矩形钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁的连接节点设计方法

第!"卷 第#期 建 筑 结 构 $%%"年#月 矩形钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁的连接节点设计方法 吕西林 李学平 郭少春 （同济大学土木工程防灾国家重点实验室 上海$%%%&$） ［提要］ 介绍了《矩形钢管混凝土结构技术规程》（’(’)#"&：$%%*）中节点设计的部分内容，主要是关于矩形钢 管混凝土柱与钢筋混凝土梁连接节点的设计，包括规程推荐的几种梁柱连接型式、相应节点形式的设计方法 以及构造方面的若干规定。 ［关键词］ 矩形钢管混凝土 钢筋混凝土梁 连接 节点 !"#$%&’"()*+*,-*&&".($*&#/"(0""&-123-*456&+2-8"76# 95()*:：+,-./.0，+.-123.04，516)7869710（):8:2;2<+8=6>8:6>@.A8A:2>B2C19:.60.0’.D./(04.022>.04， E604F.G0.D2>A.:<，)780478.$%%%&$，’7.08） 98#(:7.(：H38>:6?:72C2A.40I2:76C6?960029:.60=2:J220’KBE96/1I0A80CB’=28IA.0!"#$%&#’()*"#&+&#’, -&.%+./)-/0#-0/"12&-$3.%#/"-",+&(("45"#-’%60(’/)-""(!07"8"97"/1.A3>2A20:2CLK6//6J.04960:20:A8>2.09/1CM 2C：:72>296II20C2C:<32A6?960029:.60A=2:J220’KBE96/1I0A80CB’=28IA，C2A.40I2:76C?6>:72960029M :.60A，80CA6I2960A:>19:.60>2N1.>2I20:A?6>:72960029:.60AL ;"<0*:+#：9609>2:2M?.//2C>29:8041/8>:1=1/8>96/1I0A；B’=28IA；960029:.60A 一、矩形钢管混凝土柱与混凝土梁的连接形式 对现浇钢筋混凝土梁和矩形钢管混凝土柱之间的 连接，研究和应用均较少。规程中推荐了环梁M钢承重 销式连接和穿筋式连接两种型式。 #O环梁M钢承重销式连接 节点由半穿心钢牛腿的一部分伸进钢管并焊在钢 管壁上构成；柱外设八角形钢筋混凝土环梁，梁纵筋锚 入钢筋混凝土环梁内传递梁端弯矩（图#）。弯矩通过 钢筋混凝土环梁传递给柱，剪力主要通过钢承重销来 传递给钢管和内填混凝土。工程中的承重销有穿心、 不穿心和半穿心三种形式。穿心承重销性能最好，但 施工难度较大。不穿心承重销施工简单但传递弯矩能 力较差，受荷转动时承重销与钢管壁间会出现较大的 集中应力，甚至会造成钢管壁撕裂。半穿心承重销的 性能虽比不上穿心式，但锚入钢管混凝土柱中一定长 度使之具有了一定的弯矩传递能力，减少了应力集中， 施工也不复杂［#］。规程中推荐了半穿心式钢牛腿。 采用半穿心钢承重销传递剪力时，承重销可以采 用工字钢或双槽形钢。承重销除了为剪力传递提供足 够的承压面积外，还应有一定的长度，且进入框架梁端 不宜小于$倍钢牛腿截面高度，使之能传递一部分梁 端弯矩，形成所谓的剪弯钢牛腿［#］；承重销里端锚入钢 管混凝土柱中一定长度，使之与柱之间具有一定的弯 矩传递能力。 现浇混凝土梁和矩形钢管混凝土柱的连接，在抗 图# 环梁M钢承重销式连接节点 图$ 穿筋式节点 震设计时，宜优先采用环梁M钢承重销式连接。 $O穿筋式连接 连接的构成为柱外设矩形钢筋混凝土环梁，在钢 管外壁焊水平肋钢筋（或水平肋板），通过环梁和肋钢 筋（或肋板）传递梁端剪力；框架梁纵筋通过预留孔穿 越钢管传递弯矩（图$）。剪力通过钢管柱外的矩形钢 筋混凝土环梁与肋钢筋间的相互作用传递至钢管。连 结面的抗剪试验［$］表明，在环梁有足够环向约束的情 况下，这种剪力传递方式是可靠的。梁端弯矩主要通 过穿越钢管的框架梁纵筋传递，但也应计入矩形环梁 %# 对柱边抗弯承载力的贡献。设计时，要求满足“强环 梁，弱框梁”的原则，使框架梁端先于柱边处抗弯屈服， 且保证矩形环梁受到有效的环向约束，从而保证连结 面的剪力传递能力。为降低施工难度，穿越钢管的钢 筋可采用并股双钢筋的形式。 也有研究和设计人员提出了一种外置式钢筋混凝 土环梁连接节点［!］（图!）。该连接型式的组成为：八 角形钢筋混凝土环梁，钢管四壁设抗冲切拉筋，两者组 成环梁钢筋笼，其连接面同穿筋式节点。框架梁端纵 筋弯折锚入环梁内，梁端弯矩通过八角形钢筋混凝土 环梁传递。剪力通过环梁混凝土与焊在钢管上的肋钢 筋间的相互作用来传递。这种连接型式通过环梁混凝 土作用于柱身的压力形成力偶来传递梁端弯矩，其优 点是施工较方便；其主要不足是正常使用状态下连接 节点的刚度偏小。该连接型式可用于"度及"度以下 地震区和不进行抗震设防的地区，在广州地区的钢管 混凝土高层建筑中已有成功的应用。 图! 矩形钢管混凝土柱外置式钢筋混凝土环梁的连接节点 二、节点抗震调整系数!#，!$的规定 对于钢筋混凝土梁与矩形钢管混凝土柱的连接节 点（图%，&），在柱边处按实际配筋计算得到的抗弯承 载力与该处设计弯矩之比值应不小于梁端处相应比值 的!#倍；柱边处的抗剪承载力应不小于梁两端出现塑 性铰时梁中剪力的!$倍。具体按表%取值。 节点抗震调整系数!!，!" 表# 抗震等级 一 二 三、四 !# %’!( %’& %’% !$ %’!) %’& %’% 注：框架抗震等级按《建筑抗震设计 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 》（*+)((%%—&((%）表 ,’%’&确定；高层建筑尚应符合《高层建筑混凝土结构技术规程》 （-*-!—&((&）的相关规定。 三、节点的抗剪、抗弯强度验算 %’环梁.承重销型式连接 （%）环梁抗弯 环梁抗弯（即柱边处）可按照等效梁来计算，等效 纵筋拉力可由环梁纵筋的拉力按力的矢量合成法得 到。试验［!］中利用测得的应变计算了框架梁与环梁纵 筋的拉力之比，表明用简单传力机制来计算环梁的抗 图/ 环梁抗弯时的传力机制与框架梁与环梁纵筋拉力比 弯承载力是可行的（图/）。 （&）环梁抗剪由钢承重销来承担，承重销的抗剪承 载力按现行《钢结构设计规范》（*+)((%"—&((&）设 计。此外，还应根据现行《混凝土结构设计规范》 （*+)((%(—&((&）验算混凝土的局部承压。 &’穿筋式连接 （%）柱边处的抗弯验算 计算柱边处的抗弯承载 力时，应计入矩形环梁的抗弯作用，并引入表%抗震调 整系数!#，要求强震下框架梁端先于柱边抗弯失效。 （&）环梁的抗剪强度 环梁的抗剪示意图如图) 所示，抗剪承载力按下式进行验算： !01"$02034"%#$$0$ （%） 式中：!01为矩形环梁的抗剪承载力设计值；$02，#2分 别为弯起钢筋（应置于环梁外侧）的面积与抗拉强度设 计值；"为弯起钢筋与水平面夹角；$0$，#$分别为柱 宽或!倍框架梁宽二者之小者范围内箍筋的面积与强 度设计值。 写成规程的表达式为： !$! ! % #!01 （&） 式中，! 为梁端剪力设计值；!$为剪力放大系数，抗震 设计时按表%确定，非抗震设计时取%’(；#为承载力 抗震调整系数。 （!）钢管与矩形钢筋混凝土环梁间的连接面承载 力的验算 包括肋钢筋的焊缝强度、混凝土的直剪承 载力、混凝土的局部承压三方面，其中肋钢筋的焊缝抗 剪强度可直接根据《钢结构设计规范》（*+)((%"— &((&）计算。 验算连接面混凝土直剪承载力时，混凝土直剪强 度设计值可取为%’)#5，环梁与柱连接面的直剪承载力 设计值按下式计算： !60"%’)#5$7，0 （!） 式中$7，0为连接面混凝土的直剪面积，#5为混凝土抗 %% 拉强度设计值。将上式写成规程的表达式为： !!!"! # "!"$ （%） 式中!"为环梁与柱连接面处的剪力设计值；!!为剪 力增大系数，抗震设计时按表#确定，非抗震设计时取 #&’。 将式（(）的计算值与文［)］的试验值进行了比较， 见图*（+）；此外，国外 ,+--./0的短梁直剪试验值为 （#&1!)&2）"-。表明规程取值偏于安全。 图2 穿筋式节点抗剪示意图 验算连接面肋钢筋上混凝土的抗压承载力时，局 部承压混凝土的垂直抗压强度取为#&2"/，承压面积为 肋钢筋长度与直径的乘积，则环梁与柱连接面处肋钢 筋上混凝土局部承压力设计值为： !"3##&2"/$% （2） 式中$，%为肋钢筋（肋钢板）长度和直径（挑出宽度）。 将上式写成验算公式为： !!!"! # "!"3 （*） 式（2）的计算值与文［)］试验值进行对比，见图*（3）。 表明规程的取值偏于安全。 图* 规程取值与文［)］试验值的比较 四、节点的构造规定 当采用环梁4钢承重销式（图#）连接时，垂直于梁 轴的柱截面宽度（&）不宜小于框架梁宽度的#&5倍， 这是为了保证环梁的弯矩传递能力。钢牛腿的里端进 入钢管内的长度不应小于’／%（’ 为平行于梁轴线的 柱边长），外端宜进入框架梁端。钢牛腿应尽可能高但 不能影响环梁和框架梁混凝土的浇筑。 当现浇钢筋混凝土梁与钢管混凝土柱连接时，梁 钢筋的锚固和箍筋加密区应满足《混凝土结构设计规 范》（672’’#’—)’’#）的规定。 当钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁采用穿筋式节点 时，穿筋孔径取#&)%，%为梁纵筋直径，最大不能超过 )%；不得在现场用气割扩孔，避免造成刻槽，产生严重 的应力集中；柱钢管壁开孔后，应在钢管内壁采取相应 的补强措施；贯穿钢管的钢筋水平净距不应小于#&2 倍柱中混凝土骨料的最大粒径及%’88。 当采用钢管壁上焊接肋钢筋（或钢板）来传递连接 面剪力时，肋钢筋的直径（或肋钢板的挑出宽度）由式 （2）确定，且应与环梁混凝土粗骨料的最大粒径相当， 一般可取为)’!(’88，且最少应设置中部、下部两道 肋钢筋。抗震设计时应至少设上、中、下三道肋钢筋。 环梁受到有效的周边方向约束是连接面剪力能有 效传递的必要条件。肋钢筋上局部承压混凝土受到三 轴约束，其垂直承压强度获得较大的提高。当连接面 剪力较大，肋钢筋处混凝土的局部承压不能满足抗剪 要求时，可将底肋钢筋改成角钢，但角钢的挑出长度不 宜太大（不大于2’88），这是为了保证其对钢管壁近 乎纯剪作用。当按式（%）计算的直剪承载力不能满足 要求时，则应增加环梁的截面高度。 参 考 文 献 #& 容柏生，陈宗弼，陈 星等9高层建筑钢管混凝土柱节点设计及 构造研究9建筑结构，#:::，（#’）9 )& 李学平，吕西林9方钢管混凝土柱外置式环梁节点的联结面抗剪 研究9同济大学学报，)’’)，(’（#）9 (& 吕西林，李学平9方钢管混凝土柱外置式环梁节点的试验及设计 方法研究9建筑结构学报，)’’(，)%（#）9 （上接第:页） )&;+$+0<;+-.$=<，>?@+.0+,+$+@A，,.@<-+B."<，?-+C9;-@A/-A@+C3?4 =+!<.@.D/.E/@?-?4D?@+.0+,+$+@A，,.@<-+B."<9;-@A/-A@+CF?$A3AC+@;-@A/-A@?$%-=KE-?@E+-<.E+C;O8I.4 $?@+.0+,+$+@A，,.@<-+B."<9PQI?@<8?E-+C$-AFO.E$-@A/-A@?3?4 =+!<.@.D/.E/@?-?4D