市政工程中鋼- 混凝土組合結構框架節點設計

梁峰

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，武漢 430060）

1 引言

鋼筋-混凝土（以下稱“鋼-混凝土”）結構，是當前市政工程建設的主要組成結構，該模式也可以稱之為混合結構[1]，主要功能是發揮不同材料的優勢，搭建穩定性更高的建筑。根據調查可知，鋼-混凝土組合結構傳力較為復雜，框架節點的設計直接影響了結構的受力性能[2]。因此，市政工程建設過程中，鋼-混凝土組合結構框架節點設計成為一項不可或缺的研究內容。近年來，多種節點設計方法開始應用在組成結構工程建設中，但是設計結果難以達到預期目標。文中以市政工程為研究對象，針對鋼-混凝土組合結構的節點受力進行深入分析，并計算節點核心區的有效尺寸[3]。運用包含明確物理意義的剪力計算公式獲取節點核心區的剪力強度，再結合BP 網絡進行自適應學習和訓練，得到左右框架節點設計方案。

2 明確組合框架節點受力機理

鋼-混凝土組合框架結構內節點的受力機理是影響節點設計的主要因素。文中根據節點處多種材料的有機聯系，結合材料自身的非線性性質，得出組合框架的節點傳力結構主要包括3 部分：鋼梁腹板傳力結構、內部混凝土斜壓桿傳力結構、外部混凝土斜壓桿傳力結構。

其中，鋼梁腹板傳力結構指的是節點區內鋼梁翼緣和柱面位置的面承板組，為了便于分析節點核心區鋼梁腹板傳力結構的受力機理，將其看作一面剪力墻，并將二者相接的翼緣框看作框架，鋼梁腹板傳力結構受力分析如圖1 所示。

圖1 鋼梁腹板結構受力分析

組合結構框架中，剪應力會在抗側剛度的影響下，合理分配給鋼框架和剪力墻[4]。此外，考慮到組合結構框架節點設計過程中，剪力墻的抗側剛度總是高于翼緣框架，為了降低計算復雜度，僅依據鋼梁腹板的抗剪能力進行后續節點設計分析。

除此之外，針對鋼-混凝土組合結構框架中節點區域進行整體分析，可以將其大概劃分為兩個部分，分別是內部混凝土結構與外部混凝土結構。

3 獲取節點區有效尺寸

通常情況下，組合結構框架受到外力后，只有節點核心區參與荷載抵抗工作，其余部分并未發生應力變化。因此，節點設計之前，需要先結合節點受力機理，確定市政工程的鋼-混凝土組合結構節點區有效尺寸。由于節點核心區的有效寬度會受到細節構造特征的影響，與單一的混凝土結構有所差異，組合結構框架節點的構造形式多種多樣[5]，不同構造形式的約束條件有所差異，使節點核心區的有效寬度變化較大。根據節點受力機理分析，在計算節點區有效寬度過程中，可以疊加內部傳力結構的有效寬度和外部傳力結構的有效寬度。

對于節點核心區的有效高度的計算，需要考慮到組合結構節點的延長式面承板，以及豎向加強筋等內容。但是，正常情況下，組合結構框架節點區的有效高度應低于梁高的1.5倍。綜合有效寬度和有效高度，得到節點區總體有效尺寸。

4 計算節點核心區剪力

組合結構框架節點設計的基本要求是滿足市政工程的剪力強度要求。傳統設計方法均采用相關部門下發規范中包含的基礎剪力計算公式計算節點核心區剪力，這種計算方法無法清晰地表達部分物理意義，使剪力計算結果相對偏大。

為了提高剪力計算結果的準確度，本文參考典型鋼筋-混凝土組合結構節點試件，根據大梁截面尺寸、小梁截面高度以及鋼筋配置情況，得到試件框架梁的截面抗彎強度。以框架梁節點為研究對象，分析梁截面高度變化后，節點受到的剪力的變化情況，將其以圖像的形式表現出來，得到圖2。

圖2 節點計算剪力隨小梁截面高度的變化情況

根據圖2 可知，組合結構框架的節點剪力與小梁截面高度之間呈反比例關系。簡單來說，隨著小梁截面高度的不斷降低，組合結構框架內的中心節點會逐漸轉變為邊緣節點，表明該節點的力學性能也在逐漸變差，與基礎剪力計算公式所表達內容有所差異。

綜上所述，本文提出在節點剪力計算過程中采用具有明確物理意義的剪力計算公式，實現非規則節點剪力準確計算。所謂的明確物理意義，包括節點核心區剪力、左梁拉力、右梁拉力、鋼筋壓力、混凝土壓力以及框架柱的剪力等多項物理數據。通過上述計算方法，得到準確節點核心區剪力的計算結果，以此為依據，進行后續節點設計方案的研究。

5 生成組合結構節點設計方案

本文以BP 神經網絡為基礎，進行自適應學習，生成最優框架節點設計方案。設置節點核心區剪力為固定數值后，鋼-混凝土組合結構的節點設計方案的形成，需要考慮截面寬度、截面高度等8 項影響因素。將其作為BP 神經網絡的輸入單元。

采集組合結構歷史數據，獲取學習樣本和測試樣本，通過誤差交叉評價運算，得出BP 神經網絡的隱含層數。輸入單元傳遞的數據，經由隱含層進行計算和處理，再傳遞至輸出層。

根據組合結構框架節點抗剪要求，分析節點抗剪強度與節點核心區總剪力之間的聯系，以此來判斷節點的合理性，倘若當前BP 神經網絡的輸出的節點抗剪能力符合要求，則輸出當前節點抗剪承載力，將當前節點設計方案作為最終組合結構設計結果。

6 應用分析

6.1 項目概述

為了驗證文中所提的節點設計方法的應用效果，以隆昌經濟開發區污水處理廠為研究對象，在該工程建設過程中，應用文中所提組合結構框架節點設計方法，明確該方法的可行性。該工程預期建設規模為2.5×104m3，包括生化處理、再生水回用系統、污泥處理等多個相關建筑物。該工程建設過程中，污水提升泵房、脫水機房、機修倉庫等多個建筑物的結構形式均為鋼-混凝土組合結構框架。

6.2 選擇節點類型

考慮到隆昌經濟開發區污水處理廠組合結構建筑物應用的大都是截面面積較大的梁柱。文中選定內隔板式節點類型作為主要構造結構，設計鋼管直徑約為1.5 m，內隔板式節點類型結構如圖3 所示。

圖3 內隔板式節點結構

圖3所示的節點構造結構，由于施工便捷且結構性能良好，在組合結構工程施工中得到了廣泛應用。內隔板式節點形式的應用，使鋼梁上方傳遞的軸力彎矩通過內隔板直接傳遞至另一側。以此為基礎再運用文中提出的設計方法確定節點具體位置。

6.3 節點核心區抗剪能力分析

采用文中設計方法完成節點設計后，計算節點核心區抗剪能力，從而反映設計方法的有效性。同時，選用文獻[4]和文獻[5]提出的方法進行框架節點設計，并對比不同方法的節點核心區抗剪能力（見表1）。

表1 節點核心區抗剪能力對比

根據表1 可知，文中設計方法的節點核心區抗剪能力為1 850.35 kN，遠遠高于預期設計值；文獻[5]方法設計的節點，核心區抗剪能力雖然也滿足設計要求，但相比文中方法設計結果，抗剪強度較低；文獻[4]方法得出的節點設計結果，核心區抗剪強度僅為1 365.74 kN，不滿足預期設計值。綜上所述，相比其他方法，文中提出的設計方法的節點核心區抗剪強度有明顯提升。

7 結語

本文針對鋼-混凝土組合結構框架進行分析，以市政工程為主要研究對象，提出一種框架節點設計方法。根據應用分析結果可知，所提方法得出的節點設計方案，核心區抗剪強度更好地滿足了預期目標，加強了建筑結構的穩定性。所提方法雖然滿足了預期目標，但由于實驗數量較少，該方法的拓展性還沒有得到驗證，未來還需要進一步研究。