0 引言

　　钢结构建筑自重小、抗风及抗震性好、保温隔热及隔声效果好，符合可持续化发展方针。钢结构建筑设计、生产、施工、安装可通过平台实现一体化，变现场建造为工厂制造。钢结构住宅自重小，基础造价低，安装便捷，施工周期短，且现场可实现干作业，环境污染降低，材料可回收利用。

　　装配式建筑核心问题是连接，要在连接问题上有所突破，关键是处理好节点，即处理好梁柱节点、柱柱节点、板梁节点等。然而，我国现阶段的装配式建筑在连接处理上还存在较多缺陷。

　　对于钢结构梁柱连接，经多年钢结构施工总结及研究，提出一种钢结构梁柱灌浆锚固节点连接方法。这种新型灌浆锚固节点，利用高强混凝土或水泥基灌浆料将钢梁与钢柱锚固连接，充分发挥混凝土或水泥基灌浆料抗压性能较好与钢材抗拉性能较好的优点。

　　1 工程概况

　　以某装配式钢结构建筑为研究对象，楼面、墙面采用自重较小的轻质复合材料，承重柱、主梁、暗柱、次梁等均采用Q345钢，各部件具体尺寸如下。

　　1)核心筒在建筑平面设置混凝土核心筒，用作楼梯、电梯、设备井道等。核心筒外围墙体厚度为0.3m，内部分隔墙体厚度为0.2m。

　　2)柱与梁承重柱为450mm×450mm×16mm×16mm方形柱，暗柱为200mm×100mm×10mm×10mm方柱，其中暗柱布置于墙体内部。主梁与次梁均为H型钢，其中主梁尺寸为450mm×300mm×10mm×12mm，次梁尺寸为300mm×200mm×8mm×10mm。为保证室内空间完整性，承重柱间距6.6m，布置于建筑四周，主梁横纵交叉布置于平面内。

　　3)楼板若要承担次结构传来的竖向荷载，必须保证楼板具有足够的刚度与强度，楼板厚0.12m。

　　4)建筑层高标准层高6m，户内为复式结构，共6层。

　　2 整体框架结构力学性能分析研究

　　2.1 有限元模型建立

　　为保证有限元结构模拟的精准性且便利建模，利用三维建模软件Pro E建立整体框架结构几何模型后，导入Hypermesh，对几何模型进行精细化网格划分，再将有限元模型导入ABAQUS进行后处理分析。

　　1) Pro E软件是强大的三维建模软件，首先利用Pro E5.0软件建立巨型框架结构几何模型。

　　2)利用前处理软件Hypermesh对几何模型完成高质量的网格划分，保证计算结果的准确性。

　　3)将在Hypermesh中划分好网格的模型输出为inp文件，导入ABAQUS中进行后续分析。

　　整体框架结构有限元模型中，梁柱采用实体单元C3D8R，楼板与剪力墙采用壳单元S4R，将核心筒底部与承重柱底部固结以模拟真实的边界条件。模型中采用共节点方式将梁柱连接，核心筒区域与楼板及次梁固结。

　　2.2 有限元结果分析

　　对框架结构进行静力性能分析，结构荷载由自重、竖向活荷载及水平风荷载构成。竖向活荷载取7k N/m²，水平风荷载根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》相关规定取6k N/m²。计算结果如图1所示。

　　由图1可知，水平与竖向荷载共同作用下，结构最大等效位移为2.843mm，最大等效应力为109.7MPa，均出现于边柱梁柱节点处。建立边柱梁柱节点局部模型，并对不同连接方式下各荷载工况作用下受力性能进行对比研究。

　　图1 荷载作用下框架结构计算结果 

　　3 梁柱灌浆锚固节点有限元建模

　　鉴于结构梁柱节点连接处局部受力极复杂，整体结构尚不能对其进行精准模拟，现特对灌浆锚固与传统焊接2种工况下的力学性能进行对比分析，以验证灌浆锚固方法在受力性能方面的可行性。2种梁柱节点连接工况如下。

　　1)工况1传统焊接形式。

　　2)工况2灌浆锚固形式，方柱外包裹截面为450mm×450mm、厚度为12mm的加强环。在钢柱一侧通过焊接形式连接若干块12mm厚钢板形成半封闭式空间，在该空间内放置H型钢，型钢腹板设置6mm厚L形加劲肋板，然后使用C60混凝土灌注填满剩余空间，形成装配式钢结构梁柱灌浆锚固节点。

　　3.1 边界条件

　　柱顶面与底面设置参考点，参考点与柱端面采用“运动耦合”，柱顶参考点约束x,y方向自由度，柱底参考点约束x,y,z方向自由度。在梁端面设置参考点，参考点与梁端面耦合，同时为避免梁在加载过程中发生平面外失稳而导致整个结构失效，有限元模型对钢梁端部采用侧向约束。

　　3.2 荷载工况分析

　　1)加载方式A在柱顶参考点上施加竖向力N=300k N及2个方向弯矩M_x=50k N·m,M_y=50k N·m。

　　2)加载方式B在梁端面参考点施加低周往复荷载，往复荷载持续32s，以位移控制加载，如图2所示。

　　3.3 本构模型

　　当钢材沿单方向加载进入塑性阶段后，随着荷载的增加，屈服应力提高，当反方向加载时屈服应力会随着位移的增加而降低，这种现象称为钢材包辛格效应。韩林海教授通过大量试验研究提出了一种可模拟钢材包辛格效应的本构关系模型，所采用的钢材本构模型是在此基础上将钢材塑性变形阶段与强化阶段采用1条斜直线代替，如图3所示。

　　图2 低周往复荷载示意  

　　图3 钢材本构模型  

　　混凝土采用塑性损伤本构模型，其在ABAQUS中有如下假定。

　　1)以受拉开裂和压碎来表示模型失效，材料在单轴拉伸或压缩时，分别表现为受拉损伤和受压损伤，塑性损伤取值为0～1(0表示材料完好，1表示完全丧失强度)。

　　2)单轴应力-应变曲线可转换为对应的塑性应力-应变曲线，ABAQUS程序会根据用户提供的非线性应变数据而自动完成转化。混凝土材料由于损伤引起刚度退化在宏观上主要表现在拉、压屈服强度不同，拉伸屈服后材料表现为软化，压缩屈服后材料先硬化后软化。模型中拉伸和压缩采用不同损伤因子来描述这种刚度退化，如图4、表1所示。

　　图4 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参数 

　　表1 混凝土塑性损伤模型参数

　　4 静力荷载作用下各工况受力性能分析

　　以加载方式A进行加载时，得出工况1,2位移云图及Mises应力云图，分别如图5,6所示。

　　图5 静力荷载作用下位移云图  

　　图6 静力荷载作用下Mises应力云图  

　　1)由图5可知，工况1在静力荷载作用下的最大等效位移为4.376mm，出现在柱顶部。工况2在静力荷载作用下的最大等效位移为4.249mm，同样出现于柱顶部，相比焊接形式，灌浆锚固节点最大等效位移减小0.127mm，减小了2.9%。

　　2)由图6可知，静力荷载作用下，工况1,2最大等效应力分别为157.2,162.2MPa，灌浆锚固方式相比传统焊接最大等效应力增加5MPa，提高了3.18%。

　　总之，灌浆锚固方式与传统焊接方式在静力荷载作用下的受力性能基本一致。

　　5 低周往复荷载作用下各工况受力性能分析

　　工况1,2在低周往复荷载作用下荷载-位移曲线如图7所示，纵坐标为反力绝对值。由图7可知，灌浆锚固与传统焊接形式达到破坏失效时的位移分别为9.0,9.6mm，对应反力值为3 801.6,4 147.7k N。灌浆锚固形式相比于传统焊接形式屈服时的反力值减小346.1k N，减小了8.34%。

　　图7 低周往复荷载作用下的荷载-位移曲线  

　　虽然在低周往复荷载作用下，灌浆锚固节点屈服时反力小于传统焊接形式，但减小幅度仅8.34%，且考虑到模拟误差及实际施工中焊接时的损耗，使用灌浆锚固代替传统焊接形式在受力性能方面并无不妥，且可大大提高现场安装效率及建造速度，降低成本。

　　6 结语

　　本文提出一种钢结构梁柱灌浆锚固节点连接方法。该新型灌浆锚固节点，利用高强混凝土或水泥基灌浆料将钢梁与钢柱锚固连接，充分发挥混凝土或水泥基灌浆料抗压性能较好与钢材抗拉性能较好的优点。借助有限元模型对2种连接方式下构件在静力荷载和低周往复荷载作用下的受力性能进行对比分析。分析结果表明，2种连接方式下，结构构件受力性能基本一致，所提出的新型灌浆锚固节点连接方式可解决钢结构制作加工、安装过程中存在的误差问题，使钢结构连接节点优于其他连接形式。