方钢管混凝土柱新型节点和异形柱.pdf

陈志华， 等:方钢管混凝土柱新型节点和异形柱在住宅钢结构中的应用 方钢管混凝土柱新型节点和异形柱 在住宅钢结构中的应用 陈志华闰翔宇王亨 ( 天津大学 建筑工程学院天津3 0 0 0 7 2 ) 摘要介绍了住宅钢结构的发展概况， 提出了两种方钢管混凝土柱与H型钢梁连接的新型刚接节点外肋环 板节点和隔板贯通节点， 分析了方钢管混凝土异形柱的特点。结合一栋6层钢结构住宅工程， 阐述了这两种新型 节点的构成和优点， 并设计了分别应用于角柱、 边柱和中柱节点的不同节点形式。设计了应用于异形柱结构中的 L形、 T形和十字形柱的外肋环板节点和隔板贯通式节点， 提出了一体化的外肋环板节点和隔板贯通式节点， 并分 析了其在结构中不同部位的应用， 为在工程中进一步推广应用这两种新型节点和异形柱结构体系莫定了基础。 关键词钢结构住宅异形柱外肋环板节点隔板贯通式节点 AP P L I C A T I ON OF NE W KI N DS OF J OI N T AN D S P E C I AL - S HAP E C OLUMN OF CF S T I N RE S I DENT S TE E L S T RUCTURE C h e n Z h ih u a Y a n X ia n g y u wa n g H e n g ( S c h o o l o f B u i l d i n g E n g i n e e r i n g , T i a n j i n U n i v e r s i t y T i a n j i n 3 0 0 0 7 2 ) A B S T R A C T T h e d e v e l o p m e n t o f r e s i d e n t i a l s t e e l s t r u c t u r e i s i n t r o d u c e d . T w o n e w k i n d s o f j o i n t s f o r c o n c r e t e - f i l l e d 庄.JU 兀dn 卜江ea 引妇2 s q u a r e s t e e l t u b u l a r ( C F S T ) c o lu m n t o H - t y p e s t e e l b e a m c o n n e c t i o n a r e p u t f o r w a r d , w h i c h a r e v e r t i c a l s t i f f e n e r d i a p h r a g m - t h r o u g h s t y l e j o i n t . T h e c h a r a c t e r i s t i c o f s p e c i a l - s h a p e c o l u m n b y C F S T i s a n a l y z e d . C o n s i d e r e d w i t h j o i n t a n d d w e l l i n g h o u s e e n g i n e e r i n g w i t h s t e e l s t r u c t u r e , t h e c o n s t r u c t i o n a n d a d v a n t a g e o f t w o n e w k i n d s o f j o i n t s a r e s um m art A n d d i f f e r e n t j o i n t f o r m a r e d e s i g n e d f o r a n g l e c o l u m n , s id e c o l u m n a n d m i d c o l u mn j o i n t . V e r t i c a l s t i f f e n e r j o i n t d i a p h r a g m - t h r o u g h s t y l e j o i n t f o r L - c o lu m n , T - c o lu m n a n d+- c o lu m n i n s p e c ia l - s h a p e c o l u m n s t r u c t u r e a r e d e s ig n e d . I n t e g r a t e d v e r t i c a l s t i f f e n e r j o i n t a n d d i a p h r a g m - t h r o u g h s t y l e j o i n t a r e b r o u g h t f o r w a r d . A n d a n a l y s i s i s c a r r i e d o u t f o r i t s a p p l i c a t i o n i n d i f f e r e n t p l a c e i n t h e s t r u c t u r e . T h u s f o u n d a t io n is e s t a b l i s h e d f o r t h e d e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t io n o f t h e t w o n e w - t y p e j o i n t s a n d s p e c i a l - s h a p e d C F S T c o l u m n s t r u c t u r e s y s t e m i n e n g i n e e r i n g p r a c t i c e . K E Y WO R D S s t e e l r e s i d e n c e s p e c i a l - s h a p e c o l u mn v e rt i c a l s t i f f e n e r j o i n t d i a p h r a g m t h r o u g h - j o i n t 1 概述 随着社会的发展和人们生活水平的提高， 全国 住宅产业投资保持快速增长。目前在国民经济中， 住宅产业已经成为第三大支柱产业， 仅次于服务业 和商业。住宅产业发展的根本问题是树立和体现 “ 以人为本” 的设计理念。住户是住宅的最终消费 者、 使用者和评价者， 这就要求住宅体系的研究和设 计等工作， 既要着眼于今后的市场， 又要重视住户对 住宅需求中各方面的要求。 在人们对住宅的要求中， 房间的使用面积和居 室的美观性成为最主要的要求并越来越受到重视。 与圆钢管混凝土相比， 方钢管混凝土柱受力截面合 理， 受力性能( 如延性、 强度、 刚度) 好， 耐火性好， 塑 性和耗能能力良好， 抗震性能好， 结构外形规则， 建 筑适用性较好， 方钢管棍凝土柱节点构造简单、 施工 方便、 经济效果好， 将其应用于住宅建筑符合人们传 统的审美习惯， 且易于建筑后期装修。因此， 方钢管 混凝土柱与 H型钢梁形成的框架结构成为应用十 分广泛的一种结构形式。 方钢管混凝土柱H型钢梁框架节点形式很多， 性能各异。根据节点刚度性能的不同， 可分为铰接 节点、 刚接节点和半刚接节点， 常用的刚接节点有内 隔板节点和外隔板节点。为了寻求构造简单、 整体 性好、 传力明确、 安全可靠、 节约材料、 施工方便的节 点形式， 提出了两种方钢管混凝土柱与H钢梁连接 的新型刚接节点: 外肋环板节点和隔板贯通式节点。 本文结合一栋6 层钢结构住宅分析这两种新型节点 在实际工程中的应用。 然而， 规则截面( 如矩形， 方形等) 柱在使用中， 柱体突出墙面， 不仅占用一定的室内空间， 而且不利 于家具物品的摆放。把突出于房间内的方形或矩形 第一作者: 陈志华男1 9 6 6 年 1 0 月出生教授博导 E m a i l : z h c h c n t j u . e d u . c n 收稿 日期 : 2 0 0 6 -1 0 - 0 8 S t e e l C o n s t r u c t i o n . 2 0 0 7 ( 1 ) ， V o l . 2 2 , N o . 9 1 工程设计一 的部分柱断面去掉( 如角柱采用 L形截面， 边柱采 用T形截面， 中柱采用十字形截面等) ， 就形成了采 用方钢管混凝土异形柱的钢结构住宅体系。 2 两种新型节点在住宅钢结构中的应用 某6 层民用住宅， 建筑总长3 2 m， 总宽 1 2 . 6 m, 总高 1 9 . 8 m， 每层建筑面积 4 0 3 . 2 衬 ， 总建筑面积 2 4 1 9 . 2 澎 ， 属中档住宅， 适用于普通工薪阶层。其 结构空间模型如图 1 ， 结构平面布置见图2 ， 二、 四、 五层同首层结构布置， 六层同三层结构布置。 2 . 1 外肋环板节点 外肋环板节点是在外隔板节点的基础上， 将其 另外两侧的加强环板改为平贴于柱侧的竖向肋板并 加以适当构造形成， 如图3 a 所示。当柱另外两侧有 梁连接时， 若为铰接， 可在柱上焊接连接板与梁腹板 用高强螺栓连接传递梁端剪力( 图3 b ) ; 若为刚接， 既可直接将梁翼缘焊在竖向肋板上( 图3 0， 也可将 竖向肋板换成T型钢， 采用图3 d 所示的处理方法。 这种新型节点构造简单， 加工安装方便， 传力明 确可靠， 不仅克服了外环板节点墙板安装问题， 而且 避免了室内角部有凸角现象。 其次， 在低层和多层 图 1 结构空间模Iv i 1 ) ( 2 夕 2 签 犯乞益乞渗渔里彗 佗! ; r _ h 3 _ 址 K 。1; _; 曰 .3 )、3 。 ， 1 .3 i :3 3 i 一 一, z一、 一犯佗日2 !: ， 气 3 以) 3片u j 33 c 诵 1 . 3 t 俐 ) . 弓 I X O 1 WA ) 3. 弓 ( A ) a 一 首层; b 一三层 图 2 结构平面布置 T 型钢 切1RT 型钢 图3 典型的外肋环板节点形式 -/.1-，-2 了山入户、2 1- 1a 西例 住宅建筑中由于采用的方钢管柱边长通常较小， 无 法采用内隔板节点， 使得外肋环板节点在加工制作 时不受钢管直径的限制。 本工程中梁柱采用两种新型节点: 一种是隔板 贯通式节点; 另一种是外肋环板节点。由于外肋环 板式节点在施工过程中柱子是上下贯通的， 大部分 加工工作是在现场施焊， 而且由于竖向肋板的存在， 节点占用的空间相对较小， 符合现代生活对住宅的 要求， 因此优先采用。本工程中采用的外肋环板节 点如图4 所示。图4 a 一图4 c 所示节点分别适用于 图2 a 中的角柱节点、 边柱节点和中柱节点。 图4中的 3 种节点同样适用于二层、 四层和五层的 节点。 切肢T 型钢 3 - 3b 钢结构2 0 0 7年第 1 期第2 2卷总第9 1 期 陈志华， 等: 方钢管混凝土柱新型节点和异形柱在住宅钢结构中的应用 切肢T型钢 ; 1 ; 几俩 心 切肢T 型钢 图4 住宅钢结构中的外肋环板节点 2 . 2 隔板贯通式节点 隔板贯通式节点( 图5 ) 是日本广泛采用的梁贯 通式节点的改进形式， 具有以下优点: 1 ) 便于加工， 节点区段可在工厂加工， 弥补了内隔板式节点施工 上的不便; 2 ) 传力机制明确， 形式简洁。该种节点在 理论上是一种性能优良的节点， 但目前在国内应用 到工程实际中的先例很少， 本课题组对其进行了试 验研究， 为其进一步推广提供具有参考价值的数据。 图5 典型的隔板贯通式节点 工程中由于运输等原因， 柱子不能过长， 通常长 度不宜超过1 2 m。对于钢结构住宅来说， 通常是将 每3 层的柱子作为一个加工段。在本工程中， 利用 这个柱子断面采用隔板贯通式梁柱节点， 不仅弥补 了柱子施工的缺陷， 而且避免了采用梁贯通式节点 需将柱子截断的不足， 如图6 所示。图6 a 一图6 c 所 示节点分别适用于本工程图2 b中的角柱节点、 边 柱节点和中柱节点。图6中的3 种节点同样适 用于六层的节点。 图6 钢结构住宅中的隔板贯通式节点 3 方钢管混凝土异形柱在住宅钢结构中的应用 由于钢管混凝土结构特殊的力学性能， 决定了 它适合用作轴心受压以及小偏心受压构件， 当大偏 心受压时采用单根构件不够经济合理， 宜采用格构 式构件。而在住宅中使用格构式钢管混凝土构件， 其优势就更加明显， 不仅能更大限度地发挥材料的 力学性能， 而且将柱子的凸角去掉也符合现代住宅 的发展趋势。因此， 在本次设计模型中， 亦考虑了采 用格构式的方钢管混凝土异形柱结构体系。 方钢管混凝土异形柱是由单根方钢管混凝土柱 通过缀件连接组合而成， 如图7 所示， 即通过在方钢 管组合异形柱肢中浇筑混凝土形成。在方钢管混凝 a 一L 形截面; b 一 L 形截面立面; 。 一 T形截面; d 一 十字形截面; e - T形和 t 一 字形截IM立面 1 一缀条 图 7 矩形钢管混凝土组合异形柱 土中， 钢管和混凝土协同工作， 不仅增强了钢管的稳 定性， 而且充分利用混凝土的承压能力， 产生了“ 1 + 1 2 ” 的效果。因此， 方钢管混凝土具有承载力高， 抗扭和抗剪能力强的特点。 采用方钢管混凝土作为组合异形柱的柱肢， 是 希望通过提高柱肢的强度和稳定性， 来提高组合异 形柱的强度和稳定性。此外， 方钢管混凝土组合异 形柱还有以下优点: 1 ) 方钢管与相连接的各构件之 间可以保证相贯线在同一平面内， 从而解决了柱与 墙板的连接构造问题， 而且便于制作安装， 节点构造 简单， 有利于缩短施工周期， 降低成本; 2 ) 方钢管结 构外形规则， 建筑适用性较好， 防火处理也较容易。 图8 a 一图8 c 及图9 a 一图9 c 所示节点分别适用于 图2 a 中的、 、 节点; 图1 0 a 一图1 0 。 及图l l a 一图 l l c 所示节点分别适用于图2 b 的、 、 节点。 与方钢管混凝土体系相比， 采用异形柱结构体 系设计的节点构造相对较为复杂。图8和图1 0 所 示节点形式加工相对而言比较容易， 但是节点区的 整体性不如图9 和图1 1 所示的一体化节点， 而一体 化节点的施工难度较大。在工程实践中， 可根据实 际情况灵活选用。 ( 下转第3 6 页) 麒徽麒一。 腻臀岗卿。 醚 S t e e l C o n s t r u c t i o n . 2 0 0 7 ( 1 ) ， V o l . 2 2 , N o . 9 1 工程设计 刃 ，下厂 刃 厂 丫厂门 厂勺 厂，厂 一 厂 一 门r 门 r - 门 门 门 厂 门 厂 下 厂 一 门 门 -I一飞 一1 一 门 门 下 刁 一 洲门 f 勺 - 可 一可 一 门门 一 一川 门 千一 牛 一 州门门 l门门 I 工 I 4-r 可 -I 门 一飞 门口 灭丁 -I- -r 可 门 门 门门 ， 下可 可-r -r 门 一 可 门门 二 工工 三 王 i i_1 irl l 一r二 二 二 二. ， 呀 分 一月，-二 兰 1 2 1 4 1 h l 优化A代次数 81 1 0 1 一一 一巨二 尸勺 一一之 翻z一 一 叮 ， 厂 一 应 二 - 门 厂下一一 一叮下 lI一 功 . 一II一Il曰-曰口 二 月 卜- 一州一叫卜一“ ，卜竺 竺 竺 州卜 . .if -一I I 昌、恻恤澎塑抓蔽一心粼溅 52B5205I2504惭488 飞日乙侧奋彭图龙口 图 5 体积 V的变化曲线 2 1 41 hl 优化迭代次数 8I 1 01 表 1 工字型截面梁试算结果与优化结果对比 变ra w I / m m 4 2 0 4 7 7 . 7 5 4 8 4 8 0 W 2 / m m t 1 / m mV 八 n m 3 试算结果 优化结果 实际取值 节约钢材/ % 1 5 0 0 2 4 1 5 1 1 . 6 3 6 8 1 9 . 9 8 6 1 5 0 02 0 t 2 / M M 1 0 8 . 9 4 95 8 5 . 8 5 4 x 1 0 8 5 . 4 7 3 x 1 0 8 5 . 2 6 x 1 0 8 6 . 5 ( 1 0 ) 注: 1 ) 表中 括号内 数字为 根据工程实际的 取值结果所节约的钢材量。 2 ) 工程实际取值是考虑梁标志尺寸 要符合模数的要求， 即腹板高度为 S O m m的 倍数， 翼缘宽度为 I O m m的倍数， 腹板厚度和翼缘厚度为 ， 2 m m的 倍数。 3 ) 实际I 程取值经 过骑算都满足状态变量的 v求。 4 ) 试算结果是根据现行钢结构设 训规范给定的 设计 方法计 算血 得到的。 效益将会明显提高。 2 ) 从设计变量的变化曲线可以看出， 翼缘宽度 w 1 , 翼缘厚度 t l 、 腹板厚度t : 的变化比 较明显， 它 图6 w w : 的变化曲线 们对计算结果的经济性很敏感。因而这几个变量在 结构设计时要认真把握。同时可以看出， w t 有变 大的趋势， 这一变化使得截面有向宽翼缘变化的趋 势， 这也说明宽翼缘工字型截面梁具有良好的截面 性能， 在设计时应优先选用。 参考文献 1 G B 5 0 0 1 7 一 2 0 0 3 钢结构设计规范 2 魏明钟. 钢结构( 第二版)武汉: 武汉理工大学出版社， 2 0 0 3 3 邵蕴秋. A N S Y S 8 . 0有限兀实例导航. 北京: 中国铁道出版社， 2 0 0 4 4 段树鑫. 焊接工字v 9. 钢梁截面设计的直接算法. 建筑结构， 1 9 9 9 , 2 9 ( 1 1 ) : 5 1 一5 5 5 彭兴黔. 焊接工字型钢梁截面的优化设计. 钢结构, 2 0 0 1 , 1 6 ( 1 ) : 3 8一4 1 ( 上接第 1 9页) b 异形柱体系中的外肋环板节点 图 1 0 异形柱体系中的隔板贯通式节点 斌 图1 1 一体化隔板贯通式节点 4 结语 在住宅结构中， 钢结构体系具有混凝土结构所 无法比拟的抗震性能好、 施工快捷、 造价合理的优 点; 相对砖混结构， 虽然它的造价略高， 但其空间布 置灵活、 开间大， 具有更强的商业竞争能力。在我国 目 前大力推广住宅产业化的时代背景下， 钢结构体 系势将成为住宅结构体系的主流。 对钢框架、 钢管混凝土框架的研究表明， 较经济 的结构形式为钢管混凝土框架结构， 由于它能够承 受较大的地震力， 结构的抗震性能较好， 建议在住宅 设计中优先采用这种结构形式。 通过对某6 层住宅钢结构的设计研究， 尝试了 方钢管混凝土柱 H型钢梁的两种新型节点外肋环 板式节点和隔板贯通式节点， 方钢管混凝土异形柱 结构体系及对应的两种新型节点， 探讨了这些新结 构形式对住宅结构的适用性， 并在结构体系中布置 设计了节点模型为下一步的工程应用奠定了基础。 参考文献 1 沈祖炎， 陈之毅 矩形钢管混凝土结构设计施工中的若干问题/ 第三届海峡两岸及香港钢及金属结构技术研讨会. 香港: 香港理 工大学, 2 0 0 3 2 黎志军， 蔡健， 谭哲东， 等. 带约束拉杆异形钢筋混凝上柱力学性 能的试验研究 1 程力学， 2 0 0 1 ( 增刊) : 1 2 4 一1 2 9 3 陈志华. 俐结构和组合结构异形柱. 钢结构， 2 0 0 6 , 2 1 ( 2 ) : 2 7 一 2 9 4 陈志华， 陈敖宜 天津市钢结构住宅设计规程 ( D B 2 9 一5 7 一 2 0 0 3 ) 简介. 钢结构， 2 0 0 4 , 1 9 ( 2 ) : 5 4一 5 8 5 陈志华， 李黎明， 李树海， 等 知形钢筋混凝土柱的超声波检测及 计算公式研究. 建筑结构， 2 0 0 5 , 3 5 ( 9 ) : 3 4 一 3 8 6 苗纪奎， 陈志华 方钢管混凝土柱一 钢梁节点形式探讨. 山东建筑 工程学院学报， 2 0 0 5 , 2 0 ( 3 ) : 6 4 一 6 8 3 6 钢结构2 0 0 7 年第 1 期第2 2卷总第9 1 期