系，外框架由H型钢梁和钢混柱组成。钢混梁柱节点处有大量箍筋需穿透钢筋，施工困难。根据工程实际情况，针对存在的施工问题，提出一种新的箍筋加固节点施工方法。
在此背景下，基于两种型式的钢-混凝土梁柱节点试验钢结构设计规范附录32，利用ABAQUS平台建立了箍筋穿透节点和箍筋加固节点的柱节点模型。在对数值模型进行试验验证的基础上，深入分析了箍筋加固节点构造措施的可行性，并研究了改进构造措施与原构造措施的承载力差异。为探究不同设计参数对改进构造措施承载性能的影响，以箍筋加固节点试件数值模型为基准进行参数分析，研究了轴压比、型钢截面含钢率、柱的纵向钢筋配筋率对箍筋加固节点骨架曲线的影响。
结果表明：建立的数值模型能较好地模拟在恒定轴压和水平低周向往复位移作用下节点构件的峰值承载力、骨架曲线及破坏模式；2种模拟节点结构的变形能力、破坏特征及极限承载力基本一致，与试验现象相一致，说明箍筋配筋类型能够满足结构承载力和破坏模式的要求。在施工困难区域，可采用箍筋配筋类型节点替代箍筋穿透节点。参数分析结果表明：随着轴压比的增大，骨架曲线峰值承载力保持不变，节点试验延性逐渐减小；随着钢筋混凝土含钢量的增加，构件承载力有一定程度的提高，但研究范围内的含钢率对改进工法构件延性影响不大；主配筋率对箍筋配筋类型节点的骨架曲线影响较大，峰值承载力随主配筋率的增大而明显提高。
1 项目概况及背景
钢混结构具有承载力高、抗震性好、裂缝可控等优点，完全可以满足现代建筑对大跨度结构和抗震性的需求，近年来在建筑结构中得到广泛的研究和应用。但目前钢混结构存在钢筋可能穿透内部钢筋，削弱钢筋承载力，施工工艺复杂等问题。
银川绿地中心超高层项目位于粤海湾中央商务区中心区，建筑总高度301.15米，南北塔均为地上66层，为宁夏回族自治区第一高楼。项目两塔均采用框架-核心筒混合结构体系，外框架由H型钢梁和钢混凝土柱组成。
该项目北塔二层结构平面及钢筋混凝土柱布置如图1、图2所示。初步设计中钢筋混凝土柱梁连接节点构造如图3a所示。该构造中钢筋贯穿型钢截面，不仅结构复杂、施工难度大，而且会削弱型钢截面。为此，施工现场结合工艺，提出了钢筋不贯穿型钢截面、加箍筋加固的改进构造措施，如图3b所示。
基于此工程背景，本文利用ABAQUS平台建立钢-混凝土柱节点模型，研究改进结构措施与原结构措施在承载力方面的差异，试验构件配筋如图4所示。通过试验对数值模型进行验证，深入分析结构措施的可行性。利用有限元模型对两种节点构件的破坏模式进行分析，同时探究不同参数对改进结构措施承载力的影响，所得结论可为相关研究及工程设计提供参考。
图1 北塔二层结构平面图（mm）
图2 钢筋混凝土柱俯视图
a—原结构措施节点；b—改进后的结构措施节点。
图3 原结构及改进结构节点配筋措施(mm)
a—贯穿钢节点的试验配筋；b—箍筋节点的试验结构配筋。
图4 穿筋及箍筋节点试验配筋(mm)
2 数值模型的建立
2.1 基本假设
建立数值模型时应用的基本假设如下：
1）不考虑混凝土中钢筋的滑移，即钢筋与混凝土完全粘结；
2）钢筋与混凝土之间为切向库仑摩擦接触，法向接触为硬接触；
3)没有考虑加载速率对材料强度的影响。
2.2 材料本构模型
混凝土本构模型采用ABAQUS中混凝土塑性损伤模型，可以模拟低围压循环荷载作用下混凝土等近脆性材料的损伤和刚度退化。屈服定律采用Lee等改进的Lubliner定律，该定律考虑了拉压条件下强度的不同演化方式。非关联流动定律塑性流动势能函数采用Drucker-Prager双曲函数。本文屈服和流动定律相关参数的取值为：混凝土泊松比ν=0.2，弹性模量Ec=20GPa。研究表明，低围压下膨胀角、偏心距、双轴抗压屈服强度、拉压π平面应力不变比、黏度参数对计算结果影响不大，本文所用参数如表1所示。
表1 参数值
注：fb0/fc0 为初始等效双轴压应力与单轴压应力之比，是定义混凝土本构性质的参数；K 为屈服表达式参数，对于混凝土结构一般取 2/3。
本文混凝土轴压应力-应变曲线参考GB50010-2010《混凝土结构设计规范》附录C中的基本表达式及推荐参数，应力-应变曲线如图5所示，模型中参数值如表2所示。
图5 混凝土损伤本构参数
表2 混凝土强度参数值
注：混凝土本构参数有：混凝土峰值应变、峰值后承载力下降 50% 时的应变、αc 和 αt 为相关参数。
型钢及钢筋本构模型选用双线性模型，其应力-应变曲线如图6所示。型钢截面本构参数采用GB50017-2017《钢结构设计标准》中推荐的参数；钢筋本构参数采用GB 50010-2010中推荐的参数，钢筋屈服后弹性模量取E′s=0.01Es（Es为钢筋弹性模量；E′s为强化阶段斜率），型钢截面和钢筋的密度和泊松比分别为7800kg/m3和0.3。在往复水平荷载过程中，型钢截面和钢筋受到往复拉伸和压缩，因此选用运动强化规律。
图6 钢筋及钢筋的应力-应变关系
2.3 网格划分及相互作用设置
四面体单元具有良好的收敛性能，同时能够很好地描述复杂结构的几何特征，因此模型中的混凝土柱结构采用C3D4四面体单元，顶部和底部混凝土结构采用C3D8R六面体单元。
钢梁翼缘和腹板处厚度小于其他方向厚度，有专家学者采用壳单元进行模拟，但壳单元不易考虑钢筋与混凝土间的相互摩擦，因此本文考虑采用实体单元建立钢构件。二次折减积分能更好地模拟线性应变场，克服剪切自锁现象。因此采用C3D20R单元模拟钢筋，采用一般接触模拟钢筋与混凝土间的相互接触。其中，法向接触为硬接触，切向接触为库仑接触，摩擦系数取0.3。
模型中钢格栅仅考虑沿长度方向的性能，桁架单元为杆件结构，即只能承受轴向拉力或压力而不承受弯曲荷载，更符合钢筋的受力状态。因此混凝土框架中的受力钢筋和结构钢筋均选取为两节点线性桁架单元（T3D2）。利用合并与内置命令，将纵向杆件和箍筋合并为钢骨架并内置到混凝土实体单元中，实现混凝土与钢骨架的共同工作和协调变形。
在穿钢筋节点构件模型中，将穿过钢筋的箍筋与钢筋绑定，模拟钢筋对箍筋的约束作用；在箍筋加固节点构件模型中，钢筋与钢筋之间无接触，因此按照普通钢筋混凝土的建模方法，将钢筋骨架合并为一个整体，嵌入混凝土实体中。
网格质量和疏密程度直接影响模型的收敛性、精度和计算时间。对钢、混凝土构件采用结构化网格划分技术，并在节点区域对网格进行适当加密，既能保证合理的计算精度和收敛性能，又能节省计算时间。混凝土采用尺寸约30 mm的三角形网格，在核心区加密至15 mm；钢材采用约25 mm的均匀网格。分割后的试件网格如图7所示。
a—混凝土；b—钢构件；c—钢骨架。
图7 模型网格划分
2.4 载荷和边界条件
为了缓解应力集中现象，对参考点施加水平载荷，即在模型节点耳部中心设置一个参考点，通过耦合命令约束参考点与试件中部加载梁的相对运动。模型边界条件如图8所示。
图8 试件边界条件
当结构达到峰值承载力后，荷载-位移曲线会出现承载力下降段，为保证收敛，模型采用位移控制的加载方式。
3 实验验证
3.1 实验概述
工程中箍筋贯穿型节点和箍筋配筋型节点的构造如图3a、图3b所示，柱内纵筋及箍筋尺寸分别为
32和
16@100。考虑到足尺构件加工难度大、实验室MTS承载力有限，试验采用1/8缩尺试验进行验证。根据截面等配筋率、等箍筋率原则，缩尺模型主筋及主箍筋确定为
8和
6@100，箍筋穿透节点缩比模型配筋试件和箍筋增强节点试件分别如图4a和图4b所示，箍筋穿透节点缩比模型构件和箍筋增强节点缩比模型试件分别编号为1和2。
试验时，构件顶部采用限位梁约束水平位移，同时用螺栓将试件锚固于地面，并设置千斤顶防止构件水平滑移。根据实际工程轴压比，用千斤顶在构件顶部施加1000 kN竖向荷载，竖向荷载保持恒定，通过位移控制在楼面位置施加水平往复荷载。 试验设备及加载装置如图9所示，水平载荷的加载系统如图10所示，分别为0.6 mm（1/1400）、1.0 mm（1/800）、1.7 mm（1/500）、2.4 mm（1/350）、3 mm（1/280）、4.5 mm（1/200）、6 mm（1/140）、8.5 mm（1/100）、12 mm（1/70）、15 mm（1/55）、17 mm（1/49）、21 mm（1/40）、24 mm（1/35）、30 mm（1/28），每个级别循环2次，直至试件破坏或不满足安全条件。 分别建立箍筋渗透节点试件和箍筋加固节点试件的数值模型，计算得到的钢筋及型钢应力云图如图11所示。试验过程中构件混凝土应力云图如图12所示。
图9 试验加载装置
图10 水平位移加载体系
a—钢骨架；b—型钢截面。
图11 1号构件钢筋及型钢应力云图（MPa）
a—钢骨架；b—型钢截面。
图12 2号构件钢筋及型钢应力云图（MPa）
3.2 部件故障的三个阶段
为了进一步研究该状态下钢-混凝土柱的工作及破坏机理，本节将基于往复荷载下的数值模拟结果，对箍筋穿透型和箍筋增强型节点试件的破坏模式进行详细分析。往复荷载下的滞回曲线可以很好地反映结构在循环往复荷载作用下的混凝土损伤情况。等效塑性应变（PEEQ）可以反映加载过程中塑性损伤的积累，直观地分析节点的破坏特征。从图13和图14可以看出，两种钢-混凝土构件的破坏模式均可分为试件开裂、试件屈服、试件破坏三个阶段。
a—试件开裂；b—试件屈服；c—试件破坏。
图13 1号构件加载过程照片
a—试件开裂；b—试件屈服；c—试件破坏。
图14 2号构件加载过程照片
3.2.1 出现裂纹
从图15a和图16a可以看出，在竖向和水平荷载的联合作用下，混凝土柱中预埋钢筋的存在使得混凝土柱在荷载作用下不再满足平面截面假定，柱端中心处塑性变形不断增大，塑性应变较大，裂缝首先出现在柱端中心附近，此时水平位移约为2.4 mm。
a—开裂状态；b—屈服状态；c—破坏形式。
图15 1号试件等效塑性应变云图
a—开裂状态；b—屈服状态；c—破坏形式。
图16 2号试件等效塑性应变云图
3.2.2 产出过程
如图15b、16b所示，随着水平荷载的增加，当水平位移达到20 mm时，荷载-位移曲线的斜率逐渐变化，此时混凝土柱内的塑性变形逐渐增大，预埋钢筋屈服。
3.2.3 极限状态
如图15c、16c所示，当水平位移达到24 mm时，荷载-位移曲线逐渐达到峰值，可以看出，柱内混凝土已达到峰值塑性应变，梁柱交界处预埋钢筋应力较大，钢骨架也逐渐屈服。
3.3 元件故障模式
通过以上分析可发现，核心区钢筋及钢骨架均已达到屈服，且最终损伤试件照片显示构件柱与节点连接处损伤较为严重，说明数值模型能够较好地模拟构件的最终损伤状态；通过对比1号构件和2号构件的应力云图及损伤现象，可以得出以下结论：
1）箍筋穿透型与箍筋增强型构件开裂塑性应变分布存在一定差异，但屈服状态与破坏状态的塑性应变分布基本相同，说明在地震作用下两种构件最终破坏形式基本相同。
2）两种不同施工工艺、不同结构形式的钢-混凝土梁柱节点试件的Mises应力云图基本相同，表明箍筋增强节点试件和箍筋穿透节点试件具有相同的最终破坏模式，与试件的最终破坏状态一致。
4 非线性分析结果与试验结果对比
4.1 滞回曲线与骨架曲线
箍筋穿透节点试件和箍筋加固节点试件的数值模型滞回曲线与试验滞回曲线对比如图17、图18所示，其中Δ为水平位移。试验过程中，2号构件因扭转剧烈而提前停止加载，由此可见：
1）当水平位移较小时，1号构件数值模型计算的滞回曲线较实际试验值具有较大的刚度，但两者具有相似的承载力峰值；2号构件数值模型计算的滞回曲线与实际试验值在水平位移较小和较大时都很一致，两个构件数值模型计算的滞回曲线均比试验值略丰满，最终承载力分别比试验结果略大9.2%和10.1%，表明数值模型能够很好地模拟构件的承载力和滞回特性；
2）构件1、2的滞回荷载曲线模拟结果均出现了刚度退化的现象，与试验结果十分接近，说明数值模型很好的拟合了混凝土在往复荷载作用下的损伤现象；
3）1号构件与2号构件的滞回曲线变化规律基本相同，说明在相同的地震作用下，两种工况构件具有相同的耗能能力。
图17 1号组件的磁滞曲线对比
图18 2号组件的滞后曲线对比
4.2 骨架曲线
箍筋穿透节点试件和箍筋增强节点试件的骨架曲线分别如图19、图20所示，模拟值与试验值对比见表3。从图中可以看出，数值模型模拟值略大于试验测量值，两者一致性较好。
图19 1号构件骨架曲线对比
图20 2号构件骨架曲线对比
表3 模拟结果与试验峰值承载力对比
4.3 误差分析
箍筋增强节点试件和箍筋穿透节点试件数值模型的应力分布与实测规律基本一致，滞回曲线、骨架曲线与实测值一致性较好，说明数值模型能有效掌握往复荷载作用下构件的滞回曲线及骨架特性。但模拟值与实测值仍存在一定差异，可能是由于：
1）试件与地面采用锚栓锚固，可能存在较小的弹性变形和水平滑移，导致试验与数值模型边界条件存在差异，降低试件实测初始刚度；2）材料本构关系、钢筋与混凝土间滑移参数可能与实际情况存在差异；3）1号构件采用约束约束，考虑箍筋渗透到钢筋中，导致数值模型刚度较大，计算得到的滞回曲线在位移较小时与试验值有差异，但与构件最终破坏时箍筋关系不大，因此具有相同的峰值承载力；4）如图21所示，数值模拟结果显示实际试件在加载时可能存在一定的扭转，导致峰值水平荷载有所下降，使得数值模拟得到的滞回曲线与骨架曲线承载力较高。2号构件情况类似。
图21 1号构件离面位移云图（放大倍数为45）
5 参数影响分析
为了进一步研究箍筋节点受力性能，本文从轴压比n0、含钢量ρss、柱内纵筋率ρ三个角度研究箍筋节点骨架曲线，以箍筋节点试件数值模型为基准进行参数影响分析，分析中基准参数如表4所示。
表4 箍筋节点模型基本参数(构件2)
5.1 轴压比n0的影响
有研究表明，表面轴压比对试件延性有一定影响。图22是在试件配筋及加载方式不变、n0/N0分别为0.8、0.9、1.0、1.1、1.2（其中，N0为箍筋增强节点构件轴压比）时，建立数值模型，计算试件轴向荷载，得到的各工况下试件骨架曲线。可以看出：
1)当轴压比变化较小时，基本不影响试件在水平位移作用下的峰值承载力；
2）轴压比的变化对下降阶段骨架曲线有影响，随着轴压比的增大，下降阶段骨架曲线变得更陡。
图22 轴压比n0对骨架曲线的影响
5.2 钢含量ρss的影响
在试件配筋及加载方式不变的条件下，改变试件含钢率，受混凝土构件尺寸约束的影响，将ρss/ρss0改为0.90，0.95，1.00，1.05，1.10（其中ρss0为改进工法构件含钢率），通过建立数值模型计算各工况下试件骨架曲线如图23所示。可以看出：
1）随着型钢截面含钢率的增加，构件在水平位移作用下的骨架峰值得到一定程度的提高，表明型钢混凝土中含钢率对承载力有一定程度的提高；
2）水平位移作用下骨架曲线下降段斜率基本相同，表明该范围配筋率对箍筋节点构件延性影响较小。
图23 钢含量ρss对骨架曲线的影响
5.3 主筋配筋率ρ的影响
在加载方式、轴压比、配筋率、箍筋配筋率等保持不变的条件下，仅改变试件纵筋率ρ，即ρ/ρ0分别改为0.8、0.9、1.0、1.1、1.2(其中ρ0为箍筋增强节点构件纵筋率)，建立数值模型进行计算，得到各工况下试件的骨架曲线如图24所示。可以看出：
1）当水平位移较小时，不同配筋率下的骨架曲线基本重合钢结构设计规范附录32，说明水平位移较小时，纵向配筋率对骨架曲线影响较小；
2）当水平位移较大时，不同配筋率下的骨架曲线存在一定的差异，说明纵向配筋率影响水平位移较大时骨架曲线的峰值承载力。
图 24 配筋率对骨架曲线的影响
六，结论
本文对两种不同形式的钢-混凝土梁柱节点进行非线性有限元分析，通过试验验证数值模型的准确性，并分析箍筋节点试件的破坏模式。最后，研究了轴压比n0、柱内含钢量比ρss、柱内纵筋配筋率ρ对箍筋节点试件骨架曲线的影响。所得结论可为相关研究和工程设计提供参考。通过分析，得到以下结论：
1）两构件数值模拟结果的滞回曲线、骨架曲线与试验结果基本一致，充分验证了本文有限元模型的合理性；
2）两种模拟节点结构的变形能力、破坏特征及极限承载力基本相同，与试验现象一致，说明箍筋配筋类型能够满足结构承载能力和破坏模式的要求；
3）参数分析表明，随着轴向压缩比的增加，骨架曲线的峰载荷保持不变，节点样品的延展性逐渐减小，并且主加固比对骨架曲线的影响最大，作为主要钢筋的增加。
4）马rup增强节点可以满足结构最终轴承能力和变形的要求。
资料来源：Zhaobing。
doi：10.13206/j.gjgs22022202
