一种新型钢管混凝土柱连接节点的应用研究

杜嘉斌，罗志国（广州市住宅建筑设计院有限公司，广东　广州　510623）



一种新型钢管混凝土柱连接节点的应用研究

杜嘉斌，罗志国（广州市住宅建筑设计院有限公司，广东广州510623）

节点是钢管混凝土结构中的关键问题，钢筋混凝土梁与钢管混凝土柱，钢梁与钢管混凝土柱的节点在规范及文献中已有介绍，但是同一节点，同时连接钢筋混凝土梁与钢梁者，则这少涉及，本文通过对现行节点的分析，提出一种新型的钢管混凝土柱的混合节点，并对该节点进行分析和提出了设计建议。

钢管混凝土柱；节点

1　前言

钢管混凝土结构由于其具有抗震性能好、结构截面积小、节省材料、现场工期短以及显著的经济效果等优点，已在我国得到广泛应用。在钢管混凝土结构设计中非常关键的是节点问题，现有的钢管混凝土梁柱节点形式多种多样，如与钢结构连接的节点有外环板式，内环板式等，与混凝土楼盖连接的节点有变梁宽式，双梁式，穿心牛腿式，钢筋混凝土环梁式等等，各种节点在设计施工中各有利弊，很难说那一种形式是最优的，加上具体工程变化多样，材料供应和施工条件不同，其反应也不同，因此设计时只能结合具体情况来判断和选择。

现行规范及各学术文献中介绍的节点，要么是钢筋混凝土楼盖与钢管混凝土柱连接，要么是钢结构与钢管混凝土柱连接节点，但实际工程中对于钢管混凝土柱节点的需要却是多种多样的，同一节点，既要连接钢筋混凝土梁也要连接钢梁。本文在现行较成熟的节点的基础上，提出了一种新型的混合节点，以解决同一节点既连接钢梁又连接混凝土梁的问题。

2　节点的设计与分析

2.1现行节点介绍

钢管混凝土结构中，作为钢管柱本身，已经比较成熟，但钢管柱与梁（钢梁与混凝土梁）连接的节点形式却是多样的，现行有关规范提出了一些基本的一些构造形式，随着高层建筑的发展，尤其是变化多样的结构布置和新结构体系的出现，不少设计和研究单位都先后提出了许多不同形式的新型节点，并进行了理论及试验研究，而且多数都已应用到实际工程中。目前已被应用的节点形式很多，以下简单介绍如下：

2.1.1钢筋混凝土梁与钢管混凝土柱连接节点

钢筋混凝土梁与钢管混凝土柱连接节点主要有，井式双梁、环梁、穿筋单梁和变宽度梁［1］。

井式双梁，是把原来正对钢管柱的梁分成两根分别位于柱两侧的梁，在钢管混凝土柱的四面，于梁底标高处在钢管上各焊接一个钢牛腿（明牛腿或暗牛腿）承受剪力。适用于现浇钢筋混凝土梁的内力很大，或钢管混凝土柱直径较大而梁宽相对较小时。

变宽度梁，是把梁在靠近钢管处的梁宽加大，使梁顶面和底面的纵向钢筋靠近柱边连续通过，另加焊于钢管的短牛腿承受剪力。当钢筋混凝土梁的宽度与钢管混凝土柱的直径相差不大时，适合采用变宽度梁节点。

以上两种为铰接节点。

环梁节点，在梁截面高度处围绕钢管设置一圈由上下环筋，箍筋及环向腰筋组成的混凝土环梁。在环梁的中、下部，于钢管的外表面贴焊一圈或多圈环形钢筋作为抗剪环，框架梁的顶面、底面纵向钢筋弯折锚固于环梁内。

由于环梁节点的钢管内无穿心构件，无加强环板，不影响混凝土浇注，且可与任意角度混凝土梁连接，无方向性，无需现场焊接，制作简单，施工方便，节省投资，因此，采用环梁节点的高层建筑越来越多，实践证明该节点受力安全可靠。

试验结果表明，环梁节点传力可靠，耗能性能较好，容易做到“强柱弱梁”［2］，但初始刚度较低，属于半刚性节点。

穿筋单梁节点，在钢管壁上开孔，将纵、横向框架梁的顶面和底面纵向钢筋贯穿钢管柱，以传递梁端正、负弯矩。于在梁截面的中、下部，于钢管的外表面贴焊一圈或多圈环形钢筋，以传递梁端剪力。

暗牛腿节点，暗牛腿为工字型牛腿，腹板贯穿钢管混凝土柱，两个方向钢筋混凝土梁的顶面、底面纵向钢筋，分别与穿心牛腿外悬部分的上、下翼缘焊接，以传递梁端弯矩产生的水平拉力。

穿筋单梁与暗牛腿节点属于刚性节点。

2.1.2钢梁与钢管混凝土柱连接节点

当钢管混凝土柱与钢梁连接时，节点属于钢与钢的连结，构造上比较简单。根据钢管混凝土柱的直径大小分为外环板节点和外环板节点。

外环板节点，当钢管混凝土柱的直径较小时，可采用外环板节点。典型的做法是用焊于钢管上的连接腹板和加强环与钢梁连结，加强环有上环和下环，用于传递弯矩；连接腹板用于传递剪力。这种节点适应性很强，无方向性，可连接任意方向的钢梁，传力明确而可靠，刚度也很好，但用材较多且制作较困难。

当钢管混凝土柱的直径较大时，采用内环板式节点，由于内环板与梁翼缘位于同一个平面内，所以节点仍能满足刚节点的要求。采用内加强环式节点相对于外加强环式节点，内加强环面积小，节约用钢量；加强环中间开大洞，周边做透气孔，不影响管内混凝土的浇筑；加强环隐藏于钢柱内，外观简单漂亮，且节约防火涂料。

2.2钢管混凝土柱同时与混凝土梁、钢梁连接的混合节点

上文分别介绍了钢筋混凝土梁与钢管混凝土柱连接节点，钢梁与钢管混凝土柱连接节点。可以说，对于同一个节点，仅连接混凝土梁或仅连接钢梁时，采用上述节点已能安全可靠地解决梁柱的连接问题。但在工程实践中，对钢管混凝土柱的节点的需要往往是多样的。对于同一节点，既连接钢梁又连接混凝土梁的情况，单纯采用上述的节点则难以解决问题。我们发现，要解决这样的问题，可从这些经过实际工程验证的节点里合理的选取并进行组合，取各自节点的长处，从而得到一个制作简单，施工方便，传力可靠的混合节点。

钢管混凝土柱直径（D＞1000mm）较大时，对于钢梁，可采用内环板节点；对于钢筋混凝土梁可以采用环梁节点。环梁的上环筋可以设置在钢梁之上楼板内，保证环筋的贯通；在钢梁的腹板相应的位置局部开洞，以便环梁的抗剪环贯通；考虑到环梁的腰筋为现场施工，在腹板上预留洞的话，施工较困难，故在钢梁腹板上设置横向加劲肋，以便环梁腰筋焊接于加劲肋上。该节点的构造详图1～2所示。

采用这种节点，内加强环板及连接钢梁的钢牛腿可于工厂内焊接完成，除钢梁及环梁腰筋需要在现场焊接外，其余施工做法与混凝土环梁节点相同，施工方便快捷。

该节点由内环板节点与环梁节点结合而成，其简单的承载力计算［3］如下：

内环板计算：

钢梁上（下）翼缘的所能承受的最大拉力

式中：B为与钢管混凝土柱的含钢率，变形，直径，弹性模量等相关相关的系数

环梁计算：文献［2］中给出了环梁节点的实用计算方法

不考虑楼板有利作用时：

考虑楼板有利作用：

考虑楼板负筋的影响：

图1　环梁，内环板混合节点

图2　环梁，内环板混合节点（局部）

当钢管混凝土柱的直径较少时（D≤1000mm），对于钢梁，可采用外环板节点；相应地钢筋混凝土梁采用的是暗牛腿节点。暗牛腿的翼缘同加强环板高度一致。钢筋混凝土梁的纵筋焊接于牛腿的上下翼缘上，与暗牛腿节点不一样的是，牛腿的腹板不贯穿钢管，通过上下环板之间的腹板承受剪力。该节点的构造详图3。

图3　暗牛腿，外环版混合节点

该节点刚度好，传力可靠，钢管中无加强构建，混凝土浇注方便。

3　工程实例

猎德西区综合发展项目C区地块C3办公楼高255m，地上57层，地下4层，采用框架（钢管混凝土柱+钢筋混凝土梁）－核心筒（钢筋混凝土）的结构形式，在建筑的南面，由于建筑立面需要，2～5层有7～8m的大悬挑。根据本工程的结构形式，施工条件等情况，本工程选用了混凝土环梁节点。

超过6m的大悬挑，采用混凝土梁已不合适，并且环梁节点梁纵筋不能贯穿，悬挑梁的受力难以保证，故需采用钢梁；若悬挑处整个节点采用钢结构形式，则存在钢结构与混凝土梁连接是构造复杂、施工难度大等问题，故考虑采用本文提出的混合节点，由于钢管混凝土柱的直径为1400mm，选用环梁节点与内环板节点结合的混合节点。

连接节点的混凝土梁800×1200，悬挑钢梁截面16×1400× 600×32（腹板厚×梁高×梁宽×翼缘板厚），悬挑段板厚150mm，环梁截面为，400×1700，采用C40混凝土如图4所示。

图4　暗牛腿，内环版混合节点模型

本工程现已施工，节点工作状态良好，详见图5。同一节点，既要连接混凝土梁，又要连接钢梁，需用本文提出的混合节点，既能很好地解决钢梁和混凝土梁各自的受力问题，同时解决了采用穿筋单梁节点等传统的节点带来的施工困难。混合节点的运用，收到了良好的效果，是一次有益的尝试。

图5　暗牛腿，内环版混合节点实例

4　结论及设计建议

经以上分析及已施工的工程证明，本文提出的节点安全可靠，制作简单，施工方便，是对钢管混凝土结构节点的一种有益的补充。如此类推，可根据具体项目的特点，现场的情况，选择合适的节点进行组合。

在实际工程设计中，如需运用该混合节点，注意以下问题：

（1）环梁的高度至少为钢梁高度+300mm（上下各150mm），以便环梁的上下环筋贯穿。

（2）内环板满足计算受力要求及构造要求即可。

（3）当采用外环板节点时，暗牛腿翼缘上可焊接竖向肋板，以焊接钢筋混凝土梁的钢筋。

（4）环梁设计时，应注意能否考虑楼板的有利作用。

［1］《钢管混凝土结构技术规程》（CECS28-2012）.

［2］方小丹，李少云，等.钢管混凝土柱-环梁节点抗震性能的试验研究［J］.建筑结构学报，2002（12）.

［3］刘大海，杨翠如.型钢钢管混凝土高楼计算和构造（第一版）.中国建筑工业出版社，2003，9.

杜嘉斌（1979-），男，结构工程师，国家一级注册结构工程师，硕士研究生，主要从事建筑结构的分析及设计工作。

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2095-2066（2016）14-0100-02

2016-5-1