型鋼混凝土框架節(jié)點設(shè)計探討

馬新英

(上海建工二建集團有限公司工程設(shè)計研究院，上海 200090)

1 概述

近年來，隨著我國經(jīng)濟建設(shè)快速發(fā)展，修建了大量的建筑結(jié)構(gòu)，建筑設(shè)計外形越來越美觀，布置形式靈活多樣，對結(jié)構(gòu)提出了更多的要求。其中之一是結(jié)構(gòu)經(jīng)常遇到大空間和局部轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的設(shè)計成為整個結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點之一，型鋼混凝土框架為常用的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形式之一［1-3］。型鋼混凝土框架是指框架柱和梁均以型鋼為骨架，外包鋼筋混凝土所形成的結(jié)構(gòu)。

與鋼結(jié)構(gòu)相比，其優(yōu)點是可節(jié)省鋼材、降低造價而且混凝土兼有參與構(gòu)件受力與保護層的功能，在防火和耐久性方面具有明顯的優(yōu)越性，混凝土還可提高型鋼的整體穩(wěn)定性，鋼板的局部屈曲、彎曲失穩(wěn)及梁的側(cè)向失穩(wěn)不易發(fā)生［4，5］。與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，構(gòu)件截面積較小，滿足凈空要求，構(gòu)件的抗壓、剪切和彎曲承載力大幅度提高，徐變變形較小，且施工時可利用型鋼做支架來承擔(dān)施工荷載，提高施工效率，降低了施工風(fēng)險。

近年來隨著型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件的研究增多和相關(guān)設(shè)計理論的成熟，其在工程建設(shè)中的應(yīng)用越來越多，但由于型鋼混凝土梁柱節(jié)點處構(gòu)件尺寸相對較小、鋼筋較密，型鋼梁、柱節(jié)點處連接構(gòu)造和受力復(fù)雜，影響因素較多，節(jié)點在設(shè)計理論和實際應(yīng)用中存在諸多問題，限制了型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在實際工程中的應(yīng)用［6］。節(jié)點設(shè)計除了滿足承載力要求以外，還要盡量考慮施工方便，對節(jié)點設(shè)計，《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》［7］中已有一般要求，但是其要求比較籠統(tǒng)，圖集中常常把型鋼和鋼筋分別表示，無法真實顯示各自的布置及相互影響。實際設(shè)計中，型鋼混凝土梁、柱交接處鋼筋、型鋼復(fù)雜多樣，互相影響，所以如何實現(xiàn)節(jié)點設(shè)計的傳力明確、構(gòu)造合理和易于施工是關(guān)鍵所在，這需要設(shè)計人員根據(jù)具體工程結(jié)構(gòu)的情況進行精心設(shè)計［8-10］。本文以一個實際帶轉(zhuǎn)換梁的局部大空間框架結(jié)構(gòu)為例，針對型鋼混凝土梁和型鋼混凝土柱的節(jié)點以及柱腳節(jié)點設(shè)計從受力、構(gòu)造和施工角度展開探討。

2 工程概況

本工程是一座混凝土框架結(jié)構(gòu)的行政辦公樓，建筑層數(shù)6層，總高度22.45 m，場地屬于可進行建設(shè)的一般場地，場地類別為Ⅱ類。場地地下水主要為潛水和基巖裂縫水，對混凝土結(jié)構(gòu)無腐蝕性，采用粘土層作為持力層，基礎(chǔ)為條形地基梁，結(jié)構(gòu)立面布置如圖1所示。

圖1 立面布置圖

建筑設(shè)計要求，在4層頂轉(zhuǎn)換，在綜合比較預(yù)應(yīng)力混凝土梁和型鋼混凝土梁兩種結(jié)構(gòu)形式后，選擇型鋼梁作為轉(zhuǎn)換梁設(shè)計方案。這主要是因為預(yù)應(yīng)力混凝土梁方案需要專門的施工技術(shù)和隊伍，考慮到本工程地處縣城，當(dāng)?shù)厥┕に接邢?，同時考慮到轉(zhuǎn)換梁位置高，高空作業(yè)，施工風(fēng)險較大。而型鋼混凝土梁方案不需特殊設(shè)備與施工隊伍，且利用型鋼作為后續(xù)混凝土施工的支架，降低施工風(fēng)險并能加快施工進度，因此其可滿足結(jié)構(gòu)受力性能和實際施工兩方面的要求。

3 型鋼混凝土框架梁柱節(jié)點設(shè)計

由于辦公樓建筑使用功能的要求，結(jié)構(gòu)中部有一個大跨度轉(zhuǎn)換框架，中間跨度21.2 m，梁底標(biāo)高13.5 m，經(jīng)比選后，該大跨度轉(zhuǎn)換采用型鋼混凝土梁和型鋼混凝土柱，型鋼混凝土框架以及梁柱截面如圖2所示。

本工程設(shè)計時，在受力分析基礎(chǔ)上，設(shè)計原則是按強柱、弱梁和節(jié)點核心區(qū)更強來考慮，首先確定了型鋼梁和柱的尺寸、型鋼類型和尺寸及配筋布置等，進而開展節(jié)點的設(shè)計。節(jié)點采用剛性連接方式，設(shè)計主要考慮因素有:

1)滿足計算強度、剛度、裂縫及規(guī)范要求的配筋率和配箍率條件;

圖2 型鋼混凝土框架及梁柱截面圖

2)力求梁柱連接可靠，內(nèi)力通過節(jié)點可靠傳遞;

3)施工的便利性，為保證梁柱節(jié)點區(qū)混凝土的密實性，節(jié)點的連接構(gòu)造力求簡單，主筋布置合理，便于澆筑混凝土，而且還要考慮型鋼結(jié)構(gòu)焊接方便，確保梁端型鋼部分的應(yīng)力能可靠地傳遞到型鋼柱。下面結(jié)合本工程型鋼混凝土梁柱特點，對涉及的型鋼混凝土梁柱節(jié)點和柱腳節(jié)點設(shè)計給予詳細論述。

3.1 柱腳節(jié)點設(shè)計

型鋼混凝土柱與地基梁的連接采用剛性連接，地基梁的縱向鋼筋伸入型鋼混凝土柱節(jié)點，為滿足鋼筋錨固要求，采用鋼筋混凝土地基梁縱向貫通。其次，設(shè)計時為避免地基梁縱向鋼筋與型鋼混凝土柱內(nèi)型鋼直接焊接或穿過型鋼翼緣，地基梁在柱腳節(jié)點處加水平腋，縱筋采用了繞避的布置方式，為了確保鋼筋能夠順利布置，設(shè)計采用1∶1比例放樣。同時在柱型鋼與梁鋼筋水平處翼緣之間設(shè)置加勁肋，以防翼緣失穩(wěn)，如圖3所示。

注意，鋼筋繞開柱子時，不能緊靠型鋼，應(yīng)留出50 mm距離，因為施工時，如果是先綁扎好地基梁中的鋼筋，再吊裝柱中的型鋼，而柱腳處的墊板范圍比柱中型鋼寬出50 mm，否則吊裝就位時會遇到困難。

3.2 梁柱節(jié)點

型鋼混凝土梁柱節(jié)點設(shè)計在構(gòu)造方面的難點主要包括兩個方面:

1)如何處理構(gòu)件中縱筋與型鋼間的關(guān)系，一般很難避免縱筋穿過型鋼鋼板的現(xiàn)象發(fā)生;

2)梁柱相交處型鋼之間的連接構(gòu)造。本工程梁柱節(jié)點設(shè)計為在距離柱邊1.4 m處拼接，考慮到上述兩方面因素，梁、柱中分別采用實腹式工字鋼和H型鋼，梁柱節(jié)點采用柱內(nèi)H型鋼上下貫通的剛性連接方式，梁中工字型鋼在柱H型鋼兩側(cè)斷開，采用坡口焊與柱H型鋼翼緣焊接。在柱H型鋼翼緣之間對應(yīng)于梁工字鋼上下翼緣水平處各設(shè)一道橫隔板，以保證梁翼緣傳來的拉力可靠地傳遞到節(jié)點，并防止柱型鋼翼緣板發(fā)生局部屈曲。橫隔板上設(shè)有排氣孔，以便混凝土澆筑時，空氣能順利溢出。為加強錨固，在梁與柱型鋼翼緣上設(shè)置間距為150 mm，直徑19 mm，長度為80 mm的栓釘，符合《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定。

圖3 柱腳節(jié)點構(gòu)造圖

型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別為丙類，抗震等級為三級，因此，梁柱節(jié)點設(shè)計不僅要保證節(jié)點具有足夠的承載力，同時需要具有充分的塑性轉(zhuǎn)動能力。為了提高型鋼混凝土柱與型鋼混凝土梁之間的節(jié)點延性，將梁端塑性鉸外移，采用柱外帶懸臂梁段的加強型連接節(jié)點，懸臂梁段與柱的型鋼構(gòu)件間在工廠進行全熔透焊接連接，中間梁段在工地進行現(xiàn)場拼接。拼接時應(yīng)先安裝腹板的高強度螺栓，采用全熔透坡口焊縫進行翼緣處的連接。

節(jié)點工廠預(yù)制，焊縫質(zhì)量有保證，減少高空作業(yè)，有利于確保施工質(zhì)量和安全。減少梁柱之間的連接螺栓，有利于節(jié)點處箍筋的穿過和縱筋的布置，見圖4。

圖4 梁柱節(jié)點型鋼連接構(gòu)造圖

型鋼梁中的配筋要根據(jù)梁的強度、剛度、裂縫計算確定，同時要考慮施工因素，在此需注意，如果采用大直徑鋼筋，雖然會減少鋼筋穿過型鋼的數(shù)量，易于施工，但對裂縫的控制有時是很不利的，勁性混凝土梁中的鋼筋，一個重要作用是控制裂縫寬度?？紤]到節(jié)點受力特點、混凝土澆筑質(zhì)量以及施工便利性，對梁柱節(jié)點鋼筋排布進行優(yōu)化，盡量增加繞過鋼結(jié)構(gòu)鋼筋的數(shù)量，減少穿鋼結(jié)構(gòu)鋼筋的數(shù)量，柱箍筋入梁，梁箍筋不入柱。

圖5 梁柱節(jié)點鋼筋連接構(gòu)造及節(jié)點區(qū)梁上、下部鋼筋示意圖

具體對本工程，與型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁垂直方向的梁采用普通鋼筋混凝土梁，經(jīng)過仔細設(shè)計考慮，選用φ25鋼筋，兩個方向均為雙層布置，上部鋼筋與下部鋼筋在節(jié)點中的處理方式有所不同，上部鋼筋柱翼緣外1∶6斜度繞過，柱翼緣內(nèi)打孔穿過，下部鋼筋柱翼緣外1∶6斜度繞過，柱翼緣內(nèi)通過鋼筋連接板焊接。也采用1∶1放樣，確保施工時鋼筋能順利通過節(jié)點，型鋼中的鉆孔要準(zhǔn)確定位。為保證規(guī)范要求的節(jié)點配箍率，采用φ16間距100 mm，箍筋遇梁腹板，腹板預(yù)先打孔，孔徑21 mm，間距100 mm，如圖5所示。

型鋼混凝土節(jié)點澆筑過程中，考慮到栓釘、水平加勁肋和橫向箍筋等的阻擋，需保證混凝土澆搗的密實性，應(yīng)注意防止出現(xiàn)在型鋼翼緣底面，加勁肋隔板底面形成死角，施工中應(yīng)加強振搗，注意養(yǎng)護。

4 結(jié)語

型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)由于其承載力高、延性好、變形能力強、施工快捷、造價低等優(yōu)點，在實際工程中得到了較為廣泛的應(yīng)用，本文結(jié)合一實際工程，對型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點設(shè)計從受力、構(gòu)造和施工等方面進行了討論，主要結(jié)論如下:

1)節(jié)點是連接梁、柱并傳遞內(nèi)力的關(guān)鍵部位，節(jié)點設(shè)計應(yīng)從受力、構(gòu)造和施工等方面綜合考慮，使得設(shè)計的節(jié)點傳力明確，構(gòu)造合理簡單，便于澆筑混凝土，確保梁端型鋼部分的應(yīng)力能可靠地傳遞到柱型鋼，滿足正常使用和極限強度等方面的要求;

2)考慮施工的便利性，通常利用等強代換以減少截面內(nèi)主梁鋼筋的數(shù)量，這可以簡化節(jié)點構(gòu)造，但這時需注意是否滿足正常使用條件下的裂縫控制要求;

3)通過本工程實際施工的反饋看，上述型鋼混凝土節(jié)點設(shè)計方案經(jīng)濟可行，顯著縮短了施工周期，降低了施工風(fēng)險，增強了施工質(zhì)量，設(shè)計節(jié)點可供同類結(jié)構(gòu)參考。

［1］ 陳麗華，李愛群，趙 玲.型鋼混凝土梁柱節(jié)點的研究現(xiàn)狀［J］.工業(yè)建筑，2005(1):56-58.

［2］ 李 焱，楊建江，秘志偉.型鋼混凝土梁柱節(jié)點的研究和應(yīng)用［A］.第十一屆全國結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會議論文集第Ⅰ卷［C］.2002.

［3］ 胡軼敏，尉彤華，徐少華，等.型鋼混凝土梁柱剛性節(jié)點構(gòu)造［J］.浙江建筑，2007(7):27-30.

［4］ 梁 威，王 昊.我國型鋼混凝土梁柱節(jié)點構(gòu)造綜述［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2007(4):98-104.

［5］ 王華洪，董事爾，黨鵬飛，等.淺述型鋼混凝土梁柱節(jié)點構(gòu)造與應(yīng)用改進［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2012(8):88-89.

［6］ 閆麗娟.型鋼混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點研究［J］.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2007(33):258-259.

［7］ JGJ 138-2001，型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［8］ 王繼武.型鋼混凝土框架梁柱節(jié)點受力性能有限元分析［D］.重慶:重慶交通大學(xué)，2009.

［9］ 徐珍珍.型鋼混凝土框架梁柱節(jié)點受力性能研究［D］.西安:西安科技大學(xué)，2012.

［10］ 顏 軍，李升才.型鋼混凝土節(jié)點受力性能及承載能力計算方法比較［J］.鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008(5):49-53.