淺談鋼梁柱
--外加強環板節點

徐松波，張成領，陳龍

淺談鋼梁柱
--外加強環板節點

Discussion on the Steel Beams-Outside Reinforcement Ring Plate Nodes

徐松波11，張成領22，陳龍11

1 引言

近年來，由于新型干法水泥生產線規模的不斷增大，主要建筑物預熱器窯尾塔架的層高也不斷增加——單系列5000t/d熟料規模生產線的框架頂層樓面已達125m之高。該結構通常平面尺寸較小、高度較大，底部幾層單根梁柱的內力大，鋼管混凝土柱和鋼結構梁因其特有的性能優勢而被廣泛采用。然而頂部幾層梁柱的內力相對較小，但為了保持柱的連續性，通常上部樓層仍然采用鋼管結構，取消內灌混凝土，即為鋼管柱。

自下而上所有的梁柱節點通常都采用外加強環板的剛性連接。設計時容易忽略鋼梁與這兩種不同類型柱的連接節點的差異，而簡單地按同一種連接節點考慮，未能正確地考慮外加強環板寬度的差別而造成潛在的設計風險。

鋼管混凝土柱-鋼梁的梁柱節點設計在現階段主要依據規程CECS 28:2012。鋼框架主梁與鋼管混凝土柱為剛性節點，采用最多的是外加強環板的節點連接方式。

鋼管-鋼梁的外加強環板的節點連接主要參照《圖集多、高層民用建筑鋼結構節點構造詳圖》（01SG519），其計算可對照日本AIJ的規范。

2 外加強環板的形式和特點

2.1 外加強環板的形式

鋼管混凝土柱或鋼管柱在梁的上下翼緣位置設置上下加強環，與梁相連后，傳遞梁端彎矩。同時在上下環板之間焊一豎板，以傳遞梁端剪力[1]。上下環板采用全熔透焊縫與鋼管柱焊接的腹板連接。

加強環板有多種形式，這里僅討論在窯尾塔架中應用最多的弧形加強環，如圖1所示。此類型的加強環板，外形曲線光滑，無明顯應力集中點。制作時應采用機器切割，外形應平整光滑，無裂紋、刻痕。

2.2 外加強環板的特點

根據現有實驗研究成果和工程實踐經驗，梁柱剛性節點采用外加強環形式安全可靠，便于混凝土澆灌施工，同時加強環能和管柱共同工作，能可靠地將梁的內力傳給柱肢，而且由于加強環的存在，管壁受力均勻，可防止局部應力集中，改善節點受力性能，也可增強節點和構件在水平方向的剛性[2]，即傳力明確，節點區應力分布比較均勻，剛度大，塑性性能好，承載力高。

柱頭部分可以在工廠加工制作，將梁端連同加強環板與管柱段一起加工焊好，形成小段的鋼梁?，F場施工時，只需將二者等強焊接即可，非常方便。

3 外加強環板的設計計算

加強環板的設計計算，應滿足以下兩個條件：（1）梁端等強過渡并符合構造要求；（2）環板的設計承載力安全、可靠。環板的承載力受最大應力斷面控制，對于第Ⅳ型弧形環板，當單向受拉時，最大應力是與力成30°角環板外緣的環向應力；當雙向受拉時，由于應力的疊加，在與力方向成45°斷面最小處的外緣環向拉應力最大，首先屈服[2]。以下為目前普遍采用的計算方法：

3.1 外加強環板寬度bs和厚度t1的計算（見圖1）

Discussion on the

圖1 鋼管混凝土柱/鋼管柱Ⅳ型加強環板

連接鋼梁的環板寬度bs一般與梁翼緣等寬，以便于相互連接。

連接鋼梁的環板厚度t1，按鋼梁翼緣板的軸心拉力確定。

3.2 外加強環板控制截面寬度b的計算

3.2.1 鋼管混凝土柱-鋼梁，列出的計算方法[1][2]

式中：

D——圓鋼管直徑

t——柱肢鋼管壁厚度

f——柱肢鋼材強度設計值。

3.2.2 鋼管柱-鋼梁外加強環板連接節點

按日本《鋼管構造設計施工指針同解說》[4]的方法計算

β——加強環同時受垂直雙向拉力的比值，當單向受拉時，β=0

Nχ，maχ——χ方向由最不利效應組合產生的最大拉力

Ny——y方向與同時作用的拉力

f1——加強環板鋼材抗拉強度設計值

be——柱肢管壁參與加強環工作的有效寬度。be=

式中:

Pa——梁翼緣的軸向容許力

F2——鋼管的容許應力

其他符號同2.2.1條。

3.3 外加強環板的構造要求

（1）0.25≤bs/D≤0.75;

（2）0.1≤b/D≤0.35，b/t1≤10。

（3）此外，在《鋼管混凝土結構設計與施工規程》（CE?CS 28:2012）中第6.4.1條有“外加強環的厚度不應小于鋼梁翼緣的厚度，寬度b不應小于鋼梁翼緣寬度的0.7倍”的要求，即b≥0.7bs。在國家標準圖集《多、高層民用建筑鋼結構節點構造詳圖》（01SG519）中也有相同的規定。

3.4 算例

計算條件：某鋼管混凝土柱，鋼管外直徑（D）為850mm，壁厚（t）為20mm，鋼管材質為Q345鋼，內灌C40混凝土，柱肢鋼管強度設計值（f）為295N/mm2，梁翼緣寬度（bs）為400mm，翼緣鋼材強度設計值（f）為295N/mm2，軸向拉力N=2000kN。若鋼管混凝土柱改為鋼管柱，則再確定外環板寬度。

（1）假定拉力最大值Nmaχ=2000kN

（2）構造檢驗

①bs/D=400/850=0.47?[0.25，0.75]，滿足要求

②b/D=250/850=0.294?[0.1，0.35]，滿足要求

b/t1=250/18=13.9>10，不滿足b/t1≤10的要求，即局部穩定不滿足要求[5]，因此需要沿管柱圓周均勻設置加勁肋，達到滿足局部穩定的計算要求，保證翼緣的局部穩定。

③0.7bs=0.7×400=280mm>b=250mm，不滿足b≥0.7bs。此處值得商榷，初步認為此條是針對空腹鋼管連接節點的規定，而此條規定的實際依據有待進一步考察。

（3）若鋼梁與鋼管柱連接，此時的外環板寬度按日本《鋼管構造設計施工指針同解說》式（3）計算得b不宜小于304.56mm，與按上法求得的最低要求212mm相差43.66%。

即使認為（2）-③和（3）兩者的適用條件都是鋼梁對空腹鋼管的連接要求，280mm和304.56mm的最低寬度要求也相差8.77%。因此按“最小寬度不小于梁寬的0.7倍”來決定環板寬度，存在著一定的隱患，值得注意。

4 結語

從以上對比計算可知鋼管內是否灌注混凝土，對于外環板的寬度影響較大。因此，對于底部幾層灌混凝土，而頂部幾層因荷載較輕而設成鋼管柱的窯尾塔架之類的結構，應該引起重視，需要重新復核、驗算節點，而不能簡單地直接使用鋼管混凝土柱與鋼梁連接的節點。

“b/t1≤10”的構造要求，應該是鋼結構規范GB50017[5]中4.3.8條梁受壓翼緣自由外伸寬度b與其厚度t1之比的限制要求，應該是非強制性的。只要采取措施保證外加強環板的局部穩定，此條構造要求在實際應用中應該可以放寬。

“環帶的最小寬度b不小于0.7bs”的規定也不可簡單地直接套用，這應該和梁、柱的比例及尺寸有關。實際工程中考慮樓板作用與否似乎也有影響。對于荷載較大的連接節點，還須采用有限元等其他方法進行計算、檢查、驗算，以保證節點的安全、牢固、可靠。

[1]鐘善桐，高層鋼管混凝土結構[M].哈爾濱:黑龍江科學技術出版社.1999.1

[2]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.2004.12

[3]CECS 28:2012.鋼管混凝土結構技術規程[S].北京:中國計劃出版社.2012

[4]AIJ-CFT（1997年版）.Recommendations for Design and Construc?tion of Concrete Filled Steel Tubular Structures[S].Architectural Insti?tute of Japan（AIJ），Tokyo，Japan.1997

[5]GB50017-2003.鋼結構設計規范[S].北京:中國計劃出版社.2003

[6]JGJ 3-2010.高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京:中國建筑工業出版社.2010■

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2014-03-26；編輯：趙蓮