作者：张晨堂（北京建工集团三建公司 北京 100055）
摘要：钢结构建筑具有自重轻、环保、可干作业以及可回收重利用等优点。在建筑结构的使用中，其使用程度日益增长。节点连接的核心问题钢结构锚固，成为了各学者研究的重点。目前，常见的几种连接方式，在节点问题处理上，都存在较多的加工及施工误差问题。本文鉴于此提出了一种钢结构梁柱灌浆锚固节点连接方法，此方法是利用高强混凝土或水泥基灌浆料把钢梁与钢柱锚固连接起来，这样就完美地解决了在钢结构制作加工以及安装过程中存在误差的问题，使得钢结构连接节点比其他连接形式更优。利用 ABAQUS 建立了有限元模型，一种是传统焊接的连接方式，另一种是灌浆锚固节点连接的方式。对比研究了在静力荷载作用下构件的受力性能，也对比研究了在低周往复荷载作用下构件的受力性能。研究结果显示：在两种不同连接方式下，结构构件在静力荷载以及低周往复荷载作用时，其受力性能大致相同。采用新型灌浆锚固节点连接方式，能够很好地解决钢结构制作加工和安装过程中存在误差的问题，让钢结构连接节点比其他连接形式更优，并且还能提高现场安装的效率，降低成本。这种连接方式可以在钢结构建筑节点连接中进行推广使用。
钢结构中，装配式钢结构的灌浆锚固节点的受力性能可通过有限元分析来研究。装配式钢结构的灌浆锚固节点在钢结构中具有重要作用，其受力性能的研究对于钢结构的设计和应用具有重要意义。通过有限元分析，可以对装配式钢结构的灌浆锚固节点的受力性能进行详细的模拟和分析，从而为钢结构的设计和应用提供科学依据。
中图分类号：TU393
文献标识码：A
文章的编号为 1002 - 8498 ，其年份为 2020 ，期数为 20 ，页码范围是 0069 至 0072 。
引言
钢结构住宅最符合“绿色建筑”的概念。钢结构建筑的设计、生产、施工和安装能够通过平台达成一体化。它将“现场建造”转变为“工厂制造”。钢结构住宅自身重量较轻，基础造价比较低。其施工安装过程较为便捷，施工周期较短。并且在现场能够实现干作业，降低了环境污染。材料还可以进行回收利用[2]。
装配式建筑的核心问题为连接，要将传统现浇结构的梁、柱、墙、板等构件在工厂加工后在现场进行连接。装配式建筑若要在连接问题上取得突破，关键就在于处理好节点，也就是要处理好梁柱节点、柱柱节点、板梁节点等。不过，目前我国现阶段的几种装配式建筑在这些连接问题的处理上还存在较多的缺陷。
对于钢结构梁柱连接这一方面，笔者通过多年进行钢结构施工的经历进行了总结并且开展了研究，在此基础上提出了一种钢结构梁柱灌浆锚固节点的连接方法。这种新型灌浆锚固节点，它通过利用高强混凝土或者水泥基灌浆料，把钢梁和钢柱进行锚固连接。这样做能够充分发挥出混凝土或者水泥基灌浆料抗压性能较好的优势，同时也能发挥钢材抗拉性能较好的优势。借助这种方式，可以解决在钢结构制作加工以及安装过程中存在误差的问题，并且能让钢结构连接节点比其他连接形式更优秀。建立该灌浆锚固节点连接的构件仿真分析模型，同时建立传统焊接连接的构件仿真分析模型。对在静力荷载作用下两种不同连接方式下构件的受力性能进行对比分析，也对在低周往复荷载作用下两种不同连接方式下构件的受力性能进行对比分析。为后期装配式钢结构建筑设计及施工提供一定的参考意义。
1 工程背景
本文将某装配式钢结构建筑作为研究对象，其楼面以及墙面使用的是自重较轻的轻质复合材料，而承重柱、主梁、暗柱、次梁等部件都采用了 Q345 型钢，各部件具体的尺寸情况如下：
在建筑平面设立混凝土核心筒，此核心筒用于布置楼梯、电梯以及设备井道等。核心筒的外围墙体厚度为 0.3 米，其内部的分隔墙体厚度为 0.2 米。
承重柱是 450x450x16x16 的方形钢柱，暗柱为 200x100x10x10 的方柱，且暗柱布置在墙体内部。主梁是 H 型钢，其尺寸为 450x300x10x12，次梁也是 H 型钢，尺寸为 300x200x8x10。
承重柱间距 6.6m 布置在建筑四周，以保证室内空间的完整性。主梁在平面内横纵交叉布置。
楼板要承担次结构传来的竖向荷载，就必须保证自身具有足够的刚度与强度。其中，楼板厚度为 0.3m。并且，核心筒内每层为混凝土楼盖，其楼板厚度是 0.12m。
（4）建筑层高：标准层层高6m，共六层。
2 整体框架结构力学性能分析研究
2.1 结构有限元模型建立
为保证精准性且便利建模，先利用三维建模软件 proe 建立整体框架结构的几何模型，接着将此模型导入 hypermesh 进行精细化网格划分，之后再把有限元模型导入 ABAQUS 进行后处理分析。其具体步骤如下：先建立几何模型，再导入 hypermesh 划分网格，最后导入 ABAQUS 进行后处理分析。
ProE 软件具有强大的三维建模功能。首先，借助 ProE5.0 软件来构建巨型框架结构的几何模型，具体情况可参见图 1。
网格划分完成后，有限元模型见图 2。
在 Hypermesh 中划分好网格的模型会被输出为 inp 文件，然后将这个 inp 文件导入到 ABAQUS 中，以便进行后续的分析。
整体框架结构的有限元模型用实体单元 C3D8R 来模拟梁柱，用壳单元 S4R 模拟楼板与剪力墙。将核心筒底部和承重柱底部进行固结，以此来模拟真实的边界条件。在模型中，通过共节点方式把梁柱连接起来，并且将核心筒区域与楼板及次梁固结。
图1几何模型示意图
（a）网格示意图
（b）网格示意图
图2 Hypermesh分网结果示意图
2.2 有限元结果分析
对上述框架结构进行静力性能的分析。其结构荷载由自重、竖向活载以及水平风荷载组成。竖向活载被设定为 7 kN/m2。水平风荷载依据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）第八章的相关规定，选取为 6 kN/m2。计算结果分别如图 4 和图 5 所呈现。
（a）整体模型等效位移云图
（b）梁柱节点等效位移云图
图3 荷载作用下框架结构等效位移云图
（a）整体模型Mises应力云图
（b）梁柱节点Mises应力云图
图4 荷载作用下框架结构Mises应力云图
从图 4 能看出，在水平与竖向荷载共同起作用时，结构的最大等效位移是 2.843mm，最大等效应力为 109.7MPa。当有荷载作用时，结构的最大等效应力以及最大等效位移都出现在边柱的梁柱节点处。现在要对边柱的梁柱节点构建局部模型，并且把不同连接方式下各个荷载工况作用时的受力性能拿来进行对比研究。
3 梁柱灌浆锚固节点力学有限元建模
因为结构梁柱节点连接处的局部受力极为复杂，而整体结构无法对其进行精准模拟，所以现在特地对灌浆锚固与传统焊接这两种工况的力学性能进行对比分析，目的是验证灌浆锚固方法在受力性能方面的可行性，这两种不同梁柱节点连接工况的具体情况如下。
工况1：传统焊接形式。
工况 2 为灌浆锚固形式，方柱外有包裹，其截面是 450x450mm，还有厚度为 12mm 的加强环。在钢柱的一侧，通过焊接的方式连接若干块 12mm 厚的钢板，从而形成半封闭式空间。在这个空间内放置 H 型钢，型钢的腹板上设置了 6mm 厚的 L 型加劲肋板。接着，使用 C60 混凝土进行灌注，将剩余空间填满，以此形成装配式钢结构梁柱灌浆锚固节点，并且灌浆材料采用的是 C60 高强混凝土。
两种工况的有限元模型如图3与图4所示：
图3工况1有限元模型示意
图4 工况2有限元模型示意
3.1 边界条件
柱子顶面设置参考点，柱子底面也设置参考点。参考点与柱端面通过“运动耦合”相连。柱顶的参考点对 x、y 方向的自由度进行约束。柱底的参考点对 x、y、z 三个方向的自由度进行约束。在梁端面设置参考点，该参考点与梁端面相耦合。并且，为避免梁在加载过程中出现平面外失稳从而致使整个结构失效，有限元模型对钢梁端部施加了侧向约束。
3.2 荷载工况分析
本节拟对模型进行两种方式的加载，具体如下所示：
在柱顶参考点施加竖向力，其大小为 N＝30kN。同时施加两个方向的弯矩，其中 Mx＝50kN*m，My＝50kN*m。
在梁端面的参考点施加低周往复荷载，这种往复荷载会持续 32 秒，并且是以位移来控制加载的，如图 5 所示。
图5低周往复荷载示意
3.3 本构模型
钢材沿一个方向加载进入塑性阶段后，随着荷载不断增加，屈服应力会提高。而当反方向加载时，屈服应力会随着位移的增加而降低。这种现象被称作钢材的包辛格效应。韩林海教授进行了大量试验研究。他提出了一种本构关系模型，此模型能够模拟钢材的包辛格效应。所采用的钢材本构模型是，在原有基础上，把钢材的塑形变形阶段与强化阶段用一条斜直线来代替。如图 6 所示。
图6钢材本构模型
混凝土使用塑性损伤本构模型，在 ABAQUS 中，对于混凝土塑性损伤模型有以下这些假定：
模型失效用受拉开裂和压碎来表示。材料单轴拉伸时表现为受拉损伤，单轴压缩时表现为受压损伤。塑性损伤的取值范围是从 0 到 1，0 表示材料完好，1 表示完全丧失强度。
单轴应力 - 应变曲线能够转化为对应的塑性应力 - 应变曲线，ABAQUS 程序会依据用户所提供的非线性应变数据自动进行转化。混凝土材料因损伤导致刚度退化，在宏观层面主要体现在拉压屈服强度存在差异，拉伸屈服之后材料呈现出软化的特性，而压缩屈服之后材料先是硬化然后再软化。模型中对于拉伸和压缩这两种情况，分别采用不同的损伤因子去描述刚度的退化。具体情况可详见图 7 以及表 1。
（a）单轴受拉应力应变关系
(b）单轴受压应力应变关系
图7 ABAQUS 混凝土单轴拉压塑性损伤曲线
表1混凝土塑性损伤模型塑性参数
4 静力作用下各工况受力性能分析
当以加载方式 A 进行加载时，工况 1 的 Mises 应力云图以及位移云图如图 8 所示；工况 2 的 Mises 应力云图以及位移云图如图 9 至图 11 所示。
图8工况1在静力作用下位移云图
图9 工况2在静力作用下位移云图
图10工况1在静力作用下Mises应力云图
图11工况2在静力作用下Mises应力云图
从图 8 和图 9 能看出，工况 1 也就是焊接形式在静力荷载作用下，其最大等效位移是 4.379mm，并且最大位移出现在柱顶部。工况 2 即灌浆锚固形式在静力荷载作用下钢结构锚固，最大等效位移为 4.249mm，最大位移也在柱顶部。与焊接形式相比，灌浆锚固节点的最大等效位移减少了 0.127mm，所占比例为 2.9%。
从图 10 和图 11 能够看出，在静力荷载的作用下，工况 1 的最大等效应力是 157.2MPa，工况 2 的最大等效应力是 162.2MPa。灌浆锚固方式与传统焊接相比，最大等效应力增加了 5MPa，其占比为 3.18%。
在静力荷载作用下，灌浆锚固方式的受力性能与传统焊接方式大致相同。
5 低周往复荷载作用下各工况受力性能分析
工况 1 在低周往复荷载作用下的荷载 - 位移曲线与工况 2 在低周往复荷载作用下的荷载 - 位移曲线如图 12 所示。该图的纵坐标是反力的绝对值。从图形能够看出，灌浆锚固达到破坏失效时的位移为 9.0mm，对应的反力值为 3801.6kN；传统焊接形式达到破坏失效时的位移为 9.6mm，对应的反力值为 4147.7kN。传统焊接形式屈服时的反力值比灌浆锚固形式屈服时的反力值增加了 346.1kN，增加的这部分反力值占灌浆锚固形式屈服时反力值的 8.34%。
图12 两种工况在低周往复荷载作用下的反力-位移曲线
在低周往复荷载作用下，灌浆锚固节点的屈服时反力比传统焊接形式小。其减小幅度仅为 8.34%。同时，考虑到模拟误差以及实际施工中焊接时的损耗。从受力性能角度来看，使用灌浆锚固代替传统焊接形式是没有问题的。并且，这样做还可以大大提高现场安装的效率，提升建造速度，降低成本。
6 结论
本文提出了一种钢结构梁柱灌浆锚固节点的连接方法。这种新型节点通过利用高强混凝土或水泥基灌浆料，将钢梁与钢柱进行锚固连接。这样做能够充分发挥混凝土或水泥基灌浆料抗压性能较好的优势，以及钢材抗拉性能较好的优势。同时，借助有限元模型，对两种不同连接方式下的构件在静力荷载和低周往复荷载作用下的受力性能进行了对比分析。分析结果如下：
传统焊接形式在静力荷载作用下，其最大等效位移是 4.379mm，且最大位移出现在柱顶部。灌浆锚固形式在静力荷载作用下，最大等效位移为 4.249mm，最大位移也在柱顶部。与焊接形式相比，灌浆锚固节点的最大等效位移减小了 0.127mm，占比为 2.9%。
传统焊接形式在静力荷载作用下的最大等效应力为 157.2MPa，灌浆锚固形式在静力荷载作用下的最大等效应力为 162.2MPa。灌浆锚固方式的最大等效应力比传统焊接的最大等效应力增加了 5MPa，增加的占比为 3.18%。所以，在静力荷载作用下，灌浆锚固方式与传统焊接方式的受力性能基本一致。
在低周往复荷载的作用下，灌浆锚固节点屈服时的反力比传统焊接形式小。不过，其减小幅度仅为 8.34%。并且，考虑到模拟误差以及实际施工中焊接时的损耗等因素，从受力性能角度来看，使用灌浆锚固代替传统焊接形式是没有问题的。同时，这样做还能够大大提高现场安装的效率，提升建造速度，降低成本。
分析结果显示，在两种不同连接方式下，结构构件的受力性能较为相近。所提出的新型灌浆锚固节点连接方式能够妥善解决钢结构在制作加工和安装过程中存在误差的问题，并且使钢结构连接节点比其他连接形式更具优势。此连接方式可在实际工程中加以参考和应用。
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张晨堂，一级注册建造师，E-mail:
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