高层建筑中钢骨—钢管混凝土组合柱与梁的连结节点处理.pdf

安徽建筑 2 0 1 2年第 1期 ( 总 1 8 2期 ) 高层建筑中钢骨钢管混凝土组合柱与梁的连结节点处理 T h e p r o c e s s a b o u t B e a m c o lu mn j o in t i n C ir c u la r s t e e l t u b u la r c o lu mn f i lle d w it h S t e e l- r e in f o r c e d c o n c r e t e Ap p l i e d i n Hi g h r is e b u i l d i n g s 殷1 寄 ( 安 徽 水 利 开 发 股 份 有 限 公 司， 安 徽 蚌 埠 2 3 3 0 0 0 ) 摘要： 大量的震害表明， 建筑物会否倒塌在很大程度上取决于柱的设计， 特别是随着高层建筑和大跨结构的发展 ， 柱的轴力越来越大， 柱不但需要很 高的承载力而且需要较好的延性以防止建筑在大震情况下倒塌。文章在总 结 国内外文献的基础上 ， 研 究和 分析 了几种重载柱 ， 重点研 究了钢 骨 一钢管 混凝土组合柱与钢梁或混凝土 梁的联结方式 ， 为 实际应用提供 参考。 关键词： 钢骨一钢管混凝土组合柱； 承栽力； 高层建筑； 粱柱节点 中图分类号 ： TU 3 7 5 3 文献标识码 ： B 文章编号： 1 0 0 7 7 3 5 9 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 1 9 5 0 3 1 概述 随着建筑结构向更高 、 跨度更大、 荷载更重的方向发展， 建筑物 中的柱子承受越来越大的荷载。通过对地震灾害的调查 ， 人们认识 到建筑物承重柱的设计是关系到建筑物在大震下能否倒塌的关键 ， 特别是在高轴压力作用下， 柱子不但要有足够的强度而且应有较好 的延性。如果采用普通钢筋混凝土柱， 柱子的截面往往非常大， 这不 但占用较多建筑物的使用空间， 而且会使柱子的剪跨比较小， 形成 不利于抗震的短柱。若采用高强混凝土柱 ， 可以在一定程度上减小 柱子的截面面积 、 增大使用空间， 但高强混凝土受压时脆性高、 延性 很差， 并且高强混凝土的脆性随着强度提高而愈益严重。为了克服 高强混凝土延性差的弱点 ， 需采用较复杂的箍筋形式来增强对高强 混凝土的约束力。而近来的试验表明， 用箍筋约束的高强混凝土柱 ， 虽然已经用了很高的配箍率， 但在较高的轴压 比下仍不能达到普通 混凝土柱所具有的抗震延性。 钢 一混凝土组合结构正得到国内外学者的密切关注，在钢 一 混凝土组合结构中， 由于两种不同性质的材料扬长避短， 各自发挥 其特长， 因此具有一系列的优点。高层建筑中常见的钢 一混凝土组 合柱有钢骨混凝土柱和钢管混凝土柱。研究结果表明， 由型钢与混 凝土组合成的柱子具有较高的承载力 、 良好的延性。与钢筋混凝土 柱相 比， 钢 一混凝土组合柱在给定荷载条件下， 组合柱具有较小的 横截面积和较高的承载力。因此， 在建筑物中使用组合柱可以解决 高层建筑中的“ 胖柱” 问题和钢筋高强混凝土柱的脆性破坏问题 ， 并 且可以显著增加建筑物的使用空间， 简化了施工 ， 获得较大的经济 效益。与钢柱相比， 可提高柱子的稳定性， 避免型钢出现局部的屈 曲， 同时还可节省高层建筑的用钢量， 提高结构的防火和防腐能力。 2 本文研究内容 收稿 日期 ： 2 0 1 1 1 2 0 8 作者简介： 殷博( 1 9 6 5 一 ) ， 男， 高级工程师， 国家注册造价工程师， 国家注册一 级建造师， 主要从事施工管理工作。 图 3 梁与组合柱 连接 r 牛腿腹板 N 本文在钢管混凝土柱和钢骨混凝土柱研究的基础 上， 研究探讨了钢骨 一钢管混凝土组合柱的梁、 柱节点构 造， 为这种组合柱的实际应用提供参考。这种组合柱集钢 骨混凝土柱与钢管混凝土柱的优点于一身，具有很高的 结 构 设 计 与 研 究 应 用 安 徽 建 筑 星 2 0 1 2年第 1 期 ( 总 1 8 2期 ) 安徽建筑 结 构 设 计 与 研 究 应 用 安 徽 建 筑 牛 腿腹 板 中性 j l l l j l _ 一 t l l j I 边柱 角柱 图 2环形牛腿 L 钢筋 1 RC ll j l l M ( 牛 结节点 图8 梁钢筋穿柱钢管连结 承载力和很高的延性水准，可明显地 加 强 环 提高建筑物的防倒塌能力 ，特别适用 于高地震烈度区的高层建筑。 3 钢 一混凝土组合柱 与梁 内 型 钢 的连接 问题 )M 1 一 -_ l lj 1 柱 )M 柱钢管 审一 书 2 2 -1 图9 梁钢筋穿柱钢管连结 在框架结构中， 梁与柱的连结节 点是荷载传递的必由途径 ，连结节点 的设计是结构设计 中非常重要 的环 节 ，节点可靠与否直接影响到结构的 安全。对于由钢 一混凝土组合柱与梁 组成的框架，由于与普通钢筋混凝土 柱从构造 到施工方法上存在很大不 同，因此在设计上要充分考虑其特殊 性 ，研究选择传力可靠并具有足够延 性、施工可行的连结节点方案是非常 重要的。 梁与钢 一混凝土组合柱的连结 必须以能可靠地传递内力( 一般为梁端 弯矩和剪力) 为原则， 并特别要注意在 构造上防止连接件对柱管的局部撕 裂。下文将根据钢梁和钢筋混凝土梁 与组合柱连结的不同特点，分别讨论 梁与柱的连结构造和计算。 3 1钢 一混凝土组合柱与钢梁的连接 钢梁与组合柱的连结 ， 可采取与 钢结构类似的做法 ，将钢牛腿焊在组 合柱钢管壁上，然后现场将钢梁与牛 腿连接。在牛腿的上、 下翼缘处应环绕 组合柱设置加强钢板环。加强环的作 用主要是： 将梁翼缘的横向力有效地 传给柱管； 保持柱管圆形不变 ， 使管 内混凝土与管壁不脱离 ；提高节点 的刚度。加强环的设置可根据工程实 际情况， 采用内加强环或外加强环。 3 1 1 采用内加强环牛腿的连结方式 内加强环牛腿是在柱管内梁上 、 下翼缘位置焊接设置环板( 即环形内隔 板) ，在管外侧的相同位置设置牛腿的 上、 下翼缘和腹板， 由腹板承担全部梁 端剪力。如图 1 所示。 节点在弯矩作用下， 柱管壁环向 受拉， 内环的内缘受压， 此拉力与钢管 的环向受拉重合，增加了钢管壁的负 担， 因此从受力状态分析， 采用内加强 环较为不利， 但其优点是节省钢材。 从 施工来看 ， 采用内环需要在管内施焊 ， 虽 安徽建筑 2 0 1 2年第 1 期 ( 总 1 8 2期 ) 环梁 框架梁 l 图 1 0 钢筋 混凝土环梁连结 当管径大于 1 0 0 0 m m时 ， 可考虑采用此方案， 否则焊接将是十 分困难的。另外， 对于内置型钢的组合柱， 由于内环的存在， 也 会给混凝土的浇注带来困难。 3 1 2 外加强环牛腿连结方式 外加强环牛腿， 是在组合柱的柱管外侧设置环板及肋板 ， 形成环形牛腿， 上、 下加强环板的位置同钢梁的上、 下翼缘 ， 见 图 2和 图 3 。 节点在弯矩作用下， 外环的外缘受较大拉力， 而柱钢管环 向受压， 一般不会对组合柱产生不利影响。梁端剪力全部由牛 腿腹板传于钢管壁。 计算加强环时， 应将其视为独立的环带 ， 不 考虑邻域管壁的共同作用 ， 以免削弱钢管的套箍作用。 受拉加强环板的计算。 环板承受的拉力为： N = N J 2 + M h 式中： N为只考虑钢梁对环板产生的拉力； N 为钢梁的轴 心拉力； M为钢梁梁端的弯矩； h为粱截面高度。其中： M= M VD ， 3 式中： M 为解框架内力时， 柱轴线处的梁端弯矩值； v为对 应于 M 的梁端剪力； D为组合柱的钢管直径。见图 4 。 确定加强环板牛腿翼缘板宽度 B和厚度 t 。 牛腿翼缘板的宽度 B取与梁翼缘等宽； 其厚度 t 按下式确 定 ： t 1 N Bf l 式中： 为环板的抗拉强度设计值。 加强环牛腿翼缘和环板相接部位作成 r 1 0 m m的圆弧过 渡 ， 以减少应力集中。见图 5 。 3 - 2钢一混凝土组合柱与钢筋混凝土梁的连接 与钢梁不同的是，钢筋混凝土梁连结时应在构造上重点 考虑梁中的纵向钢筋如何在节点锚固和通过节点 ， 并能有效地 传递弯矩， 梁端剪力应依靠抗剪连接件传给柱管壁 ， 而不应考 虑梁混凝土与柱管壁的粘结作用。 因为此粘结力会在梁端弯矩 作用下开裂并脱离管壁而消失， 尤其是在高层建筑中， 在往复 水平力作用下， 粘结力会很快丧失。 3 2 1双梁连结方式 对于现浇钢筋混凝土框架， 当内力较大时， 为避免钢筋穿 过钢管 ， 可采取将梁一分为二变成平行双梁的连结方式 ， 使钢 筋从组合柱的侧面通过。在梁底部设置加强环及牛腿( 图6 ) 。 3 2 2 梁端局部加宽连结方式 钢管 钢 管 直 径) 抗剪环 当组合柱直径不是很大时，可将钢筋混凝土框架梁的梁 端一定范围加宽， 使梁纵筋绕柱通过。在梁底部设置加强环及 牛腿 图 7 ) 。 这种连结方式因梁上、 下皮钢筋通过根数有限， 比较适用 于梁内力较小的情况。 变宽度梁端绕筋的斜度应满足 a b 1 6 ， 并应在梁开始变 宽处增设附加箍筋将纵筋包住，防止纵筋受拉时将混凝土劈 裂。箍筋的数量应依据受拉纵筋的拉力由计算确定。 3 2 3钢管开孔穿筋连结方式 这种连结方式是在柱上钢筋混凝土梁的纵筋通过位置开 孔， 将纵筋穿过钢管及型钢腹板， 或将纵筋直接锚人核芯混凝 土内。在钢管开孔区段 ， 采用内衬管或外套管与柱钢管贴紧焊 牢予以补强( 见图8 ) 。衬( 套) 管管壁厚度不应小于钢管厚度， 穿 筋孔间距 s 不小于孔的长径 b ， 衬( 套) 管的端面与孔的净距 W 不小于孔长径 b的 2 5 倍。为便于开孔和补强， 可采取双筋并 股穿孔 的方式。 由于不考虑混凝土梁与钢管问的粘结力 ，还应设钢牛腿 来承受梁端剪力。 。 梁端剪力的传递和钢管开孔补强还可以采取在开孔下面 设加强环的方式， 在孔群两侧和中心分别设置短肋 ， 以传递孔 壁钢管中的轴向压力。 短肋在加强环上、 下成对布置， 下加强环 下的短肋如建筑有特殊要求， 也可以不设( 图 9 ) 。在上、 下加强 环间还可以加设 2 - 3道钢筋箍。试验结果表明， 采用这种开孔 补强方法， 破坏发生在接近试件两端的柱钢管部分， 节点部分 无破坏迹象， 说明这种做法是可靠的。 在梁端内力较大 、配筋较多时还可以采用和第二种方式 端加宽湘 结合的方法， 即将梁端部局部加宽， 部分钢筋绕柱 通过， 部分钢筋穿柱通过。 3 2 4钢筋混凝土环梁连结方式 在梁与组合柱的节点处， 设置钢筋混凝土环梁 ， 环梁与钢 筋混凝土框架梁整体现浇， 其连接构造见图 1 O 。梁端剪力的传 递借助焊接于柱钢管外壁上的抗剪钢筋环来实现， 梁端弯矩的 传递则由环绕柱子的钢筋混凝土环梁来实现， 环梁还具有将节 点上各梁的梁端剪分布扩散于抗剪环筋的功能。 这种连结方式 构造简单， 施工安装方便快捷， 质量也较易保证， 试验和工程实 践表明， 该种方式传力也是可靠的。 3 2 5 加强环牛腿连结方式 此连结方式与 3 1的第二种方式类似。上、 下加强环的外 ( 下转第 1 5 0页) 结 构 设 计 与 研 究 应 用 安 徽 建 筑 暮 2 0 1 2年第 1期( 总 1 8 2期 ) 安徽建筑 岩 土 工 程 与 基 础 处 理 安 徽 建 筑 圆 并不能起到很好的作用。 3 3桩距 S的影响 图 5表示的是在桩长为 L = 1 2 m，桩数为 n = 3 X 3条件下， 桩距 S分别为 2 d 、 3 d 、 4 d 、 5 d 、 6 d ( d为桩身直径) 时对群桩效应 的影响。从图5可知， 随着 S的增大 ， 群桩极限承载力逐渐增 大， 但幅度逐渐减小。 在 2 d时， 群桩极限承载力最小； 在 6 d 时， 群桩极限承载力比2 d 增大了大约 3 6 ； S 从 2 d增大到 3 d时， 群桩极限承载力的增值最为显著， 增幅大约达到 1 4 ； 当 S 从 4 d 增加到 6 d时， 群桩极限承载力的增幅明显减缓 ， 其增值为 约为 1 8 。 图6是群桩效应系数与桩距 s的关系图， 由图可知， 随着 s从 2 d 逐渐增大到 6 d时，系数 与桩距 s近似一种线性增 长， 但增长的幅度随着 s的增大而逐步减缓； 当s为 6 d时， 可 达到极限值， 其值近似于 1 ， 这是因为 s增加， 群桩的工作性状 逐步向单桩靠拢， 特别是大于6 d以后， 桩尖应力叠加已经非常 不明显， 群桩中单桩的承载力性能接近于单桩状态。 的增值在 s 从 2 d向3 d变化时最为明显； S 从 4 d向更大桩距变化时， 的 增值大幅度降低， 并且在 4 d时， 达到一个比较高的值。 4 结论 本文通过有限元软件建立三维模型模拟分析 了不 同桩 距、 桩数和桩长条件下对群桩效应的影响， 可得到下述结论。 在不同桩长时桩的竖向承载力也不同，并且随着桩长 的增大， 承载力也增大， 群桩效应系数却在降低， 且其幅度都越 来越小。差别不大的桩长对群桩的沉降影响不明显， 所以一味 的增加桩长来提高承载力是不可行的。 随着桩数的增加， 基桩的极限竖向承载力减小 ， 但减小 的幅度不大。在相同荷载条件下， 桩基的沉降量却随着桩数的 增加而增大， 这对结构是不利的。 在本次模拟中， 桩数对对群桩 的影响是较小的。 随着桩距的加大， 群桩极限承载力先增大后逐渐减小； 而与群桩效应系数近似呈线性增长关系 ，幅度也逐步减缓 ， 并 且可以说在 s = 4 d处是一个临界状态。 复合桩基的群桩效应是一个很复杂的问题 ，其影响因 素较多。 本文仅仅局限于有限元方法对其进行数值分析， 其结果 还有待于模型试验或现场试验的验证， 才能应用于工程实践。 参考文献 1 史佩栋实用桩基工程手册【 M E 京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 0 2 胡汉兵 竖向荷载下桩 一土 一承台共同作用特性研究【 D 】 武汉： 武汉大学， 1 9 9 9 3 J G J 9 4 9 4 , 建筑桩基技术规范【S 】 北京： 中国建筑工业出版社， 1 9 9 4 4 龚晓南 土工计算机分析【 M 北京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 0 5 章根德 土的本构模型及其工程应用 M I 北京：科学出版社， 1 9 9 5 6 C H O W Y K A n a l y s i s o f v e r ti c al l y l o a d e d p i l e g r o u p s 【 J 】 I n t J N u m e r An al Ma t h， Ge o me c h， 1 9 8 6， 1 0： 5 9 -7 2 7 刘利民，舒翔，雄巨华 桩基工程的理论进展与工程实践 M 北京： 中国建材工业出版社, 2 0 0 2 8 汤斌， 陈晓平_ 群桩效应有限元分析 J 岩土力学， 2 0 0 5 ( 2 ) 9 洪鑫， 杨敏 群桩相互作用的近似三维弹性分析方法的建立 J 岩 土工程学报 。 2 0 0 7 ( 1 2 ) 1 O 茜平一， 周洪波 水平荷载群桩三维有限元分析研究【 j J 岩土工 程技术 ， 1 9 9 9 ( 4 ) 1 1 刘金砺 粉土中钻孔群桩承台 一 桩 一土的相互作用特性和承载 力计算 】 岩土工程学报， 1 9 8 7 ( 6 ) 1 2 穆保岗桩基工程 M 】 南京： 东南大学出版社， 2 0 0 9 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 ( 上接 第 1 9 7页) 伸段宽度与梁宽相同， 梁纵筋与其焊接 ， 加强环厚度应按与梁 受拉钢筋等强度计算： t l tA , f J f l 式中， A s 、 f s 分别为受拉钢筋截面面积和钢筋抗拉强度的 设计值 。 4 结束语 用前景， 特别适用于高地震烈度区柱的设计。 参考文献 1 陈肇元， 朱金拴， 吴佩刚 高强混凝土及其应用 M 北京： 清华大学 出版社， 1 9 9 2 2 从试验研究 、 理论分析和试设计的结果， 可以看出钢骨 一 3 钢管混凝土组合柱集钢骨混凝土柱与钢管混凝土柱的优点于 4 一 身 ， 具有很高的承载力和很高的延性 ， 这种柱具有广泛的应 5 陈肇元 高强混凝土在建筑工程中的应用【 A 中国土木工程学会 高强混凝土委员会 高强混凝土结构设计与施工指南( H S C C 一 9 9 ) M 】 北京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 1 江见鲸混凝土结构工程学【 M 】 北京： 中国建筑工业出版社， 1 9 9 8 赵鸿铁钢与混凝土组合结构【 M 】 北京： 科技出版社，2 0 0 1 韩林海 钢管混凝土结构【 M】 一E 京： 科学 出版社， 2 0 0 0 虽