钢管混凝土结构的节点设计

1. 工程概况

工程修建于江苏省**市**湾，抗震设防烈度 6 度，Ⅱ 类建筑场地。地面 4 层，钢筋混凝土框架结构，由于跨度大、层高高、荷载重，且结构中间开大洞，建筑对柱断面要求较高，导致很多混凝土梁柱钢筋配不下，决定部分框架柱采用钢管混凝土柱，部分梁采用型钢混凝土梁、钢梁，部分板采用组合楼盖。

2. 钢管混凝土结构节点设计

钢管混凝土具有承载力高、滞回曲线饱满的优点，在工程中的应用越来越普遍。虽然相关资料很多，但对节点计算论述相对较少。本文结合该工程，对钢管混凝土节点设计进行说明。钢管混凝土和混凝土梁刚性连接主要有穿筋式连接、混凝土环梁连接、上下钢环板连接三种形式。穿筋式仅适用于梁纵筋较少的情况，梁纵筋较多时会对钢管壁削弱较大，且管内混凝土浇筑困难，因此本工程仅选用后两种方式。

2.1 混凝土环梁连接的设计

工程地基梁与混凝土梁的连接采用环梁连接，环梁兼作人工挖孔桩承台。与环梁相连的地基配筋为 4Φ32（HRB400），产生拉力$N=1158\mathrm{kN}$。 在该拉力作用下，环梁可能出现两种破坏形态。第一种破坏类似梁上部钢筋组的锚固破坏，第二种则表现为环梁纵筋销钉作用控制的破坏。两种情况下均要求满足$N\le N_1+N_2$。

第一种破坏形态的计算公式为：

$N=\beta \times f_t\times B_L\times B_m\times 2$

$N_2=2\times A_{sv}\times f_{yv}÷\sqrt{3}$

第二种破坏形态的计算公式为：

$N_1=0.7\times f_t\times (B_L\times B_{HL}+2\times B_{HL}\times h_{AL})$

当环梁四周均有梁与之相连，且梁上部钢筋均为 AsL 时，环梁纵筋将产生拉力$\frac{A_{sL}{f}_y}{2A_s}$，根据形状改变能量强度理论，可得：

${\sigma }_{eq}=\sqrt{{\sigma }^2+3{\tau }^2}\le f_y$

推出此时钢筋还能承受剪力：

${\tau }_T=f_y\times \sqrt{1-(\frac{A_{sL}}{2A_s}{)}^2}÷\sqrt{3}$

$N_2=2\times A_s\times {\tau }_T$

其中$\beta$为混凝土直剪破坏系数，取 1.87；$B_L$为与环梁连接的梁宽；$B_{HL}$为环梁的梁宽；$h_{AL}$为环梁上部由附加箍筋组成的暗梁梁高。

在工程中，对第一种破坏形态：

$N_1=1.87\times 1.43\times 350\times 600\times 2=1123\mathrm{kN}$

$N_2=2\times 154\times \frac{350}{100}\times 360÷\sqrt{3}=224\mathrm{kN}$

$N_1+N_2=1123+224=1347\ge N=1158\mathrm{kN}$

对第二种破坏形态：

$N_1=0.7\times 1.43\times (350\times 600+2\times 600\times 200)=450\mathrm{kN}$

${\tau }_T=360\times \sqrt{1-(\frac{3217}{2\times 5541}{)}^2}÷\sqrt{3}=199\mathrm{MPa}$

$N_2=2\times 9\times 616\times 199=2194\mathrm{kN}$

$N_1+N_2=450+2194=2644\ge N=1158\mathrm{kN}$

由上述分析看出，工程中与混凝土环梁相交的梁上部纵筋不大于 4Φ32（HRB400）时，环梁是安全的。

2.2 上下钢环板连接

注：$H$为与柱相交的最大梁高；$C_u$、$C_d$、$C$分别为保护层厚度；$d_u$为梁上部纵筋直径；$t_u$、$t_m$、$t_d$为上下及中间环板厚度；$h_1$为上下环板净距；$\Delta h$为梁高差；$B$为梁宽；$b$为钢牛腿宽度；$b_e$为钢牛腿有效受力宽度；$C_B$为环板宽度。

对圆形环板：$C_B\ge 0.87b_e$；对方形环板：$C_B\ge 0.7b_e$。

工程楼面梁与圆形钢管混凝土柱连接采用上下圆形钢环板连接。梁边线与环板的交线为环板最不利破坏面。为计算方便，近似认为该边线长为环板宽度。设$b_e$为钢牛腿有效受力宽度，环板宽度为$C_B$，当四面均有梁与环板连接时，则环板承受环向拉力$\frac{b_{e}f}{2C_B}$，此时环板还能承受剪力：

${\tau }_T=f\times \sqrt{1-(\frac{b_e}{2C_B}{)}^2}÷\sqrt{3}$

$C_B$应满足下列关系，并可推出控制关系：

$2\times C_B\times t\times {\tau }_T\ge f\times t\times b_e$

推出

$C_B\ge b_e$

工程楼面梁与矩形钢管混凝土柱连接采用上下矩形钢环板连接，矩形环板的 45° 线为最不利破坏面。破坏时，该面上的一对拉力 F 应与梁钢筋拉力 N 平衡，则应满足：

$\frac{2\times C_B\times t\times f}{\sqrt{2}}\ge f\times t\times b_e$

推出$C_B\ge 0.7b_e$。 在该工程中，楼面梁最大配筋达到 4600mm²，实配钢筋 4Φ32/2Φ32（HRB400），第一排钢筋 4Φ32 通过环板连接，第二排钢筋不多于两根时在钢管壁上钻孔贯通。取环板厚度 24mm，$b_e=3217\times 360/295/24=163$，对圆形钢环板取$C_B=170\mathrm{mm}$；对方形钢环板取$C_B=120\mathrm{mm}$。

3. 两种连接方式的比较

混凝土环梁连接和钢环板连接均是比较常见的连接。由上文可知，混凝土环梁施工方便，但承受的拉力（传递的弯矩）较小，且环梁体积较大，当不吊顶时对建筑影响较大。钢环板连接能承受较大的弯矩，但现场焊接工作量较大，施工复杂，用钢量也比混凝土环梁大。

因此应根据工程的具体情况酌情采用。在该工程中，基础部分采用环梁，楼层部分采用环板。文末也指出，在《钢管混凝土结构构造》（06SG524）中关于环梁上下主筋面积不得小于框梁上下纵筋面积 0.7 倍的统一规定，并不完全妥当，设计人员仍需根据材料力学对节点受力进行准确分析。

参考文献

1. JGJ3-2002 高层建筑混凝土结构技术规程 [S].
2. GB50011-2001 建筑抗震设计规范 [S].
3. CECS 28:90 钢管混凝土结构设计与施工规程 [S].
4. CECS 159:2004 矩形钢管混凝土结构技术规程 [S].