李一瑋，陳云瑞，孫鳳英，賈新聰，程遠(yuǎn)兵

(1.鄭州市工程質(zhì)量監(jiān)督站，河南 鄭州 450045； 2.華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 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，陜西 西安 710000)

0 引言

勁性高強(qiáng)度混凝土剪力墻與混凝土梁節(jié)點(diǎn)施工始終為工程中的一項(xiàng)難題。有專家為解決型鋼混凝土與鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)問題，對(duì)型鋼柱與混凝土梁常用各種節(jié)點(diǎn)連接類型進(jìn)行分析?；炷亮号c型鋼柱常用的節(jié)點(diǎn)連接方式主要有彎錨連接、預(yù)制鋼筋搭接板焊接、預(yù)制鋼筋接駁器機(jī)械連接、預(yù)制短鋼筋機(jī)械連接、預(yù)制鋼筋穿孔。但剪力墻邊緣構(gòu)件空間較小，若采用彎錨連接、預(yù)制鋼筋搭接板焊接、預(yù)制鋼筋接駁器機(jī)械連接、預(yù)制短鋼筋機(jī)械連接等方式，剪力墻邊緣構(gòu)件空間尺寸不滿足要求。采用預(yù)制鋼筋穿孔節(jié)點(diǎn)連接方式，則H型鋼柱截面尺寸不滿足規(guī)范中規(guī)定的鋼筋間距要求。杜米廣[1]認(rèn)為型鋼混凝土柱施工難點(diǎn)在于梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)鋼骨與框架梁縱向受力鋼筋連接。由于剪力墻為一種薄壁結(jié)構(gòu)，邊緣構(gòu)件空間較小，且型鋼柱緊鄰邊緣構(gòu)件端部多根排布在一起，這一難點(diǎn)更為突出。杜米廣結(jié)合工程實(shí)例，通過對(duì)不同受力、不同連接方式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)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。孫芃等[2]認(rèn)為腹板開孔貫通式節(jié)點(diǎn)形式施工方便快捷，梁縱向鋼筋無需斷開，保證了梁縱向鋼筋貫通與錨固，但由于采用這種方法對(duì)型鋼板進(jìn)行開孔時(shí)，對(duì)母材截面強(qiáng)度有一定削弱作用，需考慮補(bǔ)強(qiáng)措施。

本研究提出了一種優(yōu)化方案，在解決梁鋼筋難以錨入剪力墻問題的同時(shí)，減少了在型鋼上的穿孔，并利用ABAQUS有限元軟件建立有限元模型，對(duì)優(yōu)化前后節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模、加載和分析，驗(yàn)證方案可行性。

1 工程概況

以鄭州市金水區(qū)司家莊城中村改造項(xiàng)目為依托，項(xiàng)目2-1號(hào)樓為超高層剪力墻結(jié)構(gòu)。主樓地下2層至9層剪力墻邊緣構(gòu)件中設(shè)計(jì)有不規(guī)則矩陣式排列的型鋼柱，且剪力墻和混凝土梁配筋率高，鋼筋直徑大。原設(shè)計(jì)方案為將梁鋼筋直接穿過型鋼，但此方法會(huì)削弱鋼柱截面，且截面損失過大不滿足承載力要求時(shí)需進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，要求補(bǔ)強(qiáng)板厚度不小于柱壁厚度一半，并在柱壁正、反面進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，導(dǎo)致型鋼預(yù)制和現(xiàn)場(chǎng)焊接難度大，施工困難。

2 優(yōu)化方案

為解決施工難題，在預(yù)制穿孔基礎(chǔ)上，調(diào)整和優(yōu)化混凝土梁鋼筋排布方式，并配合使用錨固板，達(dá)到既能使混凝土梁鋼筋錨入節(jié)點(diǎn)，又能減少型鋼穿孔的目的。優(yōu)化原理為：按代換前后鋼筋承載力相等原則進(jìn)行強(qiáng)度代換，代換時(shí)計(jì)算如式(1)所示。

As2fy2≥As1fy1

或n2d22fy2≥n1d12fy1

(1)

式中：As2，As1分別為代換后及代換前鋼筋截面面積；fy2，fy1分別為代換后及代換前鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；n2，n1分別為代換后及代換前鋼筋根數(shù)；d2，d1分別為代換后及代換前鋼筋直徑。

當(dāng)鋼筋級(jí)別相同但直徑不同時(shí)，可按等面積原則代換。優(yōu)化方案具體做法為：首先通過鋼筋代換，將型鋼柱寬度范圍內(nèi)的梁鋼筋直徑增大或減小1個(gè)型號(hào)后放置于下一排，并從型鋼柱與邊緣構(gòu)件豎向鋼筋間隙穿過，在原位置放置構(gòu)造架立筋。通過調(diào)整鋼筋排布方式后仍有部分混凝土梁鋼筋無法貫穿節(jié)點(diǎn)時(shí)，此部分梁鋼筋通過在型鋼柱上鉆孔穿過，并對(duì)型鋼柱鉆孔部位按要求進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。通過鉆孔穿過的混凝土梁鋼筋在末端通過直螺紋連接錨固板，此時(shí)梁鋼筋錨固長(zhǎng)度>0.4labE即可。由于梁配筋與型鋼柱相對(duì)位置不同，因此，該項(xiàng)目共有4種型鋼柱-梁節(jié)點(diǎn)，針對(duì)這4種節(jié)點(diǎn)，均進(jìn)行配筋調(diào)整優(yōu)化。

1)配筋類型1

原方案H型鋼柱的豎向幾何中心線與混凝土梁豎向幾何中心線重合，混凝土梁上、下各配置3根貫通鋼筋，如圖1a所示，調(diào)整后方案如圖1b所示。

圖1 配筋類型1鋼筋排布

2)配筋類型2

原方案H型鋼柱豎向幾何中心線與混凝土梁豎向幾何中心線重合，混凝土梁上、下各配置4根貫通鋼筋，如圖2a所示，調(diào)整后方案如圖2b所示。

圖2 配筋類型2鋼筋排布

3)配筋類型3

原方案H型鋼柱豎向幾何中心線與混凝土梁豎向幾何中心線重合，混凝土梁上、下各配置5根貫通鋼筋，如圖3a所示，調(diào)整后方案如圖3b所示。

圖3 配筋類型3鋼筋排布

4)配筋類型4

原方案H型鋼柱豎向幾何中心線與混凝土梁豎向幾何中心線存在較大偏移，混凝土梁上、下各配置3根貫通鋼筋，如圖4a所示，調(diào)整后方案如圖4b所示。

圖4 配筋類型4鋼筋排布

本調(diào)整方案雖然未減少鉆孔數(shù)量，但由于原方案中2個(gè)鉆孔位置靠近型鋼邊緣，錨固板無法安裝，因而難以實(shí)施，調(diào)整后方案中4個(gè)鉆孔位置均靠近型鋼中心線，便于鋼筋綁扎和錨固操作。

型鋼柱上鉆孔方案如圖5所示。根據(jù)混凝土梁鋼筋直徑在型鋼柱腹板或翼板上鉆孔，并在鉆孔位置焊接補(bǔ)強(qiáng)板。因型鋼柱多為并排放置，為減少在型鋼柱上的開孔數(shù)量，減少鋼筋錨固長(zhǎng)度，需在鋼筋端頭通過直螺紋擰上錨固板，此時(shí)直錨長(zhǎng)度滿足0.4labE即可。4種節(jié)點(diǎn)優(yōu)化前后的詳細(xì)配筋如表1所示，鋼筋等級(jí)為HRB400，型鋼為Q345B鋼，尺寸如圖6所示。改進(jìn)后鋼筋連接處節(jié)點(diǎn)細(xì)部如圖7所示(以配筋類型1為例)。

圖5 鉆孔類型

表1 各節(jié)點(diǎn)配筋

圖6 GGZ2型鋼截面尺寸

圖7 改進(jìn)后節(jié)點(diǎn)細(xì)部(配筋類型1)

3 ABAQUS模型建立

3.1 材料本構(gòu)關(guān)系及參數(shù)設(shè)置

根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]確定混凝土和鋼筋本構(gòu)模型。

本研究中，剪力墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60，梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，混凝土材料參數(shù)如表2所示。采用HRB400鋼筋，Q345B型鋼，材料參數(shù)如表3所示。

表2 混凝土材料參數(shù)

表3 鋼筋及型鋼材料參數(shù)

3.2 單元類型選取及接觸關(guān)系

為計(jì)算方便，混凝土單元和型鋼單元采用六面體八結(jié)點(diǎn)線性減縮積分單元C3D8R，剪力墻鋼筋和梁鋼筋采用三維兩結(jié)點(diǎn)線性桁架單元T3D2[4]。由于型鋼表面與梁鋼筋連接部分設(shè)有錨固板，因此，使用Tie綁定約束指令連接型鋼和梁鋼筋，能較好地保證型鋼和梁鋼筋之間的協(xié)同工作。再以內(nèi)置區(qū)域方式設(shè)置約束，將型鋼及鋼筋嵌入混凝土內(nèi)，并假設(shè)混凝土與型鋼間位移完全協(xié)調(diào)，這樣既簡(jiǎn)化了模型，提高了效率，又符合工程實(shí)際情況[5]。

3.3 邊界條件及荷載

模型中剪力墻底部及梁遠(yuǎn)端均采用固定約束，再以邊界條件形式將梁上荷載設(shè)計(jì)值以壓強(qiáng)方式施加于梁上，其中梁上荷載為板上荷載(恒荷載和活荷載)+梁自重。設(shè)計(jì)靜力荷載工況下的最不利荷載組合為：1.35×3.5(kN/m2)×恒荷載區(qū)域面積(m2)+1.4×1.3(kN/m2)×活荷載區(qū)域面積(m2)+梁自重(kN)。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4種節(jié)點(diǎn)調(diào)整后，在最不利荷載工況下，鋼骨節(jié)點(diǎn)處梁鋼筋應(yīng)力云圖如圖8所示。通過ABAQUS可視化功能的查詢功能查詢鋼筋骨架最大應(yīng)力處應(yīng)力值，得到調(diào)整前后梁鋼筋最大應(yīng)力對(duì)比結(jié)果如表4所示。

圖8 4種節(jié)點(diǎn)調(diào)整后梁鋼筋應(yīng)力云圖(單位：MPa)

表4 4種節(jié)點(diǎn)調(diào)整前后梁鋼筋最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可知，配筋類型1，4優(yōu)化方案會(huì)使節(jié)點(diǎn)處梁鋼筋最大應(yīng)力略微升高，分別增大0.165%，1.051%，不影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)承載力；配筋類型2，3的調(diào)整方案使節(jié)點(diǎn)處梁鋼筋最大應(yīng)力有所降低，將更有利于結(jié)構(gòu)安全。

4種配筋類型節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)荷載工況下仍能正常工作，只是在梁與剪力墻連接處有應(yīng)力集中，但梁鋼筋最大應(yīng)力仍滿足設(shè)計(jì)要求，且減少了型鋼鉆孔，降低了型鋼預(yù)制及現(xiàn)場(chǎng)焊接難度，滿足調(diào)整配筋的預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)語

1)通過鋼筋代換，將型鋼柱寬度范圍內(nèi)的混凝土梁鋼筋直徑增大或減小1個(gè)型號(hào)后，從型鋼柱與邊緣構(gòu)件豎向鋼筋間隙穿過，并在原位置放置構(gòu)造架立筋的做法可有效解決梁鋼筋難以錨入型鋼柱中的問題，且?guī)缀醪粚?duì)梁鋼筋工作產(chǎn)生影響。

2)無法避開仍需通過在型鋼柱上鉆孔穿過的縱向受力鋼筋，通過直螺紋擰上錨固板后，直錨長(zhǎng)度滿足0.4labE時(shí)即可滿足錨固要求。