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第一章 前言
1 目前我国装配式建筑存在的问题
装配式建筑在我国方兴未艾，包括有装配式钢结构、装配式混凝土结构、装配式木结构等结构形式。其中装配式钢结构在工业厂房、大型公共建筑等大跨度建筑使用较为广泛，充分发挥了钢结构大跨度、轻巧、灵活等优点。
装配式建筑核心问题是连接，如何将传统结构的梁、柱、墙、板等构件在工厂加工后在现场连接起来，这是装配式建筑的最核心的问题。装配式建筑要在连接问题上有所突破，关键还是需要处理好节点，也就是处理好梁柱节点、柱柱节点、板梁节点等。然而，目前我国现阶段的几种装配式建筑在这些连接问题处理上还存在较多缺陷。
钢结构构件的连接方法有三种方式：①焊接；②螺栓连接；③铆钉连接。第一种焊接方式，由于被连接构件局部受热和焊后不均匀冷却，会使钢结构母材产生焊接残余应力和焊接变形。焊接连接时，对焊工技术要求高，现场施工效率低下，现场施工安全风险较高。第二种螺栓连接方式，又分普通螺栓连接和高强度螺栓连接。采用螺栓连接时，构件定位、校正、连接对施工作业人员技术要求较高，且费时、费工。在施工现场违反设计及施工规范进行切割、扩孔、补焊等现象屡禁不止。第三种铆接方式由于工艺复杂一般工业与民用建筑很少采用。
2 钢结构连接节点解决办法与思考
对于钢结构梁柱连接，笔者经过多年钢结构施工总结及研究，提出了一种钢结构梁柱灌浆锚固节点连接方法。现已通过国家专利局实用新型专利审核。
这种新型灌浆锚固节点，采用高强混凝土或水泥基灌浆料把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，使钢结构连接节点优于其他连接形式。这种新型灌浆锚固梁柱节点有利于钢柱与钢梁之间力的传导，钢梁上的锚固件插入钢柱牛腿中的灌浆箱体锚固的方式不仅可实现钢柱与钢梁的可靠连接，同时可有效约束钢梁的端部。梁柱节点核心区整体性加强，符合现阶段结构设计和抗震设计的基本要求，即“强柱弱梁”、“强节点”。这种新型灌浆锚固梁柱节点解决了钢结构制作加工、安装过程中存在误差的问题。把制作加工、安装的误差在灌浆箱体内消耗吸收，大大提高现场安装的效率，提高了建造速度，成本大大降低。
第二章 某二层框架主体结构力学性能分析
1 工程概况
该项目位于某市，建筑功能为两层临时性办公建筑，层高3米，典型房间为3.3mX6m，南侧二层走廊宽度1.2m，屋面双坡坡度5%，屋面设置雨棚。建筑高度6m，建筑面积为118.8。楼面、墙面采用自重较小的轻质复合材料。
2 有限元模型的建立
利用有限元软件盈建科建立主体框架结构的分析模型，如图1所示。
图1主体框架结构三维有限元模型
1、构件选型
其中，框架柱选用方柱150*150*6*6，暗柱选用方柱75*75*6*6，采用Q345钢，一层所有梁选用H150*100*5*8，二层屋面梁选用H100*50*5*8，采用Q235钢，楼板为轻质楼板，具体梁柱布置和选型见图2-1和图2-2。
图2-1二层梁柱布置和选型图
图2-1屋面梁柱布置和选型图
2、荷载取值
根据楼面屋面的具体做法和建筑的使用性质，二层楼面恒载取值为2.5KN/㎡（1.5kN/㎡楼板自重+1KN/㎡附加恒载），活载取值为2.0KN/㎡；二层屋面恒载取值为0.75KN/㎡，（0.5KN/㎡轻质屋面+0.25KN/㎡屋面保温），不上人屋面活载取0.5KN/㎡，隔墙荷载取1.8KN/m。风荷载根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）第八章相关规定选取。由于该建筑为临时性建筑，所以不考虑地震荷载的作用。
3有限元分析结果
在上述荷载取值和梁柱截面选型的条件下，利用有限元软件对主体结构的承载力进行计算，结算结果表明该结构体系是安全可靠的，梁柱的应力比简图如图3-1和图3-2所示。
图3-1第一层梁柱应力比简图
图3-2第二层梁柱应力比简图
为给下文验算装配式钢结构梁柱灌浆锚固节点的力学性能提供荷载依据，此处在各种荷载组合中，选取了最不利荷载作为下文节点的加载荷载。通过比对，得出最不利荷载对应的荷载组合为恒载+活载+风载的荷载组合，在这个工况的作用下，框架梁的内力图如图4-1和图4-2所示，梁端弯矩为20.9kN.m，剪力为24.7kN。
图4-1一层框架梁弯矩图
图4-2一层框架梁剪力图
第三章 节点力学性能分析
1 有限元概述
有限元法是现代产品及其结构设计的重要工具，它的基本思想是将连续的物理模型离散为有限的单元体，使其只在有限个指定的节点上相互连接，然后对每个单元选择一个比较简单的函数，近似模拟该单元的物理量，如单元的位移或应力，并基于问题描述的基本方程建立单元节点的平衡方程组，再把所有单元的方程组集成为整个结构力学特性的整体代数方程组，最后引入边界条件求解代数方程组而获得数值解，如结构的位移分布和应力分布。有限元仿真和优化设计方法可以贯穿整个产品的全部过程，平行于每一个设计环节的精确分析及优化，减少了设计过程中的缺陷和不足，大大提高了产品的质量和可靠性。
ANSYS Workbench不但继承了ANSYS Mechanical APDL界面在有限元仿真分析上的大部分强大功能，并提供CAD双向参数链接互动、项目数据自动更新机制、全新的参数、无缝集成的优化设计工具等， 并且提供了强大的三维实体建模功能。其结构静力分析功能不仅可以进行线性分析，而且可以进行非线性分析，包括材料非线性、几何非线性、单元非线性问题。复杂系统的仿真和高性能计算的创新驱动，为本文研究的装配式钢结构梁柱灌浆锚固节点静力仿真提供了更高的计算效率和可靠的精度。
基于该构件形式复杂的特点，本次模拟使用ANSYS Workbench作数值模拟的工具。本次分析主要涉及四种工况，每种工况的主要组成构件有钢柱、型钢梁、牛腿、外围固定钢板、肋板等。各个构件的装配关系为：在钢柱一侧通过焊接的形式连接若干块6mm厚钢板形成半封闭式空间，在该空间内放置长180、截面尺寸为150*100*5*8的型钢，型钢腹板设置6mm厚加劲肋板，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。第一类节点构造形式如下图所示，本次模拟所采用的的构造形式均是在该节点上进行修改。
图1第一类节点装配示意图
2 有限元模型的建立
2.1材料本构
材料本构模型反映了材料的特性，直接关系到有限元实体模型在荷载作用下的反应是否与实际相符。材料的本构模型一般是指材料的应力张量与应变张量的关系，即材料本身固有的物理方程，它是受荷载过程中材料内部微观变形机理的宏观体现。对于任何类型、体系和荷载作用情况的结构，非线性本构模型的准确性是构件受力状态的计算可靠性和精度的前提条件。按照工况不同，本次有限元分析中采用的钢构件分为Q235与Q345两类，混凝土均采用C60高强混凝土。在现有研究中，钢材基于屈服强度的本构模型研究已经相当成熟，为有限元分析提供了完备的理论基础。
一般认为，钢材的受压应力-应变关系曲线与受拉曲线相同，至少在屈服前和屈服台阶相同。钢材的本构模型主要有：理想弹塑形模型如图2.1(a)所示，此模型最简单，一般结构破坏时钢筋的应变(≯1)尚未进入强化段，此模型适用；弹性强化模型，即二折线模型，如图2.1(b)所示，屈服后的应力-应变关系简化为很缓的斜直线，可取Es’=0.01E，其优点是应力和应变关系的唯一性；弹-塑形强化模型较为复杂一些，如图2.1(c)所示，但可以较为准确的描述钢材的大变形性能。
本文采用理想弹塑形模型模拟钢材的力学性能，力学性能参考GB/T700-2006建议的屈服强度取值，Q235选取为235MPa，Q345选取为345MPa，弹性模量均为2MPa，泊松比取0.3。C60混凝土按照《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）轴心抗压强度取38.5MPa，轴心抗拉强度取2.85MPa，弹性模量取3.6MPa，泊松比取0.167.
（a）理想弹塑性模型 （b）弹性强化模型（c）弹塑性强化模型
图2.1 本构模型
2.2单元类型及网格划分
在ANSYS Workbench中，从简便的自动划分网格到高级划分网格，ANSYS Meshing都有完美的解决方案，其网格划分技术继承了ANSYS Mechanical、ANSYS CFD、ANSYS ICEM CFD和CADOE等ANSYS各结构网格划分程序的相关功能。ANSYS Meshing根据所求解的问题的物理类型设定了相应的、智能化的网格划分程序。
装配式钢结构梁柱灌浆锚固节点模型中主要考虑各个构件的应力应变分布情况，模型按照实际构件尺寸进行建模。ANSYS Workbench对于实体单元的默认单元类型是10节点的四面体单元（Solid187）和20节点的六面体单元（Solid186），对于壳体是4节点的四边形单元（Shell181），对于梁是2节点的梁单元（Beam188）。本模型中的规则钢构件主要采用六面体单元，不规则钢构件和薄件选用四面体单元，混凝土单元则采用经典Solid65单元。3维固体结构单元具有的二次位移模式可以很好的模拟不规则的网格，单元每个节点有沿着xyz方向平移的自由度，同时具有任意方向的空间各向异性，支持塑性、大变形和大应变能力。对于构件形式多样、接触较为复杂的问题，具有较高的分析精度。
在弹塑性力学问题中，单元的质量和数量对求解结果和求解过程的影响较大。但是对于大变形问题的求解，过于密集的单元容易出现错误或者不收敛的情况，同时计算机资源占用量显著增加。因此，有限元数值模拟试验中应当尝试多种单元尺寸，从而在计算结果收敛的前提下获得较为合适的单元尺寸，本次研究中根据情况适当增加连接件组件和潜在破坏面的网格密度。
ANSYS Workbench按网格划分手段提供了自动划分法、扫掠法、多域法三种网格划分方法。自动网格划分法为默认的网格划分方法，依赖ANSYS强大的自动化能力，通过实用智能的默认设置简化一个新几何体的网格初始化，对可以扫掠的实体采用扫掠方法划分六面体网格，对不能扫掠划分的实体采用协调分片算法划分四面体网格。在导入多体部件后，相互独立的构件之间在网格划分中就能拓扑共享，在Mesh中就表现为接触面上的网格是相互匹配的，能够较好的模拟实际工况中构件的传力情况。在自动网格划分的基础上，通过相关性和相关中心、曲率控制、跨度角中心和最大单元尺寸等工具对曲率较大或接触面发生突变的线与面进一步网格划分，具体划分参数此处不再赘述。网格划分结果示例如图2.2所示。
图2.2网格划分示意图
2.3边界条件及接触条件
2.3.1边界条件
有限元模型的约束条件应当与实际工程应用情况保持一致。本次主要为了研究在设计最不利荷载条件下锚固节点的力学性能，为了能够还原实际的安装条件，并且能够保持构件在分析过程中能够保持稳定，不发生剧烈的刚体转动而导致分析不收敛，在钢柱上下两个截面设置全自由度约束（Fixed to ground），约束情况如图2.3.1所示。
图2.3.1某工况约束情况示意图
2.3.2接触条件
有限元模型中的接触条件主要有三种：无摩擦接触、摩擦接触和接合接触。本次分析中钢构件之间采用接合接触（Bonded）的方式模拟钢构件的焊接情况；钢构件与混凝土之间则采用摩擦接触（Frictional），摩擦系数取0.2。
2.4分析步及加载方式定义
此次有限元数值模拟仅考虑在某个最不利荷载下的构件应力和应变的分布情况，是一个静态加载的过程，因此在求解器中只设置一个静态分析步。经整体结构的分析计算，在1.3（恒载）+1.5（活载）+0.9（X风）条件下第一标准层出现了弯矩（20.9kN*m）与剪力（24.7kN）最大的梁柱节点。为模拟该最不利荷载工况，加载方式如下图所示。
图2.4加载方式
3 有限元分析结果
本项目重点研究在最不利荷载组合作用下，四种构造形式的装配式钢结构梁柱灌浆锚固节点的应力与应变分布情况，从而为实际工程应用提出参考性建议。
3.1构造形式一
第一类锚固节点的构造形式如下图所示，其中钢材均为采用Q235的线性强化本构模型，型钢截面为150*100*5*8，在混凝土外围钢板的末端采用封闭式结构，且牛腿外围钢板除上盖板外其余部分与柱焊接。
图3.1.1构造形式一示意图
该构造形式在最不利荷载组合下的应力云图与变形云图如下所示。
图3.1.2von-Mises应力云图
图3.1.3变形云图
经分析，构造形式一在节点上盖板的内侧拐角处出现了应力集中的情况，由于材料本构模型采用的是线性强化模型，因此等效应力达到665MPa，远超Q235的屈服强度值；该形式的竖向变形较为明显，最大值出现在牛腿末端，变形值为1mm。
3.2构造形式二
第二类锚固节点的构造形式如下图所示，其中钢材均为采用Q345的理想弹塑性本构模型，型钢截面为150*100*5*8。在构造形式一的基础上取消牛腿末端的封闭挡板，将外围钢板上盖板与柱焊接，并在上下靠近钢柱侧分别设置4个50*50*8的三角形加劲肋板。
图3.2.1构造形式二示意图
该构造形式在最不利荷载组合下的应力云图与变形云图如下所示。
图3.2.2von-Mises应力云图
图3.2.3变形云图
经分析，构造形式二整体受力较为均匀，混凝土与钢构件协同承载外力，整个锚固节点的应力值普遍低于200MPa，虽然在三角形加劲肋的角点处出现了应力集中的现象，但最大等效应力仅为301MPa，低于Q345的屈服强度值；节点的最大变形仍然出现在外伸牛腿的末端，最大变形值为0.5mm，作为悬臂梁满足相关挠度要求。
3.3构造形式三
第三类锚固节点的构造形式如下图所示，其中钢材均为采用Q235的线性强化本构模型，型钢截面为150*100*5*8。在构造形式二的基础上减少两个三角形加劲肋板，并将三角肋板的厚度减少至6mm。
图3.3.1构造形式三示意图
该构造形式在最不利荷载组合下的应力云图与变形云图如下所示。
图3.3.2von-Mises应力云图
图3.3.3变形云图
经分析，构造形式三整体受力较为均匀，但在三角形加劲肋的角点处出现了应力集中的现象，最大等效应力达到了474MPa，远高于Q235的屈服强度值；节点的最大变形仍然出现在外伸牛腿的末端，最大变形值为0.7mm。
3.4构造形式四
第四类锚固节点的构造形式侧视图和剖面图如下所示，其中钢材均为采用Q345的理想弹塑性本构模型，H型钢截面为200*100*6*8。型钢腹板两侧设置四个通长加劲肋，另外通过焊接的形式沿着型钢腹板与中间的肋板的轮廓将钢板向下延伸130mm插入下部的混凝土之中，在牛腿上侧焊接两个100*100*8的三角形加劲肋。
图3.4.1构造形式二示意图
该构造形式在最不利荷载组合下的应力云图与变形云图如下所示。
图3.4.2von-Mises应力云图
图3.4.3变形云图
经分析，该构造形式上部钢梁与下部混凝土牛腿之间锚固良好，整体受力较为均匀，整个锚固节点的应力值普遍低于200MPa。由于加大了三角加劲肋的尺寸与厚度，因此该处不会像构造形式二与构造形式三在该处出现应力集中的现象。外部的剪力与弯矩先是由H型钢承载，因此在型钢梁的荷载施加面下侧出现了较大的应力，等效应力为308MPa，低于Q345的屈服强度值。另外，节点的最大变形出现在刚度较低的型钢梁上翼缘局部，最大变形值为1mm，而下部的牛腿并为出现明显变形，作为悬臂梁满足相关挠度要求。
4 结论
本章通过采用ANSYS workbench有限元软件，建立了由H型钢、钢板与混凝土组成的装配式钢结构梁柱灌浆锚固节点，对四种不同类型的构造节点在最不利荷载下的应力与变形做了详细的分析，分析结果表明：
（1）采用有限元软件ANSYS workbench，按照本项目建模分析步骤，计算得到的应力分布与潜在破坏形态等与工程经验吻合良好，可以满足实际应用的研究要求。
（2）通过提高钢材强度、增加钢板厚度、设置加劲肋、采用合适的节点构造形式能够有效提高节点的承载能力。
（3）在本次采用有限元分析的四类节点构造形式中，构造形式二与构造形式四在最不利荷载工况下的静力响应较为良好，应力分布均匀、变形较小，满足相关设计要求。
