鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計分析

鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計分析

0節(jié)點形式的選擇由于管道混凝土支架具有良好的機械性，作為一種承受高血壓的支柱，廣泛應(yīng)用于高層建筑中。目前,對鋼管混凝土柱的承載力研究已很成熟?！朵摴芑炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》(CECS28:90)(以下簡稱《規(guī)程》)對鋼管混凝土柱的承載力提出了較為完整的計算公式,并對施工工藝、節(jié)點構(gòu)造等方面作了一些規(guī)定。但《規(guī)程》只對變梁寬節(jié)點、上下環(huán)梁節(jié)點及雙梁節(jié)點等三種節(jié)點形式提出了一定的構(gòu)造措施,節(jié)點形式較少。近些年來,許多結(jié)構(gòu)工程師根據(jù)經(jīng)驗和實際情況設(shè)計出一些新型節(jié)點。許多學(xué)者也提出了新的節(jié)點形式,并對其受力性能進行了試驗研究和理論分析。而每種節(jié)點形式都有其自身的優(yōu)點和缺點,所以面對如此多樣化的節(jié)點形式,設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)實際情況,綜合考慮結(jié)構(gòu)體系、施工等方面的因素,選取合適的節(jié)點形式。下面將對一些鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁節(jié)點從構(gòu)造特點、設(shè)計要點、傳力路徑等方面作介紹,為設(shè)計人員提供參考。1一些常見的節(jié)點1.1鋼筋混凝土梁的外框架節(jié)點1.1.1環(huán)板與鋼板的連接(1)根據(jù)梁的頂面和底面鋼筋位置,在鋼管上設(shè)置上下加強環(huán)板。根據(jù)梁軸線位置,在上下加強環(huán)板之間設(shè)置豎向鋼板。其中,豎向鋼板與下加強環(huán)板焊接,與上環(huán)板離開一段距離(為了利于該處混凝土澆筑密實)。連接焊縫均可采用雙面角焊縫。這些工作可在工廠完成。(2)將梁的頂面和底面鋼筋分別與上下加強環(huán)板進行焊接,以傳遞梁端彎矩。將梁端斜筋與豎向鋼板焊接,以傳遞梁端剪力。1.1.2結(jié)構(gòu)的設(shè)置要求(1)加強環(huán)板的寬度和厚度,根據(jù)與之焊接的梁縱向鋼筋等強的原則確定。同時環(huán)板的厚度不能過薄,其寬厚比應(yīng)參考《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50017-2003)中關(guān)于工字鋼翼緣寬厚比的限制。對抗震等級要求較高的結(jié)構(gòu),應(yīng)根據(jù)實際情況予以加強。(2)加強環(huán)板的外伸寬度應(yīng)與框架梁寬度相同。(3)豎板的高度、厚度及其與鋼管的連接焊縫尺寸,應(yīng)根據(jù)其承擔(dān)全部梁端剪力確定。同時,確定高度時考慮應(yīng)比上下環(huán)板凈距小些。1.1.3鋼筋混凝土柱節(jié)點剛性較大,傳力路徑明確,上下環(huán)板分別承受拉、壓力,形成力偶來承受梁端彎矩。豎板承受梁端剪力。無管內(nèi)焊接,且沒有任何穿心構(gòu)件,便于管內(nèi)混凝土的澆筑,加快施工進度。適用于小直徑的鋼管混凝土柱。當(dāng)鋼管直徑較大時,節(jié)點用鋼量較大。且環(huán)板較寬時,影響建筑外觀。鋼筋混凝土梁縱筋與加強環(huán)外伸部分的焊接量也很大。當(dāng)梁高不同時需增設(shè)加強環(huán),節(jié)點的適應(yīng)性較差。1.2穿心曲線，切下牛膝節(jié)點1.2.1工字鋼牛學(xué)習(xí)管(1)根據(jù)工字鋼牛腿的外輪廓在鋼管壁上開槽口,然后將兩個方向的工字鋼牛腿插入管內(nèi),并相互焊接。其中應(yīng)將受力較大方向工字鋼牛腿貫通鋼管,將受力較小方向的工字鋼牛腿斷開,并從兩側(cè)插入,而后與貫通的工字鋼牛腿焊接。為減少對管內(nèi)混凝土澆筑的影響,工字鋼牛腿的翼緣在伸入管內(nèi)一定距離后逐漸變窄。管壁槽口與穿心牛腿之間采用雙面焊縫封固。(2)兩個方向鋼筋混凝土梁的頂面、底面縱筋分別與穿心牛腿外懸部分的上下翼緣焊接。1.2.2節(jié)點的剛度問題(1)穿心牛腿上下翼緣變窄后截面的強度應(yīng)分別大于梁頂面、底面縱向鋼筋的強度。(2)穿心牛腿腹板的受剪承載力應(yīng)大于梁端的剪力。(3)為增加節(jié)點剛度,有些節(jié)點設(shè)計增設(shè)了鋼筋混凝土環(huán)梁。根據(jù)文獻的試驗研究證明,取消環(huán)梁的穿心彎剪牛腿節(jié)點試件的極限承載力沒有降低。故建議此節(jié)點可不設(shè)鋼筋混凝土環(huán)梁。1.2.3節(jié)點施工復(fù)雜節(jié)點傳力路徑明確,傳力可靠。當(dāng)鋼管混凝土柱直徑較大時,比外加強環(huán)板節(jié)點省鋼,且不影響建筑外觀。當(dāng)梁高不同時,節(jié)點的適應(yīng)性也較加強環(huán)板節(jié)點優(yōu)越。但由于需管內(nèi)焊接,且節(jié)點段需單獨制作,然后再與上下鋼管對接焊接,節(jié)點施工比較繁瑣。穿心牛腿影響管內(nèi)混凝土的澆筑。當(dāng)管徑小于1m時,管內(nèi)施焊比較困難。同樣,鋼筋混凝土梁縱筋與工字鋼牛腿翼緣的焊接量也很大。1.3抗疲勞斷裂的切割節(jié)點1.3.1牛執(zhí)行的樣品和工字鋼牛視頻管接口(1)根據(jù)工字鋼牛腿的外輪廓在鋼管壁上開槽口,然后將兩個方向的工字鋼牛腿插入管內(nèi),并相互焊接。工字鋼牛腿的翼緣在伸入管內(nèi)一定距離后逐漸變窄,至僅剩下腹板。管壁槽口與穿心牛腿之間采用雙面焊縫封固。(2)梁端中間的縱筋穿過鋼管,兩側(cè)的縱筋從管側(cè)繞過。1.3.2梁混凝土腹板尺寸(1)鋼牛腿截面高度約為框架梁高度的一半,翼緣尺寸根據(jù)梁混凝土局部承壓強度驗算確定。(2)腹板尺寸根據(jù)梁端剪力及剪力偏心引起的鋼牛腿彎矩計算確定。(3)鋼牛腿一般設(shè)置在框架梁截面的中部偏下。1.3.3鋼管內(nèi)混凝土澆筑難節(jié)點剛性較大,傳力路徑明確、傳力可靠。與2.2穿心彎剪牛腿式節(jié)點相比,無現(xiàn)場焊接。且抗剪牛腿斷面減小節(jié)省鋼材,減少了焊接工作量?，F(xiàn)場將梁端的中間縱筋穿過鋼管施工難度很大。由于穿心腹板和穿心鋼筋的存在,影響鋼管內(nèi)混凝土的澆筑。繞筋適用于梁寬和鋼管直徑相差不大的情況。1.4雙梁沖浪板1.4.1節(jié)點結(jié)構(gòu)(1)此穿心抗剪牛腿節(jié)點鋼件的做法與2.3穿心抗剪牛腿式節(jié)點相同。(2)雙梁縱筋分別從鋼管兩側(cè)通過。1.4.2梁混凝土腹板尺寸(1)鋼牛腿截面高度約為框架梁高度的一半,翼緣尺寸根據(jù)梁混凝土局部承壓強度驗算確定。(2)腹板尺寸根據(jù)梁端剪力及剪力偏心引起的鋼牛腿彎矩計算確定。(3)鋼牛腿一般設(shè)置在框架梁截面的中部偏下。1.4.3節(jié)點剛度與剛度此節(jié)點的梁端剪力通過抗剪牛腿傳給核心混凝土。梁端一部分不平衡彎矩是通過圍梁對鋼管柱前后產(chǎn)生的壓力形成的力偶來平衡,并傳遞給鋼管混凝土柱。梁端一部分不平衡彎矩是通過雙梁自身的變形來平衡的。這兩部分平衡彎矩的比例大小取決于圍梁剛度的大小。圍梁的剛度越大,通過第一種方式平衡梁端彎矩就越大,傳給鋼管混凝土柱的彎矩就越大,節(jié)點剛度就越大。反之,圍梁的剛度越小,通過第二種方式平衡梁端彎矩就越大,傳給鋼管混凝土柱的彎矩幾乎為零,節(jié)點剛度就越小,節(jié)點趨近為鉸接節(jié)點。第一種方式雙梁頂縱筋的拉力是通過對鋼管后面產(chǎn)生的壓力來平衡的,這一傳遞路徑過長。圍梁產(chǎn)生的累積變形使其對框架梁端的約束作用減少。一般,節(jié)點圍梁的縱筋與雙梁端部的縱筋基本相同,圍梁的截面也與雙梁的單肢截面基本相同。圍梁的剛度不大,通過第二種方式平衡梁端彎矩就越大,節(jié)點剛度就越小,節(jié)點趨近為鉸接節(jié)點。此節(jié)點無需現(xiàn)場焊接,施工簡便。穿心抗剪牛腿能保證梁端剪力的可靠傳遞,但也因此影響管內(nèi)混凝土的澆筑。2新節(jié)點：牛腳骨骼、桿狀節(jié)點2.1種不具有力學(xué)性能的節(jié)點此節(jié)點是筆者綜合梁縱筋貫通式節(jié)點和穿心彎剪牛腿式節(jié)點的力學(xué)性能方面的特點,提出的一種模式,并對其力學(xué)性能進行了試驗研究。它不同于以往的梁縱筋貫通式節(jié)點。不同之處在于節(jié)點處的穿筋不作為梁的縱筋,而是穿過鋼管伸出一定長度后與焊在鋼管壁的工字鋼牛腿翼緣搭接焊,如圖5所示。節(jié)點部分的制作可在工廠完成。2.2鋼筋底部節(jié)點穿筋間距(1)節(jié)點上部、下部穿筋的強度應(yīng)分別不小于梁端頂面、底面縱筋的強度。鋼筋根部采用角焊縫與鋼管壁圍焊。節(jié)點穿筋間距應(yīng)符合《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2002)中的規(guī)定。(2)鋼牛腿腹板及其與鋼管壁的雙面角焊縫的強度應(yīng)大于框架梁端剪力。2.3節(jié)點穿筋破壞此節(jié)點傳力路徑明確,傳力可靠。梁端彎矩由節(jié)點上部、下部穿筋形成的拉壓力偶承擔(dān)。梁端剪力由工字鋼牛腿腹板及其與鋼管壁的連接焊縫承擔(dān)并傳遞給鋼管壁,再經(jīng)鋼管壁傳給核心混凝土。由于節(jié)點穿筋的存在,可很好地實現(xiàn)破壞出現(xiàn)在框架梁與工字鋼牛腿的連接處,而不發(fā)生在工字鋼牛腿與鋼管的連接處。以減少破壞時,對鋼管混凝土柱的軸向承載力的削弱。同樣,由于節(jié)點穿筋的存在影響鋼管內(nèi)混凝土的澆筑。在試驗完畢后,用氣焊割開鋼管壁,觀察節(jié)點的破壞情況時,未發(fā)現(xiàn)節(jié)點區(qū)域出現(xiàn)裂縫。同時,所有穿筋試件均未出現(xiàn)大的蜂窩狗洞,只是個別試件局部出現(xiàn)一些因氣泡造成的小的蜂窩。與穿心彎剪牛腿式節(jié)點相比,無管內(nèi)施焊。穿筋