一種新型鋼管混凝土柱連接節(jié)點的應用研究

杜嘉斌，羅志國（廣州市住宅建筑設計院有限公司，廣東　廣州　510623）

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一種新型鋼管混凝土柱連接節(jié)點的應用研究

杜嘉斌，羅志國（廣州市住宅建筑設計院有限公司，廣東廣州510623）

節(jié)點是鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中的關鍵問題，鋼筋混凝土梁與鋼管混凝土柱，鋼梁與鋼管混凝土柱的節(jié)點在規(guī)范及文獻中已有介紹，但是同一節(jié)點，同時連接鋼筋混凝土梁與鋼梁者，則這少涉及，本文通過對現(xiàn)行節(jié)點的分析，提出一種新型的鋼管混凝土柱的混合節(jié)點，并對該節(jié)點進行分析和提出了設計建議。

鋼管混凝土柱；節(jié)點

1　前言

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)由于其具有抗震性能好、結(jié)構(gòu)截面積小、節(jié)省材料、現(xiàn)場工期短以及顯著的經(jīng)濟效果等優(yōu)點，已在我國得到廣泛應用。在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設計中非常關鍵的是節(jié)點問題，現(xiàn)有的鋼管混凝土梁柱節(jié)點形式多種多樣，如與鋼結(jié)構(gòu)連接的節(jié)點有外環(huán)板式，內(nèi)環(huán)板式等，與混凝土樓蓋連接的節(jié)點有變梁寬式，雙梁式，穿心牛腿式，鋼筋混凝土環(huán)梁式等等，各種節(jié)點在設計施工中各有利弊，很難說那一種形式是最優(yōu)的，加上具體工程變化多樣，材料供應和施工條件不同，其反應也不同，因此設計時只能結(jié)合具體情況來判斷和選擇。

現(xiàn)行規(guī)范及各學術文獻中介紹的節(jié)點，要么是鋼筋混凝土樓蓋與鋼管混凝土柱連接，要么是鋼結(jié)構(gòu)與鋼管混凝土柱連接節(jié)點，但實際工程中對于鋼管混凝土柱節(jié)點的需要卻是多種多樣的，同一節(jié)點，既要連接鋼筋混凝土梁也要連接鋼梁。本文在現(xiàn)行較成熟的節(jié)點的基礎上，提出了一種新型的混合節(jié)點，以解決同一節(jié)點既連接鋼梁又連接混凝土梁的問題。

2　節(jié)點的設計與分析

2.1現(xiàn)行節(jié)點介紹

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中，作為鋼管柱本身，已經(jīng)比較成熟，但鋼管柱與梁（鋼梁與混凝土梁）連接的節(jié)點形式卻是多樣的，現(xiàn)行有關規(guī)范提出了一些基本的一些構(gòu)造形式，隨著高層建筑的發(fā)展，尤其是變化多樣的結(jié)構(gòu)布置和新結(jié)構(gòu)體系的出現(xiàn)，不少設計和研究單位都先后提出了許多不同形式的新型節(jié)點，并進行了理論及試驗研究，而且多數(shù)都已應用到實際工程中。目前已被應用的節(jié)點形式很多，以下簡單介紹如下：

2.1.1鋼筋混凝土梁與鋼管混凝土柱連接節(jié)點

鋼筋混凝土梁與鋼管混凝土柱連接節(jié)點主要有，井式雙梁、環(huán)梁、穿筋單梁和變寬度梁［1］。

井式雙梁，是把原來正對鋼管柱的梁分成兩根分別位于柱兩側(cè)的梁，在鋼管混凝土柱的四面，于梁底標高處在鋼管上各焊接一個鋼牛腿（明牛腿或暗牛腿）承受剪力。適用于現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁的內(nèi)力很大，或鋼管混凝土柱直徑較大而梁寬相對較小時。

變寬度梁，是把梁在靠近鋼管處的梁寬加大，使梁頂面和底面的縱向鋼筋靠近柱邊連續(xù)通過，另加焊于鋼管的短牛腿承受剪力。當鋼筋混凝土梁的寬度與鋼管混凝土柱的直徑相差不大時，適合采用變寬度梁節(jié)點。

以上兩種為鉸接節(jié)點。

環(huán)梁節(jié)點，在梁截面高度處圍繞鋼管設置一圈由上下環(huán)筋，箍筋及環(huán)向腰筋組成的混凝土環(huán)梁。在環(huán)梁的中、下部，于鋼管的外表面貼焊一圈或多圈環(huán)形鋼筋作為抗剪環(huán)，框架梁的頂面、底面縱向鋼筋彎折錨固于環(huán)梁內(nèi)。

由于環(huán)梁節(jié)點的鋼管內(nèi)無穿心構(gòu)件，無加強環(huán)板，不影響混凝土澆注，且可與任意角度混凝土梁連接，無方向性，無需現(xiàn)場焊接，制作簡單，施工方便，節(jié)省投資，因此，采用環(huán)梁節(jié)點的高層建筑越來越多，實踐證明該節(jié)點受力安全可靠。

試驗結(jié)果表明，環(huán)梁節(jié)點傳力可靠，耗能性能較好，容易做到“強柱弱梁”［2］，但初始剛度較低，屬于半剛性節(jié)點。

穿筋單梁節(jié)點，在鋼管壁上開孔，將縱、橫向框架梁的頂面和底面縱向鋼筋貫穿鋼管柱，以傳遞梁端正、負彎矩。于在梁截面的中、下部，于鋼管的外表面貼焊一圈或多圈環(huán)形鋼筋，以傳遞梁端剪力。

暗牛腿節(jié)點，暗牛腿為工字型牛腿，腹板貫穿鋼管混凝土柱，兩個方向鋼筋混凝土梁的頂面、底面縱向鋼筋，分別與穿心牛腿外懸部分的上、下翼緣焊接，以傳遞梁端彎矩產(chǎn)生的水平拉力。

穿筋單梁與暗牛腿節(jié)點屬于剛性節(jié)點。

2.1.2鋼梁與鋼管混凝土柱連接節(jié)點

當鋼管混凝土柱與鋼梁連接時，節(jié)點屬于鋼與鋼的連結(jié)，構(gòu)造上比較簡單。根據(jù)鋼管混凝土柱的直徑大小分為外環(huán)板節(jié)點和外環(huán)板節(jié)點。

外環(huán)板節(jié)點，當鋼管混凝土柱的直徑較小時，可采用外環(huán)板節(jié)點。典型的做法是用焊于鋼管上的連接腹板和加強環(huán)與鋼梁連結(jié)，加強環(huán)有上環(huán)和下環(huán)，用于傳遞彎矩；連接腹板用于傳遞剪力。這種節(jié)點適應性很強，無方向性，可連接任意方向的鋼梁，傳力明確而可靠，剛度也很好，但用材較多且制作較困難。

當鋼管混凝土柱的直徑較大時，采用內(nèi)環(huán)板式節(jié)點，由于內(nèi)環(huán)板與梁翼緣位于同一個平面內(nèi)，所以節(jié)點仍能滿足剛節(jié)點的要求。采用內(nèi)加強環(huán)式節(jié)點相對于外加強環(huán)式節(jié)點，內(nèi)加強環(huán)面積小，節(jié)約用鋼量；加強環(huán)中間開大洞，周邊做透氣孔，不影響管內(nèi)混凝土的澆筑；加強環(huán)隱藏于鋼柱內(nèi)，外觀簡單漂亮，且節(jié)約防火涂料。

2.2鋼管混凝土柱同時與混凝土梁、鋼梁連接的混合節(jié)點

上文分別介紹了鋼筋混凝土梁與鋼管混凝土柱連接節(jié)點，鋼梁與鋼管混凝土柱連接節(jié)點。可以說，對于同一個節(jié)點，僅連接混凝土梁或僅連接鋼梁時，采用上述節(jié)點已能安全可靠地解決梁柱的連接問題。但在工程實踐中，對鋼管混凝土柱的節(jié)點的需要往往是多樣的。對于同一節(jié)點，既連接鋼梁又連接混凝土梁的情況，單純采用上述的節(jié)點則難以解決問題。我們發(fā)現(xiàn)，要解決這樣的問題，可從這些經(jīng)過實際工程驗證的節(jié)點里合理的選取并進行組合，取各自節(jié)點的長處，從而得到一個制作簡單，施工方便，傳力可靠的混合節(jié)點。

鋼管混凝土柱直徑（D＞1000mm）較大時，對于鋼梁，可采用內(nèi)環(huán)板節(jié)點；對于鋼筋混凝土梁可以采用環(huán)梁節(jié)點。環(huán)梁的上環(huán)筋可以設置在鋼梁之上樓板內(nèi)，保證環(huán)筋的貫通；在鋼梁的腹板相應的位置局部開洞，以便環(huán)梁的抗剪環(huán)貫通；考慮到環(huán)梁的腰筋為現(xiàn)場施工，在腹板上預留洞的話，施工較困難，故在鋼梁腹板上設置橫向加勁肋，以便環(huán)梁腰筋焊接于加勁肋上。該節(jié)點的構(gòu)造詳圖1～2所示。

采用這種節(jié)點，內(nèi)加強環(huán)板及連接鋼梁的鋼牛腿可于工廠內(nèi)焊接完成，除鋼梁及環(huán)梁腰筋需要在現(xiàn)場焊接外，其余施工做法與混凝土環(huán)梁節(jié)點相同，施工方便快捷。

該節(jié)點由內(nèi)環(huán)板節(jié)點與環(huán)梁節(jié)點結(jié)合而成，其簡單的承載力計算［3］如下：

內(nèi)環(huán)板計算：

鋼梁上（下）翼緣的所能承受的最大拉力

式中：B為與鋼管混凝土柱的含鋼率，變形，直徑，彈性模量等相關相關的系數(shù)

環(huán)梁計算：文獻［2］中給出了環(huán)梁節(jié)點的實用計算方法

不考慮樓板有利作用時：

考慮樓板有利作用：

考慮樓板負筋的影響：

圖1　環(huán)梁，內(nèi)環(huán)板混合節(jié)點

圖2　環(huán)梁，內(nèi)環(huán)板混合節(jié)點（局部）

當鋼管混凝土柱的直徑較少時（D≤1000mm），對于鋼梁，可采用外環(huán)板節(jié)點；相應地鋼筋混凝土梁采用的是暗牛腿節(jié)點。暗牛腿的翼緣同加強環(huán)板高度一致。鋼筋混凝土梁的縱筋焊接于牛腿的上下翼緣上，與暗牛腿節(jié)點不一樣的是，牛腿的腹板不貫穿鋼管，通過上下環(huán)板之間的腹板承受剪力。該節(jié)點的構(gòu)造詳圖3。

圖3　暗牛腿，外環(huán)版混合節(jié)點

該節(jié)點剛度好，傳力可靠，鋼管中無加強構(gòu)建，混凝土澆注方便。

3　工程實例

獵德西區(qū)綜合發(fā)展項目C區(qū)地塊C3辦公樓高255m，地上57層，地下4層，采用框架（鋼管混凝土柱+鋼筋混凝土梁）－核心筒（鋼筋混凝土）的結(jié)構(gòu)形式，在建筑的南面，由于建筑立面需要，2～5層有7～8m的大懸挑。根據(jù)本工程的結(jié)構(gòu)形式，施工條件等情況，本工程選用了混凝土環(huán)梁節(jié)點。

超過6m的大懸挑，采用混凝土梁已不合適，并且環(huán)梁節(jié)點梁縱筋不能貫穿，懸挑梁的受力難以保證，故需采用鋼梁；若懸挑處整個節(jié)點采用鋼結(jié)構(gòu)形式，則存在鋼結(jié)構(gòu)與混凝土梁連接是構(gòu)造復雜、施工難度大等問題，故考慮采用本文提出的混合節(jié)點，由于鋼管混凝土柱的直徑為1400mm，選用環(huán)梁節(jié)點與內(nèi)環(huán)板節(jié)點結(jié)合的混合節(jié)點。

連接節(jié)點的混凝土梁800×1200，懸挑鋼梁截面16×1400× 600×32（腹板厚×梁高×梁寬×翼緣板厚），懸挑段板厚150mm，環(huán)梁截面為，400×1700，采用C40混凝土如圖4所示。

圖4　暗牛腿，內(nèi)環(huán)版混合節(jié)點模型

本工程現(xiàn)已施工，節(jié)點工作狀態(tài)良好，詳見圖5。同一節(jié)點，既要連接混凝土梁，又要連接鋼梁，需用本文提出的混合節(jié)點，既能很好地解決鋼梁和混凝土梁各自的受力問題，同時解決了采用穿筋單梁節(jié)點等傳統(tǒng)的節(jié)點帶來的施工困難。混合節(jié)點的運用，收到了良好的效果，是一次有益的嘗試。

圖5　暗牛腿，內(nèi)環(huán)版混合節(jié)點實例

4　結(jié)論及設計建議

經(jīng)以上分析及已施工的工程證明，本文提出的節(jié)點安全可靠，制作簡單，施工方便，是對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點的一種有益的補充。如此類推，可根據(jù)具體項目的特點，現(xiàn)場的情況，選擇合適的節(jié)點進行組合。

在實際工程設計中，如需運用該混合節(jié)點，注意以下問題：

（1）環(huán)梁的高度至少為鋼梁高度+300mm（上下各150mm），以便環(huán)梁的上下環(huán)筋貫穿。

（2）內(nèi)環(huán)板滿足計算受力要求及構(gòu)造要求即可。

（3）當采用外環(huán)板節(jié)點時，暗牛腿翼緣上可焊接豎向肋板，以焊接鋼筋混凝土梁的鋼筋。

（4）環(huán)梁設計時，應注意能否考慮樓板的有利作用。

［1］《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術規(guī)程》（CECS28-2012）.

［2］方小丹，李少云，等.鋼管混凝土柱-環(huán)梁節(jié)點抗震性能的試驗研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學報，2002（12）.

［3］劉大海，楊翠如.型鋼鋼管混凝土高樓計算和構(gòu)造（第一版）.中國建筑工業(yè)出版社，2003，9.

杜嘉斌（1979-），男，結(jié)構(gòu)工程師，國家一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，碩士研究生，主要從事建筑結(jié)構(gòu)的分析及設計工作。

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2095-2066（2016）14-0100-02

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