一種改進(jìn)的鋼管混凝土柱-鋼梁外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)

羅江

本文提出了一種改進(jìn)的鋼管混凝土柱-鋼梁外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)，并應(yīng)用到廣州某項(xiàng)目中。該節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)是：減小外環(huán)板寬度，采用外貼豎環(huán)板的方式對節(jié)點(diǎn)范圍柱鋼管進(jìn)行加強(qiáng)。分析表明，改進(jìn)的外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)受力性能良好，同時(shí)滿足了建筑美觀要求，在實(shí)際工程應(yīng)用中產(chǎn)生了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

鋼管混凝土柱-鋼梁外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)傳力方式明確、構(gòu)造簡單、施工便利，因此被大量應(yīng)用在實(shí)際工程中。《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB50936-2014）中規(guī)定外加強(qiáng)環(huán)厚度不宜小于鋼梁翼緣的厚度，外加強(qiáng)環(huán)寬度c不宜小于鋼梁翼緣寬度b的0.7倍，如圖1所示。

圖1 規(guī)范外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)大樣

通常情況下，按規(guī)范規(guī)定構(gòu)造，環(huán)板寬度較大。外環(huán)板寬度較大導(dǎo)致鋼管壁和建筑外立面有多余空間，該空間較難利用，降低了實(shí)用率；且設(shè)備管線不能貼鋼管管身布置，若要求貼管身布置，則需外環(huán)板開洞，而這又削弱了環(huán)板的有效截面。為滿足建筑美觀及設(shè)備安裝的要求，本文基于規(guī)范外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)提出了一種改進(jìn)的外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)大樣如圖2所示。新型節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)是：減小外環(huán)板寬度，采用外貼豎環(huán)板的方式對節(jié)點(diǎn)范圍柱鋼管進(jìn)行加強(qiáng)以保證節(jié)點(diǎn)承載力。新型節(jié)點(diǎn)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：外環(huán)板主要寬度與噴射普通砂漿保護(hù)層厚度相同，外環(huán)板寬度不會(huì)突出砂漿保護(hù)層，也不會(huì)突出建筑外立面，無需裝修或外包處理，設(shè)備管線可貼建筑外立面安裝，經(jīng)濟(jì)效果好。改進(jìn)節(jié)點(diǎn)用于廣州某項(xiàng)目中，取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，受到業(yè)主好評。

圖2 改進(jìn)的外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)

一、工程概況

本工程位于廣州市白云新城中央商務(wù)區(qū)，項(xiàng)目占地面積2.33萬m2，總建筑面積為19.4萬m2。主塔樓高度為150m，外圍采用鋼管混凝土柱-鋼梁框架，內(nèi)部采用鋼板剪力墻核心筒，核心筒與外圍框架采用U型梁進(jìn)行連接。本工程地下4層，地上36層，為一超大型綜合建筑，集商業(yè)、娛樂、高檔辦公樓于一體，1～6層裙房為商業(yè)、銀行、餐廳、會(huì)議中心；7～36層塔樓為寫字辦公樓。本項(xiàng)目地震設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場地類型為Ⅱ類。基本風(fēng)壓值為0.50kN/m2（n=50年）。

本工程與鋼管柱剛性連接的鋼梁尺寸分別為：H410×220×10×14、H430×300×15×20。按《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB50936-2014）要求，則外環(huán)板寬度c=0.7b＝210mm，外環(huán)板寬度較大。本工程采用上文提出的改進(jìn)的外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)：外環(huán)板寬度取防火層厚度為70mm，外環(huán)板厚度取梁翼緣厚度，在柱鋼管外貼焊30mm厚鋼板，鋼板上下伸出環(huán)板150mm。現(xiàn)場照片如圖3所示。

圖3 新型節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場照片

二、節(jié)點(diǎn)受力性能分析

為了驗(yàn)證技術(shù)方案的合理性，利用大型非線性有限元軟件ABAQUS建立鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的有限元模型，通過最終破壞形態(tài)及最終狀態(tài)的極限承載力與整體分析的鋼梁內(nèi)力設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，分析節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)合理性。

計(jì)算分析分3個(gè)模型：（1）按規(guī)范構(gòu)造要求設(shè)計(jì)的基本節(jié)點(diǎn)，環(huán)板寬210mm，柱鋼管未外貼鋼板；（2）本項(xiàng)目中采用的新型節(jié)點(diǎn)，窄外環(huán)板寬度c=70mm，管壁外包豎環(huán)；（3）窄外環(huán)板寬度c=70mm，管壁外不包豎環(huán)，下文稱為對比節(jié)點(diǎn)。

1. ABAQUS模型及參數(shù)

混凝土采用塑性損傷本構(gòu)，其等效應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系根據(jù)韓林海等定義的約束混凝土本構(gòu)公式計(jì)算得到，其等效峰值應(yīng)力為31.6MPa。鋼材采用雙折線的理想彈塑性本構(gòu)，鋼材屈服強(qiáng)度為345MPa。單元選取方面，混凝土采用八節(jié)點(diǎn)減縮積分三維實(shí)體單元C3D8R，鋼管采用四節(jié)點(diǎn)殼單元S4R。鋼管與混凝土界面法線方向的接觸采用硬接觸，即垂直于接觸面的壓力可以完全地在界面間進(jìn)行傳遞；鋼管與混凝土界面切線方向采用庫倫摩擦模型來模擬。鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的加載分兩個(gè)分析步進(jìn)行，第一個(gè)分析步在鋼管混凝土柱頂施加恒定軸心壓力，第二個(gè)分析步分別在各梁端采用位移控制加載。經(jīng)過試算后發(fā)現(xiàn)，模型上下環(huán)板間有無加勁肋基本不影響模型的計(jì)算結(jié)果，為了方便建模以及提高計(jì)算速度，以下各模型將不建立環(huán)板間加勁肋。

2. 計(jì)算結(jié)果分析

對按照上述尺寸和構(gòu)造建立的3個(gè)模型進(jìn)行模擬計(jì)算分析，得到模型的應(yīng)力和變形，通過分析其應(yīng)力和承載力來對比各種技術(shù)方案受力的合理性。

（1）基本節(jié)點(diǎn)

按規(guī)范構(gòu)造要求設(shè)計(jì)的基本節(jié)點(diǎn)模型在柱端和梁端荷載作用下的應(yīng)力云圖如圖4所示。由圖可知，隨著梁端位移的增大，當(dāng)梁端荷載增加到504kN時(shí)，鋼梁端部上下翼緣的應(yīng)力首先達(dá)到鋼材屈服強(qiáng)度；此時(shí)柱鋼管的應(yīng)力最大值為241MPa，環(huán)板局部應(yīng)力最大值為271MPa，均尚未達(dá)到鋼材屈服強(qiáng)度。隨著荷載的進(jìn)一步增大，梁端進(jìn)入屈服狀態(tài)的區(qū)域逐漸變大，最終梁端達(dá)到全截面屈服狀態(tài)，梁端達(dá)到極限承載力；此時(shí)環(huán)板局部應(yīng)力最大值為330MPa，柱鋼管的局部應(yīng)力最大值為309MPa，均未達(dá)到鋼材屈服強(qiáng)度。整體模型計(jì)算得到的梁端剪力值為336kN，小于504kN，因而基本節(jié)點(diǎn)能夠滿足承載力要求。

圖4 基本節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖

（2）新型節(jié)點(diǎn)

新型節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖如圖5所示。由圖可見，隨著梁端位移的增大，當(dāng)梁端荷載增加到500.3kN時(shí)，鋼梁端部上下翼緣的應(yīng)力首先達(dá)到鋼材屈服強(qiáng)度；此時(shí)柱鋼管的應(yīng)力最大值為236MPa，環(huán)板局部應(yīng)力最大值為313MPa，均尚未達(dá)到鋼材屈服強(qiáng)度。隨著荷載的進(jìn)一步增大，梁端進(jìn)入屈服狀態(tài)的區(qū)域逐漸變大，最終梁端達(dá)到全截面屈服狀態(tài)，梁端達(dá)到極限承載力；此時(shí)環(huán)板局部區(qū)域達(dá)到屈服強(qiáng)度，但柱鋼管的應(yīng)力最大值為297MPa，尚未達(dá)到鋼材屈服強(qiáng)度。由上述分析可知，新型節(jié)點(diǎn)的承載力與基本節(jié)點(diǎn)承載力基本相等，且梁端在鋼管柱和環(huán)板尚未屈服之前達(dá)到極限承載力，因此此種節(jié)點(diǎn)的受力較為合理且沒有削弱節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。節(jié)點(diǎn)的承載力500.3kN大于梁端剪力最大值336kN，因此節(jié)點(diǎn)能夠滿足承載力設(shè)計(jì)要求。

圖5 新型節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖

（3）對比節(jié)點(diǎn)

對比外包豎環(huán)的窄環(huán)板節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，得到節(jié)點(diǎn)在柱端和梁端荷載作用下的應(yīng)力云圖如圖6所示。由圖可知，簡單的縮小環(huán)板寬度，但不增加鋼管管壁外包豎環(huán)，隨著加載增加，鋼管壁和外環(huán)板先于鋼梁屈服，不滿足“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)原則。節(jié)點(diǎn)屈服時(shí)梁端的承載力僅為388kN，比基本節(jié)點(diǎn)承載力降低23%，所以只縮小環(huán)板寬度而不采取局部加強(qiáng)措施會(huì)使得節(jié)點(diǎn)的受力不合理。

圖6 對比節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖

3. 環(huán)板寬度與豎環(huán)高度關(guān)系分析

上述研究表明通過外包豎環(huán)可以在不削弱節(jié)點(diǎn)承載力的情況下縮小環(huán)板的寬度，為了進(jìn)一步研究外包豎環(huán)高度和窄環(huán)板寬度之間的關(guān)系，以下采用ABAQUS軟件分別對環(huán)板寬度分別為0mm，30mm，70mm，140mm和210mm的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬分析，通過試算得到當(dāng)各節(jié)點(diǎn)屈服承載力與基本節(jié)點(diǎn)相同時(shí)對應(yīng)的外包豎環(huán)高度值。

假設(shè)外包豎環(huán)厚度與環(huán)板厚度相等，經(jīng)過試算，得到各節(jié)點(diǎn)屈服承載力相等時(shí)環(huán)板寬度和豎環(huán)高度的關(guān)系如表1所示。由于節(jié)點(diǎn)1環(huán)板寬度為0，也即無環(huán)板，計(jì)算結(jié)果表明當(dāng)鋼管沿著柱全高外包豎環(huán)時(shí)，節(jié)點(diǎn)仍然無法達(dá)到基本節(jié)點(diǎn)的屈服承載力，且此節(jié)點(diǎn)的柱鋼管比鋼梁先屈服，不滿足“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)原則。由表1可知，隨著環(huán)板寬度減小，若外包豎環(huán)與環(huán)板伸出加強(qiáng)環(huán)的長度之和不變且大致等于0.7b時(shí)，節(jié)點(diǎn)的屈服承載力也基本維持不變。當(dāng)環(huán)板寬度過窄時(shí)，若要保持節(jié)點(diǎn)承載力不變，則會(huì)使得豎環(huán)高度大大增加，甚至無法通過增加豎環(huán)高度來滿足承載力要求；且若環(huán)板過窄，將使得節(jié)點(diǎn)柱鋼管比梁端先屈服，對節(jié)點(diǎn)受力產(chǎn)生不利影響。

表1 環(huán)板寬度和豎環(huán)高度的關(guān)系

三、結(jié)論及展望

（1）本項(xiàng)目外包豎環(huán)的窄環(huán)板節(jié)點(diǎn)的承載力與按構(gòu)造要求設(shè)計(jì)的基本節(jié)點(diǎn)承載力基本相等，且梁端在鋼管柱和環(huán)板尚未屈服之前達(dá)到極限承載力，因此新型節(jié)點(diǎn)的受力較為合理且沒有削弱節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）在一定范圍內(nèi)，隨著環(huán)板寬度減小，若外包豎環(huán)與環(huán)板的長度之和不變且大致等于0.7b時(shí)，節(jié)點(diǎn)的屈服承載力也基本保持不變，且節(jié)點(diǎn)受力合理。若環(huán)板過窄時(shí)，將使得節(jié)點(diǎn)柱鋼管比梁端先屈服，對節(jié)點(diǎn)受力產(chǎn)生不利影響。

（3）若減少外環(huán)板寬度，但不外包豎環(huán)，鋼管壁和外環(huán)板先于鋼梁出現(xiàn)屈服，鋼梁材料未充分使用，不滿足“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)要求；且節(jié)點(diǎn)承載力有較大降低。

（4）本文提出的改進(jìn)的外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)在實(shí)際工程中運(yùn)用取得了良好的效果。對該節(jié)點(diǎn)受力性能的理論分析及外環(huán)板寬度與柱鋼管外貼鋼板尺寸的關(guān)系，仍需進(jìn)行深入研究以對工程設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。