鋼梁與鋼管混凝土束剪力墻端板式剛接節點

胡立黎，尹衛澤

(杭蕭鋼構股份有限公司，杭州 310003)

鋼-混凝土組合剪力墻主要有三種構造形式，包括內嵌鋼板-混凝土組合剪力墻、單側鋼板混凝土組合剪力墻以及雙鋼板-混凝土組合剪力墻[1]。對于外側雙鋼板，內填混凝土的多腔組合構件，最先集中于多腔鋼管混凝土柱的研究[2]。隨著裝配式鋼結構住宅的迅速發展，適宜于住宅建筑的外側雙鋼板，內填混凝土的多腔組合剪力墻成為了研究熱點。外側雙鋼板的拉結方式有多種形式，可以采用栓釘連接、加勁鋼板連接、格構式連接等[3―6]。

鋼管混凝土束剪力墻構件是一種特殊的雙鋼板-混凝土組合剪力墻，其由鋼管束和內填的混凝土組成。鋼管束是由若干U 型鋼或U 型鋼與矩形鋼管、鋼板拼裝組成的具有多個豎向空腔的結構單元，形式有一字型、L 型、T 型、工字型、十字型等。如圖1 所示。相關學者對此種構件的抗震性能進行了試驗研究[7―8]。

圖1 鋼管束 Fig.1 CF-MCST

在結構體系中，鋼梁需要與鋼管混凝土束剪力墻進行剛接，以保證結構的整體剛度。以前的鋼結構節點研究主要關注于鋼梁與混凝土剪力墻的連接[9]，或者鋼梁與矩形鋼管混凝土柱的柱貫通內隔板型節點或柱斷隔板貫通型節點研究[10]。但這些節點形式均不能直接用于鋼梁與鋼管混凝土束剪力墻的連接。

本文提供一種適宜于鋼管混凝土束剪力墻的墻梁節點—端板式剛接節點。端板式剛接節點主要由工字形鋼梁、鋼管混凝土束剪力墻、端板、翼緣連接板、腹板連接板組成。在工廠，先將端板、翼緣連接板、腹板連接板焊接在鋼管混凝土束剪力墻。工地安裝時，鋼梁腹板與腹板連接板通過高強螺栓連接，鋼梁翼緣與端板通過現場焊接連接。圖2 為墻梁端板式剛接節點構造。

圖2 墻梁端板式剛接節點 Fig.2 Steel beam-to-CF-MCST rigid end-plate joint

1 端板厚度確定

1.1 端板在鋼梁拉力作用下的計算簡圖

設在外荷載作用下，鋼梁達到了全截面塑性。鋼梁翼緣和腹板分別受拉和受壓，相應的端板也可分為受拉區和受壓區。上翼緣傳來的線拉力為qf=tfbfyb(tfb為翼緣厚度，fyb為鋼梁的鋼材屈服強度)；腹板部分傳來的線拉力為qw=twbfyb(twb為鋼梁腹板厚度)；拉力影響區域的高度為h=h1+h2(h1為鋼梁高度范圍外的受拉區高度，h2為鋼梁高度范圍內的受拉區高度)。拉力影響區域的寬度為b(b為鋼梁翼緣 寬度)。

采用四面圍焊方式，將端板與鋼管混凝土束剪力墻和翼緣連接板焊接在一起。因此，可將此受拉部分端板鋼板簡化為四邊固定的板件。固定邊將因為受彎而形成塑性鉸線，即為線1、線2、線5 和線6。假設板內的塑性絞線沿著線3 和線4。塑性機構計算簡圖如圖3 所示。

圖3 計算簡圖 Fig.3 Calculation sketch

1.2 端板厚度的確定

假設頂點處虛位移為Δ，則外力功Ww為：

塑性鉸線上的內力功Wn為：

式中：mp1、mp為塑性絞線上的單位長度彎矩；θi分別為第i個塑性絞線上的相對轉角。

令Wn=Ww，則可得：

將式(4)中 4mp1(h1+h2)/b省略，整理可得：

將mp=/4，代入式(5)可得：

式中，pt、ypf為端板的厚度和屈服強度。

令τ=tfb/twb，ξ=h2/b= 0.5hw/b，并代入式(6)可得：

式中，Afb為鋼梁翼緣截面面積。

1.3 滿足“強節點弱構件”要求

按照中國規范《建筑抗震設計規范》[10]的要求，為滿足“強節點弱構件”要求，需要引入抗震設計的連接系數jη，并采用端板鋼材極限強度，將其代入式(8)可得：

式中：ut為抗震設計時，需要的端部厚度；p,uf為端板的極限強度。

考慮到端板如果達到p,uf，端板板件形成塑性鉸線的彎曲變形可能很大，四面圍焊的焊縫可能發生破壞，以及翼緣連接板與端板之間正面焊縫的變形協調。保守考慮，按照僅允許端板厚度1/3 范圍達到極限強度，厚度2/3 范圍達到屈服強度，即，采用 (2fp,y+fp,u)/3代替fp,u，將其代入式(9)可得：

2 試驗驗證

2.1 試驗試件和試驗裝置

試驗設計了6 個足尺模型，鋼管混凝土束剪力墻，采用4 mm 厚U 型鋼組成，內填充C40 自密實混凝土，鋼梁均為焊接H-380×130×6×14。按照圖2方式，采用端板焊接、腹板螺栓連接的形式將鋼梁與墻體連接起來。按照抗震設計和非抗震設計要求，分別鋼梁翼緣端部上設置蓋板進行加強節點，或者不設置蓋板。

6 組墻梁節點分別編號為GL1、GL2、GL3、GL4、GL5、GL6。螺栓采用10.9 級M22 摩擦型高強螺栓。根據計算結果，分別改變端板厚度和翼緣連接板的厚度，進行設計試件。試件參數見表1 所示。

表1 試件參數 /mm Table 1 Parameters of specimens

試驗時先在墻體頂部先施加軸壓荷載，之后在鋼梁端部施加豎向低周反復荷載，以模擬地震作用，試驗裝置如圖4 所示。

圖4 試驗裝置示意圖 Fig.4 Sketch of test setup

2.2 典型滯回曲線和破壞形態

試驗的詳細結果將在其他文章中進行分析。試件的典型滯回曲線較為飽滿穩定，并呈現梭型。總體來看，試件在前四級加載，即在0.01 rad 轉角以內，剛度變化較小，近乎無殘余變形，基本處于彈性狀態。隨著滯回荷載的加大，滯回環逐漸傾向于更加飽滿的狀態。

試件典型破壞形態如圖5 所示，從圖中可以看出，試件的鋼梁上翼緣和下翼緣均發生了屈曲，屈曲位置距離端板約450 mm(接近一個鋼梁高度)；鋼梁腹板也發生了屈曲，顯示鋼梁已經形成“塑性鉸”。此時，端板沒有明顯變形，翼緣連接板也沒有明顯變化，實現了“強節點弱構件”的設計意圖。但是，也說明了該端板厚度有過厚的可能，需要在將來的研究中進一步分析。

圖5 試件典型破壞形態 Fig.5 Failure of test specimens

3 工程示范

根據試驗結果，選取萬郡大都城項目三期和四期進行該節點的工程示范，并按照推導的公式進行設計。該項目位于內蒙古包頭市青山區，項目占地面積約33 萬m2，總建筑面積約100 萬m2，共分為四期進行建設，均為商業住宅。項目抗震設防烈度為8 度，50 年基本風壓為0.55 kN/m2。

三期工程總建筑面積約18.5 萬m2，地上建筑面積約15.8 萬m2，由6 幢高層住宅組成，地上30 層 ～34 層，標準層層高均為2.9 m。到2019 年5月，三期已經全部竣工。

四期工程總建筑面積約21.5 萬m2，地上建筑面積約18.8 萬m2。由6 幢高層組成，地上28 層～ 34 層，標準層層高均為2.9 m。到2019 年5 月，四期主體結構已經封頂2 幢，其它幢正在施工過程中。

考慮到減少鋼板厚度種類，進行了歸并，工程中主要采用的鋼梁截面和端板厚度如表2 所示。總體來看，端板厚度較厚，一定程度上影響了其經濟性能。

表2 端板厚度 /mm Table 2 Thicknesses of end-plates

工廠制作完成時，端板式節點的情況如圖6 所示。工地使用時，端板式節點的情況如圖7 所示。

圖6 在工廠時節點 Fig.6 Joints in factory

圖7 示范工程 Fig.7 Demonstration project

通過以上工程應用可以發現，該節點安全可靠；無牛腿，運輸更方便；有利于建筑門窗洞口的設置；減少鋼梁分段，有利于鋼梁和鋼管束標準化工作；提高了現場安裝和制作的便利性。

4 結論

本文通過理論分析并結合試驗、工程應用情況，分析了鋼梁與鋼管混凝土束剪力墻端板式剛接節點的力學性能和施工便利性，得到以下結論：

(1) 提出了一種鋼梁與鋼管混凝土束剪力墻端板式剛接節點的形式，并推導出端板厚度設計方法。通過試驗和工程應用證明，該設計方法能夠滿足當前工程應用要求，安全可靠。

(2) 試驗結果和實際使用過程中，也發現計算的端板厚度有過厚的可能，需要在將來的研究中進一步分析，以提高該節點經濟性能。