北京南站軌道層橋梁節點設計

劉祥君,白鴻國,施 威

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300142)

1 概述

在工程結構設計中,節點設計占有很重要的位置。構件雖強,能夠承受很大的內力,但如節點設計不正確,發生了節點先于構件的破壞,則整個結構也必然發生倒塌。因而節點設計的準則是：強柱、弱梁、節點更強。

北京南站軌道層橋梁結構與上、下結構柱的節點連接面臨一重大難題：軌道層結構上、下結構柱采用大直徑鋼管混凝土柱并貫通,而軌道層結構采用鋼筋混凝土縱、橫梁格構體系,承受列車疲勞荷載,截面尺寸大、配筋率高,節點連接設計困難。因此,軌道層結構鋼筋混凝土梁與上、下鋼管混凝土柱節點有效連接成為北京南站整體結構設計成功與否的關鍵技術之一。

2 節點技術特點

北京南站軌道層橋梁結構承受巨大的列車疲勞荷載,為使結構具有較強的剛度以滿足列車行駛舒適性要求和降低工程造價,設計采用鋼筋混凝土縱、橫梁格構體系。板厚50 cm,縱、橫梁結構采用跨中寬1.8 m×高2.0 m、支點寬1.8 m×高3.0 m為主要構件的鋼筋混凝土梁。9 m高架結構柱根據受力的需要采用了1.2 m×1.6 m或1.2 m×1.2 m的矩形鋼管混凝土柱和部分圓形鋼管混凝土柱,地下結構柱為了滿足受力需要及與上、下柱剛度匹配的要求,采用φ1.8 m圓鋼管混凝土柱,這決定了北京南站軌道層橋梁結構節點技術特點：

(1)大截面鋼筋混凝土梁與鋼管混凝土的節點連接,已經超出了常規建筑結構關于此類問題的處理范圍；

(2)柱截面由方變圓,截面形式不規則,形成不同截面對接節點,國內無先例；

(3)縱橫梁因受列車動載,對節點的疲勞性能要求較高；

(4)縱橫梁的節點內力較大,梁體配筋復雜,從而造成梁柱連接節點構造復雜。

3 節點構造方案研究

3.1 常規鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁節點研究[1]

隨著鋼管混凝土結構在我國建筑業不斷使用,國內眾多學者對其進行大量的研究和試驗。對鋼管混凝土梁柱節點,不少著作對其處理給出了典型的方案,常用的節點構造有以下幾種形式。

(1)加強環式節點

外加強環式節點采用鋼管混凝土柱在梁的上下翼緣位置設上下加強環,與梁內鋼筋焊接后,傳遞梁端彎矩,同時在上下環間焊一豎板,與梁內斜筋焊接,傳遞梁端剪力,此節點在工業與民用建筑中較為常見。但由于北京南站軌道層橋梁結構梁板結構尺寸大、梁端內力大、鋼筋配置復雜,若按此節點設需設置多層上下加強環板,供大量受力鋼筋焊接使用,并且加強環板面積較大,這樣多層加強板和鋼筋層層布置(層距很小),將導致混凝土澆筑不密實,影響鋼筋混凝土梁節點澆筑質量,并且受力鋼筋和加強板難于焊接施工,不能保證施工質量,存在安全隱患。外加強環形節點更適用于小體量、預制梁形結構,對北京南站軌道層橋梁結構不適用。

內加強環式節點也存在類似問題,并且北京南站軌道層橋梁結構梁在節點處有斜向加腋,梁下受力鋼筋與鋼管內加強環不能軸線對應,因此也不適用于北京南站軌道層橋梁結構。

(2)承重銷式和穿心鋼板(梁)式節點

承重銷式和穿心鋼板(梁)式節點采用在鋼管柱上開孔,鋼板穿心,使鋼筋混凝土梁與穿心鋼板連接,由穿心鋼板傳遞梁端彎矩和剪力,此節點較適用于大鋼管柱、小截面梁的情況。對于北京南站軌道層橋梁結構梁與柱基本同寬,若采用穿心板,基本會使上下鋼管截斷,不能滿足上下結構柱貫通的要求。

(3)鋼筋環繞式節點

鋼筋環繞式節點適用于梁寬與柱直徑接近的情況,從此點說符合北京南站軌道層橋梁結構節點尺寸特點,梁上部的受拉主筋環繞鋼管連續通過,鋼筋混凝土梁為連續梁,但此種節點依靠梁支座傳遞豎向力、依靠鋼管左右混凝土對鋼管的擠壓傳遞部分彎矩。因此此種梁柱節點屬于鉸接節點,從此意義講不能滿足軌道層結構縱橫梁格構體系要求的剛性連接要求,并且由于軌道層結構梁板配筋數量大,梁上部受拉鋼筋也不可能環繞鋼管柱通過。

(4)雙梁式節點

雙梁式節點受力特點與鋼筋環繞式節點比較類似,依靠梁支座傳遞豎向力,但由于雙梁連續貫通,受力鋼筋直通,梁內彎矩由鋼筋直接傳遞,屬于鉸接節點,不能滿足軌道層結構縱橫梁格構體系要求的剛性連接要求,并且北京南站軌道層橋梁結構若按此節點設計,必然使軌道層結構節點龐大,長寬約5.0 m左右,這勢必帶來節點復雜、施工難度大等困難,也對建筑凈空及綜合管線布置產生影響。

(5)鋼筋混凝土環梁式節點

鋼筋混凝土環梁式節點受力特點與以上兩種基本相似,為增加梁與柱連接的剛度,在節點外設置環梁甚至增設穿心牛腿,以進一步解決梁端彎矩傳遞問題。但是由于北京南站軌道層橋梁結構梁在節點附件采用斜向加腋,截面尺寸大,因此再在節點區增設鋼筋混凝土環梁,使節點尺寸更大,并且節點形式復雜,施工不便。

(6)鋼筋貫通式節點

鋼筋貫通式節點對開孔的大小、數量、角度都有比較嚴格的要求,也就限制了鋼筋貫通的數量和鋼筋布置位置,因此像大體量、配筋數量較大、復雜的結構不能適用。由于軌道層結構受力復雜,梁端內力較大,致使配筋較多,并且梁截面與柱截面相同,因此若采用開孔穿筋,全部鋼筋貫通必然大大削減鋼管有效面積,不能滿足上下結構柱貫通剛度匹配的要求,從而降低節點強度,不利于結構安全。并且軌道層結構每根梁的配筋數量不同,在鋼管柱上的開孔數量及個數也就不同,這很大程度上限制了鋼管柱及節點(加勁板和加強環板)在鋼結構加工廠的制作,若采用現場氣割擴孔將難于保證節點質量,造成應力集中,容易產生安全隱患。

對以上多種常見高層和民用建筑鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁連接節點方案論證分析,并基于北京南站軌道層橋梁結構節點的技術特點,以上類型均不能解決北京南站軌道層橋梁結構節點連接問題,并且以上類型均以高層和民用建筑等小體量的建筑結構為研究出發點,像類似北京南站軌道層橋梁結構承受列車疲勞荷載的大截面鋼筋混凝土梁均不適用。

3.2 北京南站軌道層橋梁結構節點構造

結合北京南站結構的特點,節點設計時根據以下原則進行節點設計,以保證結構安全、可靠及制作便捷：必須滿足強柱、弱梁、節點更強；節點構造與計算力學模型相一致；梁、柱節點傳力明確、簡潔；節點構造簡單,制作方便,便于保證施工質量。

北京南站軌道層橋梁結構節點設計上以梁柱受力、傳力途徑為基礎,借鑒以往鋼管混凝土梁柱節點處理方法,結合“型鋼混凝土組合結構技術規程”的技術要求,并在此基礎上進行創新,即產生在大構件、大截面鋼筋混凝土梁內設置鋼牛腿的技術方案,以連接鋼筋混凝土梁與上、下鋼管混凝土柱。

北京南站軌道層橋梁結構梁柱節點設計時,上下柱通過貫通的厚鋼板連接,軌道層結構混凝土框架梁和鋼管柱通過設置鋼牛腿連接。下面以軌道層橋梁結構節點類型中使用最多的節點說明軌道層橋梁結構節點構造。

上下柱方接圓節點對接構造：梁柱節點中間處設置連接厚鋼板以避開受力最大點,并且為保證上下柱內力直接、可靠的傳遞,在連接厚鋼板至鋼牛腿下翼緣對應的圓鋼管內隔板的連接區段內,設置與上柱壁板對應的通高加勁肋。此外,在厚鋼板上下均設加勁短肋以加強節點連接強度。在鋼管內,對應所有鋼牛腿上下翼緣處均設加勁隔板。

鋼筋混凝土梁與鋼管柱的連接：混凝土框架梁通過設置鋼牛腿和鋼管柱連接。鋼牛腿采用雙腹板,上下翼緣與鋼管柱等強連接,在翼緣對應位置,鋼管柱設內隔板。此外,鋼牛腿上翼緣根部加寬并形成環抱鋼管柱的外加強環板,以確保梁端彎矩的可靠傳遞。

鋼牛腿內置于鋼筋混凝土梁內,為保證梁端節點連接的抗震性能,設計時充分利用梁寬大于矩形鋼管柱柱寬的有利條件,部分配筋較大的框架梁按T形截面配筋,如圖1所示。

圖1 框架梁配筋構造(單位：mm)

通過設置鋼牛腿,成功地解決了鋼筋混凝土梁和鋼管混凝土柱的連接問題,為加強節點連接的可靠性,在鋼牛腿和鋼管柱節點設置焊釘。使得上部矩形鋼管混凝土柱和下部圓鋼管混凝土柱的連接強度得到進一步加強,又成功地解決了不同截面形式的鋼管混凝土柱的連接問題。考慮到結構承受較大的受力特點,將橋梁用鋼Q345q-D引入到建筑結構中。

3.3 梁體鋼筋與鋼牛腿連接構造[2～5]

(1)當節點上部有鋼柱時,節點范圍梁縱向受力鋼筋與鋼牛腿的連接構造為：雙方向混凝土框架梁的上下最外兩排縱筋設在鋼牛腿翼緣外側,其余設在翼緣內側。同時,在滿足構造要求的前提下(縱筋水平中心距離約為80 mm),梁上部兩排縱筋盡量從鋼管柱外側直通。梁上部兩排縱筋中不能直通的,以及其他各排縱筋,按下述辦法處理：梁上部最外排不能直通的縱筋與鋼牛腿搭接,按圖2(a)實施；其余縱筋的構造要求,按圖2(b)實施。

圖2 梁體受力縱筋與鋼牛腿連接示意(單位：mm)

當鋼牛腿為等截面時,梁下部最外排不能直通且不彎錨的縱筋構造同上部最外排縱筋。此外,當下柱不設外圍φ1 800 mm鋼管時,梁端下部兩排縱筋構造如下：內部鋼管范圍內的縱筋伸至鋼管表面并彎錨15d,其余縱筋中,不能彎折錨入鋼牛腿內的,伸至垂直方向鋼牛腿腹板表面并加標準鉤；當鋼筋錨固與內部鋼柱和垂直方向鋼牛腿不沖突時,錨固構造按一般混凝土梁柱節點構造處理；當節點兩側都有鋼牛腿時,兩側的腋下筋貫通設置。

(2)鋼牛腿范圍內的箍筋間距均為100 mm。翼緣縱向開長圓孔范圍內設4肢箍,長圓孔范圍外設外圍封閉箍；此外,橫向翼緣范圍外的其余箍筋照常設置,無法做成封閉箍時可采用豎向拉筋。翼緣寬度范圍內的箍筋可僅在鋼牛腿上下翼緣以外設置,間距按箍筋加密區要求,做法可參考鋼牛腿范圍內的橫向拉筋構造：在兩側分別設置,采用U形構造,外側開口端勾住縱筋,內側封閉端延伸至腹板表面。此外,在腹板開孔處,均設φ12 mm貫通拉筋。梁柱節點范圍內,柱縱向附加構造筋也參考上述構造設置φ8 mm橫向拉筋,橫向間距200 mm,豎向間距100 mm。如圖3、圖4所示。

圖3 節點區箍筋加密

圖4 上翼緣板開孔

(3)等截面梁段的各排下筋,與梁端腋下筋相互錨固,并使不少于半數鋼筋錨入牛腿范圍(間隔設置)。

(4)為進一步加強鋼筋混凝土梁與鋼牛腿的有效連接,在節點范圍內的鋼牛腿和鋼管柱與混凝土的接觸面,設置滿布的焊釘,以保證混凝土和鋼結構的整體性。同時,在鋼牛腿上下翼緣、腹板、鋼管柱的內隔板、加勁肋上均設置一定數量的混凝土澆筑振搗孔和透氣孔,以方便混凝土澆筑,確保混凝土的密實性,并且在翼緣根部設置加強環板、下翼緣開孔圍焊縱向鋼筋等構造措施,確保節點受力安全及鋼筋與鋼牛腿有效連接。如圖5所示。

3.4 北京南站軌道層橋梁結構節點類型

北京南站軌道層橋梁結構需要設置鋼牛腿的節點共計211個,數量較多,并且由于每個節點處鋼筋混凝土梁根數和梁截面尺寸、上下結構柱是否貫通、貫通上下柱結構尺寸和截面類型、尺寸等多種因素的影響,都需要根據實際情況分別設計。軌道層結構節點類型多樣、形式各異,經設計細化、優化后類型共計37種(不區分平面內梁與梁交匯角度不同情況)。本文僅對上下柱截面尺寸不同節點列舉示意。如圖6所示。

圖5 下翼緣開孔圍焊縱向鋼筋

由于Ⅱ-1和Ⅱ-3區列車走行區與非列車走行區結構高程不同,采用了結構錯層形式,因而在交界處產生多種組合節點,如圖7所示。

圖6 上下柱截面尺寸不同節點示意(單位：mm)

圖7 組合節點

4 節點計算分析

4.1 節點鋼牛腿翼緣面積計算公式

根據以上設計方法,節點鋼牛腿翼緣需承擔由于部分鋼筋截斷而分配的負彎矩,因此節點鋼牛腿翼緣面積計算可簡化以下公式

式中n——框梁內允許截斷鋼筋的根數；

Af——節點鋼牛腿翼緣的有效面積；

α1——考慮框架梁有效高度變化的影響系數,對于軌行區軌道層結構α1取1.1,對于弧頂等其他區域α1取1.2；

α2——考慮框架梁鋼筋與鋼牛腿強度差異的影響系數,對于軌行區軌道層與弧頂,α2均取1.17；

As——框梁內單根鋼筋(φ32 mm)面積,為8.04 cm2。

如：上翼緣寬度800+800=1 600 mm,孔寬度150 mm,上翼緣厚度50 mm,Af=72 500 mm2,α1=1.1,α2=1.17,計算得n=71。經與圖紙校核,節點鋼牛腿上、下翼緣面積均滿足要求。

4.2 節點鋼牛腿腹板驗算公式

根據以上設計思路,節點處豎向剪力完全由節點鋼牛腿腹板承擔,因此節點鋼牛腿腹板驗算簡化公式為

式中τ——牛腿腹板剪應力；

V——截面作用的剪力值；

Aw——節點鋼牛腿腹板的有效面積。

如：剪力最大值V=8 374 kN,腹板高度1 900 mm,腹板厚度40 mm,計算得剪應力τ=55.1 MPa<120 MPa,滿足強度要求。

5 結語

北京南站軌道層橋梁結構節點根據北京南站整體結構自身特點,以梁柱受力、傳力途徑為基礎,借鑒以往鋼管混凝土梁柱節點處理方法,結合“型鋼混凝土組合結構技術規程”的技術要求,并在此基礎上進行創新,即產生在大構件、大截面鋼筋混凝土梁內設置鋼牛腿的技術方案,首次提出了大承載能力型鋼混凝土聯結過渡方式節點概念。以連接鋼筋混凝土梁與上、下鋼管混凝土柱,成功解決了大截面鋼筋混凝土梁與異形鋼管混凝土柱連接問題,為北京南站結構地下結構層、軌道層和9 m高架層有效連接奠定了基礎。此類型的節點在國內房屋建筑結構和橋梁結構領域尚未使用。

[1] 韓林海,楊有福.現代鋼管混凝土結構技術[M].北京：中國建筑工業出版社,2007.

[2] TB10002.3—2005,鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力鋼筋混凝土結構設計規范[S].

[3] GB50010—2002，混凝土結構設計規范[S].

[4] TB10002.2—2005，鐵路橋梁鋼結構設計規范[S].

[5] GB 50017—2003，鋼結構設計規范[S].