雙抗剪鋼板轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點的研究及應用

陳 林，劉春艷

（廣東省建科建筑設(shè)計院有限公司 廣州 510010）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟水平的提高，人們對建筑空間的舒適性及合理性要求越來越高，建筑體型越來越復雜，功能越來越多樣化。為了滿足建筑功能的要求，結(jié)構(gòu)有時必須與常規(guī)方式相反進行布置，上部小空間，布置剛度大的剪力墻，下部大空間，布置剛度小的框架柱，必須在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的樓層設(shè)置轉(zhuǎn)換層，稱結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層［1］。

轉(zhuǎn)換層采用的形式主要有梁式轉(zhuǎn)換，梁式、桁架式、空腹桁架式、箱形和板式轉(zhuǎn)換層等。目前，國內(nèi)用得最多的是梁式轉(zhuǎn)換層［2-5］，其設(shè)計和施工簡單，受力明確，一般用于底部大空間剪力墻結(jié)構(gòu)。對于部分梁式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，存在主次梁轉(zhuǎn)換，同時主框支梁上不滿跨布置剪力墻等原因造成框支梁端部剪力較大，此時，按通常設(shè)計需增大梁截面、混凝土強度或采用型鋼混凝土截面才能滿足文獻［6-8］規(guī)定的剪壓比要求，但綜合各方面因素，存在以下不足：

⑴增大梁截面，使底部大空間凈空減小，影響建筑功能使用，自重增大，吸收的地震力增大，且對于部分框支梁往往端部受力鋼筋為構(gòu)造配筋，增大梁截面無疑增加框支梁受力鋼筋，造成浪費；

⑵采用高標號混凝土等級施工難以保證；

⑶如采用型鋼混凝土梁，施工復雜，需專業(yè)施工隊伍施工，增加工期。

1 節(jié)點設(shè)計思路

佛山某商業(yè)綜合體總建筑面積約60 萬m2，其中一區(qū)1D棟、2D棟，二區(qū)2A棟采用框支剪力墻結(jié)構(gòu)，地下3 層，地上29～32 層，建筑總高度92.9～101.6 m，7 度設(shè)防，在建筑3 層通過框支轉(zhuǎn)換層托換上部剪力墻以更合理地利用建筑空間。

通過與建筑及各專業(yè)協(xié)調(diào)，在達到最合理柱網(wǎng)及剪力墻布置的結(jié)構(gòu)方案的同時，轉(zhuǎn)換梁上基本托換不滿跨剪力墻且大多采用主次梁托換，通過計算分析可知，主轉(zhuǎn)換梁端部剪力較大造成截面剪壓比嚴重不足，如采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主轉(zhuǎn)換梁端部須加腋處理，大大影響建筑空間的正常使用。若能通過另一種方法加強梁端部的受剪承載力，可以避免采用加腋、混凝土量及混凝土等級強度的增加，由于大多數(shù)主轉(zhuǎn)換梁端部彎矩不大，加大截面無疑增加構(gòu)造鋼筋，進而鋼筋用量也相應增加，并且從施工的角度來說，高強度等級混凝土施工質(zhì)量難以保證。故在轉(zhuǎn)換梁中引入型鋼可解決此問題，由于型鋼腹板對抗剪的貢獻占主導地位而在本工程設(shè)計當中大多數(shù)主轉(zhuǎn)換梁可不需要翼緣的抗彎作用，故可僅引入型鋼的腹板以承受剪力，即抗剪鋼板，如圖1 所示，在轉(zhuǎn)換梁中加入抗剪鋼板可以使轉(zhuǎn)換梁截面的抗剪承載力大大提高，進而滿足規(guī)范對剪壓比的限值要求。

圖1 雙抗剪鋼板節(jié)點示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Double Shear Steel Plate Joint （mm）

2 分析結(jié)果及節(jié)點做法

采用普通混凝土梁及雙抗剪鋼板混凝土梁的經(jīng)濟性對比如表1所示（以一區(qū)2D主轉(zhuǎn)換梁為例）：

表1 普通混凝土梁及雙抗剪鋼板混凝土梁綜合對比Tab.1 Comprehensive Comparison between Ordinary Concrete Beam and Double Shear Steel Plate Concrete Beam

可以看出，使用鋼板混凝土梁較普通混凝土梁有以下優(yōu)點：

⑴轉(zhuǎn)換梁端部加入鋼板（鋼板沿梁跨范圍可根據(jù)剪力包絡(luò)圖確定）可大大減小混凝土梁截面，進而提高建筑空間的利用率，減輕結(jié)構(gòu)自重，減小地震效應；

⑵按普通混凝土梁進行設(shè)計的轉(zhuǎn)換梁配筋率較低，構(gòu)造鋼筋較多，引入鋼板后可使轉(zhuǎn)換梁達到最經(jīng)濟配筋率；

⑶降低混凝土強度等級，施工質(zhì)量得以保證，鋼板構(gòu)架在工廠加工好，對施工工期影響較小。

通過綜合分析，為了達到最優(yōu)化的經(jīng)濟效益，并和業(yè)主充分溝通，決定采用雙抗剪板節(jié)點體系，如圖2所示，該節(jié)點可用于轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中，特別適用于轉(zhuǎn)換梁上不滿跨布置剪力墻的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中。

圖2 雙抗剪鋼板施工現(xiàn)場Fig.2 Construction Site of Double Shear Steel Plate

3 有限元分析

3.1 有限元模型建立

混凝土本構(gòu)關(guān)系采用Hognestad 建議公式表達應力-應變關(guān)系，屈服準則采用Mises準則。混凝土的等效應力-應變曲線在上升段取5個點，下降段取2個點，屈服壓應變ε0取0.002，極限壓應變εu取0.003 8，泊松比ν=0.2。混凝土采用ANSYS 中提供的Solid65 單元來進行模擬，混凝土采用C40 等級?？辜翡摪宀捎肧olid45 單元模擬及Von Mises 屈服條件，本構(gòu)模型采用三折線模型，鋼材采用Q345B。

節(jié)點模型的有限元網(wǎng)格采用映射網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的大小依據(jù)混凝土單元尺寸不宜小于50 mm 的建議［9-11］（本文取100 mm）。模型節(jié)點的單元網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 雙抗剪鋼板節(jié)點有限元模型Fig.3 FEM of Double Shear Steel Plate Joint

3.2 有限元計算結(jié)果

3.2.1 位移分析

節(jié)點計算模型變形如圖4 所示，由于轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)剛度較大，變形結(jié)果較小，不到2 mm?？梢钥闯?，抗剪鋼板與混凝土梁柱協(xié)調(diào)工作性能較好。

圖4 雙抗剪鋼板節(jié)點變形Fig.4 Deformation of Double Shear Steel Plate Joint

3.2.2 應力分析

雙抗剪鋼板節(jié)點第一主應力如圖5 所示，由圖5可知，抗剪鋼板上端承受一定的拉應力，即抗剪鋼板承擔了一部分彎矩，但應力水平較低，最大123 MPa，遠小于鋼材屈服值?；炷晾瓚^小（1.77 MPa），低于抗拉強度標準值。結(jié)果表明在抗剪鋼板端部上下各設(shè)置一塊端板是有效的，未出現(xiàn)抗剪鋼板對混凝土劈裂作用而造成局部混凝土壓應力較大。

圖5 雙抗剪鋼板節(jié)點第一主應力Fig.5 First Principal Stress

由圖6可以看出，抗剪鋼板壓應力較小，壓應力主要由混凝土承擔。由于轉(zhuǎn)換梁截面較大，壓應力水平較低，基本由抗剪控制。

圖6 雙抗剪鋼板節(jié)點第三主應力Fig.6 Third Principal Stress

由圖7可以看出，梁端混凝土剪應力水平較低，抗剪鋼板剪應力較大，但小于剪應力標準值。由此可知抗剪鋼板節(jié)點協(xié)調(diào)性能較好，抗剪鋼板承擔了絕大部分剪力，節(jié)點抗剪性能優(yōu)越。

圖7 雙抗剪鋼板節(jié)點梁端剪應力Fig.7 Shear Stress of Beam End

節(jié)點裂縫發(fā)展如圖8 所示，節(jié)點梁側(cè)面出現(xiàn)了細微裂縫，實際設(shè)計中對轉(zhuǎn)換梁配置抗扭腰筋可延緩裂縫發(fā)展及減小其寬度；節(jié)點內(nèi)部抗剪鋼板上端與混凝土交接處出現(xiàn)較密集裂縫，實際設(shè)計中也可參考抗剪鋼板外伸端部設(shè)置上下兩塊端板，既可延緩混凝土裂縫的發(fā)展，又可連接部分轉(zhuǎn)換梁縱筋。

圖8 雙抗剪鋼板節(jié)點裂縫Fig.8 Crack of Double Shear Steel Plate Joint

由有限元分析結(jié)果可得出，雙抗剪鋼板梁柱節(jié)點受力可靠，抗剪鋼板雖承擔了一部分彎矩，但仍在可控范圍，抗剪鋼板吸收了梁端大部分剪力，與混凝土能夠協(xié)同工作。在具體設(shè)計時，建議在抗剪鋼板兩端上下各焊接一塊綴板，以減小抗剪鋼板對混凝土的劈裂作用。

4 結(jié)語

通過對比分析，此工程運用雙抗剪鋼板節(jié)點解決轉(zhuǎn)換梁截面過大問題，不僅滿足業(yè)主經(jīng)營需求，同時也提高了材料利用率，并且使工期得到保證。結(jié)論及設(shè)計建議如下：

⑴采用雙抗剪鋼板梁柱節(jié)點體系用于不滿跨轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，有較大的經(jīng)濟效益；

⑵通過有限元分析結(jié)果可知，雙抗剪鋼板梁柱節(jié)點體系受力合理，與混凝土能較好地協(xié)同工作；

⑶可根據(jù)轉(zhuǎn)換梁的剪力包絡(luò)圖確定梁端鋼板設(shè)置長度，而無需通長布置；

⑷設(shè)置兩塊抗剪鋼板通過拉結(jié)筋互相連接實現(xiàn)自相平衡穩(wěn)定骨架；抗剪鋼板端部需設(shè)置綴板，以減小鋼板對混凝土的劈裂作用；

⑸本節(jié)點將鋼板延伸至柱內(nèi)，通過各向交叉連接在柱內(nèi)形成封閉區(qū)域，不僅提高柱內(nèi)混凝土延性及轉(zhuǎn)換梁柱核心節(jié)點區(qū)抗震性能，實現(xiàn)強節(jié)點要求，而且從施工角度來說形成更穩(wěn)定鋼骨系統(tǒng)，有利于混凝土澆筑。