鋼梁與混凝土梁連接節(jié)點設(shè)計探討

黃 帆

(巴斯夫(中國)有限公司，上海 200233)

Fl≤1.35βcβlfcAln

Fl≤0.9(βcβlfc+2αρvβcorfyv)Aln

Fl≤1.2ftημmh0

Fl≤0.5ftημmh0+0.8fyvAsvu+0.8fyAsbusinα

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鋼梁與混凝土梁連接節(jié)點設(shè)計探討

黃 帆

(巴斯夫(中國)有限公司，上海 200233)

對鋼結(jié)構(gòu)梁與混凝土主梁連接節(jié)點的不同做法進(jìn)行了受力分析，總結(jié)了不同做法的性能特點，通過對承載力進(jìn)行驗算，給出了較大荷載情況下鋼梁與混凝土主梁連接的合理做法。

鋼結(jié)構(gòu)梁，混凝土主梁，連接節(jié)點

0 引言

隨著建設(shè)發(fā)展，工程中鋼與混凝土混合使用的結(jié)構(gòu)越來越多，工業(yè)項目中經(jīng)常需要用到鋼梁與混凝土主梁連接。這種連接節(jié)點，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范未給出明確描述及具體要求，一般都是依據(jù)個人經(jīng)驗設(shè)計。本文對于鋼梁與混凝土主梁的連接節(jié)點的兩種不同做法的承載能力和特點，進(jìn)行了分析和比較，并給出了可靠做法。

1 鋼梁與混凝土主梁連接的一般做法

1.1 做法簡介

按照現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)圖集一般做法，鋼梁與鋼筋混凝土主梁的連接節(jié)點如圖1所示。

該種連接節(jié)點，鋼梁的荷載通過T型連接件傳遞到混凝土梁側(cè)的預(yù)埋件上，最后由鋼筋混凝土梁承擔(dān)。該節(jié)點的承載能力取決于以下幾個最小值：預(yù)埋件的承載能力、連接件與鋼梁腹板之間的栓焊混合連接承載能力、鋼梁本身的承載能力。

1.2 承載力驗算

按盡可能讓預(yù)埋件的承載能力達(dá)到最大的原則，假設(shè)如下，采用埋板面積750×750(未注明單位為mm，以下同)，厚度20，Q345級鋼，錨筋采用φ25的HRB400鋼筋，4×4排共16根，預(yù)埋板所受剪力偏心距e=100，混凝土等級C35。根據(jù)GB50010—

2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范9.7.2條公式：

(1)

(2)

經(jīng)計算，并按11.1.9條考慮抗震，該預(yù)埋件最大的抗剪承載力設(shè)計值為340kN。

連接件采用8.8級d20的Q235普通螺栓與鋼梁螺栓單剪與焊接混合連接，不考慮焊接部分，假定由螺栓承擔(dān)全部剪力，根據(jù)GB50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范7.2.1條計算單個螺栓承載力設(shè)計值100.5kN。螺栓承載力公式如下：

(3)

(4)

最大剪力設(shè)計值為340kN時共需連接螺栓4個，分布在腹板上，鋼梁高度需要450以上，假定鋼梁采用HN450×200×9×14的Q235型鋼,根據(jù)GB50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范4.1.2條計算鋼梁抗剪承載力設(shè)計值為447kN,公式如下：

(5)

可見，鋼梁本身承載能力遠(yuǎn)大于預(yù)埋件承載力340kN。另外，同材質(zhì)型鋼HN400×200×9×135梁的抗剪承載力為357kN，也大于該預(yù)埋件抗剪承載力。

1.3 分析總結(jié)

綜上所述，鋼梁與混凝土梁連接的這種節(jié)點做法，其承載能力主要由預(yù)埋板的受剪承載力控制。由于承載能力有限，只適用于高度在400mm以下截面的鋼梁與混凝土梁的連接，僅可用于荷載較小的一般民用建筑樓面中。對于承受重型荷載的工業(yè)結(jié)構(gòu)中較大截面鋼梁的連接，這種節(jié)點本身的承載能力已經(jīng)滿足不了設(shè)計要求。

這種節(jié)點，連接件由安裝螺栓和焊接混合受力，需要在現(xiàn)場焊接，施工不方便。

另外，這種節(jié)點做法尤其是栓焊混合連接在地震作用下的破壞機(jī)制和可靠性尚不明確，在抗震設(shè)防等級較高的情況下也應(yīng)慎重使用。

2 鋼梁與混凝土主梁連接的改進(jìn)做法與討論

2.1 做法簡介

為了避免鋼梁與混凝土梁連接中預(yù)埋板的承載力不足的缺點，可以在混凝土梁側(cè)設(shè)配筋挑耳，鋼梁的荷載直接傳遞到混凝土挑耳上，同時鋼梁腹板與梁側(cè)預(yù)埋件由安裝螺栓連接，起到支撐作用，做法詳見圖2。

這種連接做法，荷載是由混凝土主梁梁側(cè)的配筋挑耳承擔(dān)，結(jié)構(gòu)設(shè)計時要保證挑耳的承載力不小于鋼梁本身的承載力，需驗算配筋挑耳的局部受壓承載力和受沖切承載力。

2.2 承載力驗算

考慮樓面荷載較大的情況，假設(shè)結(jié)構(gòu)計算鋼梁需要用Q345的鋼梁截面為HN600×200×11×17，根據(jù)式(5)，梁本身抗剪承載力設(shè)計值為1 030kN。

局部受壓截面尺寸復(fù)核，挑耳平面形狀為梯形，假定尺寸如下：梯形高350，上底寬600，下底寬1 300，挑耳立面高500。混凝土等級C35。挑耳頂部預(yù)埋面積為400×250、厚度為20的鋼板，直接承受鋼梁的壓力。根據(jù)GB50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范6.6.1條，混凝土局部受壓面部Aln取鋼板面積400×250，局部受壓計算底面積Ab取600×350，算得挑耳局部受壓承載力3 270kN，大于鋼梁傳來的最大荷載，截面尺寸滿足要求，公式如下：

Fl≤1.35βcβlfcAln

(6)

挑耳局部受壓所需網(wǎng)式配筋計算，承受鋼梁的最大荷載1 030kN，混凝土挑耳內(nèi)雙向網(wǎng)式配筋，配筋混凝土核心面積為450×300，根據(jù)GB50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范6.6.3條，算得所需網(wǎng)式配筋體積配筋率ρv為負(fù)值，說明挑耳僅需按構(gòu)造配置局壓網(wǎng)式鋼筋(見圖3鋼筋②和鋼筋③)，計算公式如下：

Fl≤0.9(βcβlfc+2αρvβcorfyv)Aln

(7)

挑耳的抗沖切承載力驗算，假定破壞沖切面垂直于沿混凝土主梁梁側(cè)，根據(jù)GB50010 6.5.1，不配箍筋和彎筋情況下的受沖切承載力為643kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼梁的荷載1 030kN。抗沖切承載力不滿足要求，需要按照計算配置箍筋(鋼筋②)和彎筋(鋼筋①)。假定挑耳配HRB335箍筋φ10@100(4)，沿挑耳高度范圍在側(cè)面配HRB335水平彎筋4φ22。根據(jù)GB50010 6.5.3-1，6.5.3-2，算得配置箍筋和彎筋的挑耳受沖切承載力為1 102kN，大于鋼梁的荷載，滿足承載力要求。公式如下：

Fl≤1.2ftημmh0

(8)

Fl≤0.5ftημmh0+0.8fyvAsvu+0.8fyAsbusinα

(9)

根據(jù)以上局部受壓和受沖切承載力計算，可以看出，這種連接節(jié)點的承載能力是由混凝土挑耳的抗沖切承載力控制，結(jié)構(gòu)設(shè)計時可以根據(jù)鋼梁的截面和荷載條件計算所需要的抗沖切箍筋和彎筋。通過選用合理的挑耳截面尺寸和配置足夠的鋼筋，這種節(jié)點可以用于承受樓面荷載較重的大截面鋼梁與混凝土主梁的連接。

2.3 總結(jié)建議

綜上所述，鋼梁與混凝土主梁的挑耳式連接，承載力較大，強度能夠滿足設(shè)計要求。安裝相對簡單，施工方便。鋼梁與挑耳的鉸接搭接，以及腹板與預(yù)埋件的螺栓連接，在地震作用下，也能夠提供足夠的延性和耗能能力，具有較好的抗震性能。

根據(jù)計算和構(gòu)造需要，挑耳部位的配筋設(shè)置如圖3所示。其中，鋼筋①為抗沖切彎筋，鋼筋②為抗沖切箍筋，需要計算確定。鋼筋③按構(gòu)造配置，和鋼筋②一起作為局部抗壓鋼筋網(wǎng)。鋼筋④為附加吊筋，可以把挑耳承受的荷載傳遞到混凝土主梁的上部，根據(jù)受力情況合理配置。

3 結(jié)語

對于鋼梁和混凝土主梁的連接節(jié)點，需要綜合考慮連接強度、抗震性能、施工等各方面因素，設(shè)計出強度滿足要求、抗震性能好、施工方便的做法。本文通過承載能力分析和性能總結(jié)，提出了較為合理的做法，但仍需進(jìn)一步研究其性能。

[1]GB50010—2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范.

[2]GB50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范.

[3]易文新.高層建筑鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點的抗震設(shè)計.中外建筑，2013(8)：120-121.

Inquiryonconnectionjointdesignofsteelbeamandconcretebeam

HuangFan

(BASF (China) Co., Ltd, Shanghai 200233, China)

Thepaperanalyzesdifferentconnectionjointstressofsteelbeamandmajorconcretebeam,summarizestheirperformancecharacteristics.Throughcheckingthebearingcapacity,itshowsrationalconnectionmethodsofsteelbeamandmainconcretebeamunderlargeloadcondition.

steelbeam,majorconcretebeam,connectionjoint

1009-6825(2015)21-0026-02

2015-05-10

黃 帆(1979- )，男，工程師

TU

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