型鋼混凝土框架節點設計探討

馬新英

(上海建工二建集團有限公司工程設計研究院，上海 200090)

1 概述

近年來，隨著我國經濟建設快速發展，修建了大量的建筑結構，建筑設計外形越來越美觀，布置形式靈活多樣，對結構提出了更多的要求。其中之一是結構經常遇到大空間和局部轉換，轉換結構的設計成為整個結構設計的重點之一，型鋼混凝土框架為常用的轉換結構形式之一［1-3］。型鋼混凝土框架是指框架柱和梁均以型鋼為骨架，外包鋼筋混凝土所形成的結構。

與鋼結構相比，其優點是可節省鋼材、降低造價而且混凝土兼有參與構件受力與保護層的功能，在防火和耐久性方面具有明顯的優越性，混凝土還可提高型鋼的整體穩定性，鋼板的局部屈曲、彎曲失穩及梁的側向失穩不易發生［4，5］。與普通鋼筋混凝土結構相比，構件截面積較小，滿足凈空要求，構件的抗壓、剪切和彎曲承載力大幅度提高，徐變變形較小，且施工時可利用型鋼做支架來承擔施工荷載，提高施工效率，降低了施工風險。

近年來隨著型鋼混凝土組合結構構件的研究增多和相關設計理論的成熟，其在工程建設中的應用越來越多，但由于型鋼混凝土梁柱節點處構件尺寸相對較小、鋼筋較密，型鋼梁、柱節點處連接構造和受力復雜，影響因素較多，節點在設計理論和實際應用中存在諸多問題，限制了型鋼混凝土結構在實際工程中的應用［6］。節點設計除了滿足承載力要求以外，還要盡量考慮施工方便，對節點設計，《型鋼混凝土組合結構技術規程》［7］中已有一般要求，但是其要求比較籠統，圖集中常常把型鋼和鋼筋分別表示，無法真實顯示各自的布置及相互影響。實際設計中，型鋼混凝土梁、柱交接處鋼筋、型鋼復雜多樣，互相影響，所以如何實現節點設計的傳力明確、構造合理和易于施工是關鍵所在，這需要設計人員根據具體工程結構的情況進行精心設計［8-10］。本文以一個實際帶轉換梁的局部大空間框架結構為例，針對型鋼混凝土梁和型鋼混凝土柱的節點以及柱腳節點設計從受力、構造和施工角度展開探討。

2 工程概況

本工程是一座混凝土框架結構的行政辦公樓，建筑層數6層，總高度22.45 m，場地屬于可進行建設的一般場地，場地類別為Ⅱ類。場地地下水主要為潛水和基巖裂縫水，對混凝土結構無腐蝕性，采用粘土層作為持力層，基礎為條形地基梁，結構立面布置如圖1所示。

圖1 立面布置圖

建筑設計要求，在4層頂轉換，在綜合比較預應力混凝土梁和型鋼混凝土梁兩種結構形式后，選擇型鋼梁作為轉換梁設計方案。這主要是因為預應力混凝土梁方案需要專門的施工技術和隊伍，考慮到本工程地處縣城，當地施工水平有限，同時考慮到轉換梁位置高，高空作業，施工風險較大。而型鋼混凝土梁方案不需特殊設備與施工隊伍，且利用型鋼作為后續混凝土施工的支架，降低施工風險并能加快施工進度，因此其可滿足結構受力性能和實際施工兩方面的要求。

3 型鋼混凝土框架梁柱節點設計

由于辦公樓建筑使用功能的要求，結構中部有一個大跨度轉換框架，中間跨度21.2 m，梁底標高13.5 m，經比選后，該大跨度轉換采用型鋼混凝土梁和型鋼混凝土柱，型鋼混凝土框架以及梁柱截面如圖2所示。

本工程設計時，在受力分析基礎上，設計原則是按強柱、弱梁和節點核心區更強來考慮，首先確定了型鋼梁和柱的尺寸、型鋼類型和尺寸及配筋布置等，進而開展節點的設計。節點采用剛性連接方式，設計主要考慮因素有:

1)滿足計算強度、剛度、裂縫及規范要求的配筋率和配箍率條件;

圖2 型鋼混凝土框架及梁柱截面圖

2)力求梁柱連接可靠，內力通過節點可靠傳遞;

3)施工的便利性，為保證梁柱節點區混凝土的密實性，節點的連接構造力求簡單，主筋布置合理，便于澆筑混凝土，而且還要考慮型鋼結構焊接方便，確保梁端型鋼部分的應力能可靠地傳遞到型鋼柱。下面結合本工程型鋼混凝土梁柱特點，對涉及的型鋼混凝土梁柱節點和柱腳節點設計給予詳細論述。

3.1 柱腳節點設計

型鋼混凝土柱與地基梁的連接采用剛性連接，地基梁的縱向鋼筋伸入型鋼混凝土柱節點，為滿足鋼筋錨固要求，采用鋼筋混凝土地基梁縱向貫通。其次，設計時為避免地基梁縱向鋼筋與型鋼混凝土柱內型鋼直接焊接或穿過型鋼翼緣，地基梁在柱腳節點處加水平腋，縱筋采用了繞避的布置方式，為了確保鋼筋能夠順利布置，設計采用1∶1比例放樣。同時在柱型鋼與梁鋼筋水平處翼緣之間設置加勁肋，以防翼緣失穩，如圖3所示。

注意，鋼筋繞開柱子時，不能緊靠型鋼，應留出50 mm距離，因為施工時，如果是先綁扎好地基梁中的鋼筋，再吊裝柱中的型鋼，而柱腳處的墊板范圍比柱中型鋼寬出50 mm，否則吊裝就位時會遇到困難。

3.2 梁柱節點

型鋼混凝土梁柱節點設計在構造方面的難點主要包括兩個方面:

1)如何處理構件中縱筋與型鋼間的關系，一般很難避免縱筋穿過型鋼鋼板的現象發生;

2)梁柱相交處型鋼之間的連接構造。本工程梁柱節點設計為在距離柱邊1.4 m處拼接，考慮到上述兩方面因素，梁、柱中分別采用實腹式工字鋼和H型鋼，梁柱節點采用柱內H型鋼上下貫通的剛性連接方式，梁中工字型鋼在柱H型鋼兩側斷開，采用坡口焊與柱H型鋼翼緣焊接。在柱H型鋼翼緣之間對應于梁工字鋼上下翼緣水平處各設一道橫隔板，以保證梁翼緣傳來的拉力可靠地傳遞到節點，并防止柱型鋼翼緣板發生局部屈曲。橫隔板上設有排氣孔，以便混凝土澆筑時，空氣能順利溢出。為加強錨固，在梁與柱型鋼翼緣上設置間距為150 mm，直徑19 mm，長度為80 mm的栓釘，符合《型鋼混凝土組合結構技術規程》的規定。

圖3 柱腳節點構造圖

型鋼混凝土框架結構抗震設防類別為丙類，抗震等級為三級，因此，梁柱節點設計不僅要保證節點具有足夠的承載力，同時需要具有充分的塑性轉動能力。為了提高型鋼混凝土柱與型鋼混凝土梁之間的節點延性，將梁端塑性鉸外移，采用柱外帶懸臂梁段的加強型連接節點，懸臂梁段與柱的型鋼構件間在工廠進行全熔透焊接連接，中間梁段在工地進行現場拼接。拼接時應先安裝腹板的高強度螺栓，采用全熔透坡口焊縫進行翼緣處的連接。

節點工廠預制，焊縫質量有保證，減少高空作業，有利于確保施工質量和安全。減少梁柱之間的連接螺栓，有利于節點處箍筋的穿過和縱筋的布置，見圖4。

圖4 梁柱節點型鋼連接構造圖

型鋼梁中的配筋要根據梁的強度、剛度、裂縫計算確定，同時要考慮施工因素，在此需注意，如果采用大直徑鋼筋，雖然會減少鋼筋穿過型鋼的數量，易于施工，但對裂縫的控制有時是很不利的，勁性混凝土梁中的鋼筋，一個重要作用是控制裂縫寬度。考慮到節點受力特點、混凝土澆筑質量以及施工便利性，對梁柱節點鋼筋排布進行優化，盡量增加繞過鋼結構鋼筋的數量，減少穿鋼結構鋼筋的數量，柱箍筋入梁，梁箍筋不入柱。

圖5 梁柱節點鋼筋連接構造及節點區梁上、下部鋼筋示意圖

具體對本工程，與型鋼混凝土轉換梁垂直方向的梁采用普通鋼筋混凝土梁，經過仔細設計考慮，選用φ25鋼筋，兩個方向均為雙層布置，上部鋼筋與下部鋼筋在節點中的處理方式有所不同，上部鋼筋柱翼緣外1∶6斜度繞過，柱翼緣內打孔穿過，下部鋼筋柱翼緣外1∶6斜度繞過，柱翼緣內通過鋼筋連接板焊接。也采用1∶1放樣，確保施工時鋼筋能順利通過節點，型鋼中的鉆孔要準確定位。為保證規范要求的節點配箍率，采用φ16間距100 mm，箍筋遇梁腹板，腹板預先打孔，孔徑21 mm，間距100 mm，如圖5所示。

型鋼混凝土節點澆筑過程中，考慮到栓釘、水平加勁肋和橫向箍筋等的阻擋，需保證混凝土澆搗的密實性，應注意防止出現在型鋼翼緣底面，加勁肋隔板底面形成死角，施工中應加強振搗，注意養護。

4 結語

型鋼混凝土組合結構由于其承載力高、延性好、變形能力強、施工快捷、造價低等優點，在實際工程中得到了較為廣泛的應用，本文結合一實際工程，對型鋼混凝土框架結構的節點設計從受力、構造和施工等方面進行了討論，主要結論如下:

1)節點是連接梁、柱并傳遞內力的關鍵部位，節點設計應從受力、構造和施工等方面綜合考慮，使得設計的節點傳力明確，構造合理簡單，便于澆筑混凝土，確保梁端型鋼部分的應力能可靠地傳遞到柱型鋼，滿足正常使用和極限強度等方面的要求;

2)考慮施工的便利性，通常利用等強代換以減少截面內主梁鋼筋的數量，這可以簡化節點構造，但這時需注意是否滿足正常使用條件下的裂縫控制要求;

3)通過本工程實際施工的反饋看，上述型鋼混凝土節點設計方案經濟可行，顯著縮短了施工周期，降低了施工風險，增強了施工質量，設計節點可供同類結構參考。

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