一種改進的鋼管混凝土柱-鋼梁外加強環(huán)式節(jié)點

羅江

本文提出了一種改進的鋼管混凝土柱-鋼梁外加強環(huán)式節(jié)點，并應用到廣州某項目中。該節(jié)點的特點是：減小外環(huán)板寬度，采用外貼豎環(huán)板的方式對節(jié)點范圍柱鋼管進行加強。分析表明，改進的外加強環(huán)式節(jié)點受力性能良好，同時滿足了建筑美觀要求，在實際工程應用中產生了良好的社會經濟效益。

鋼管混凝土柱-鋼梁外加強環(huán)式節(jié)點傳力方式明確、構造簡單、施工便利，因此被大量應用在實際工程中?！朵摴芑炷两Y構技術規(guī)范》（GB50936-2014）中規(guī)定外加強環(huán)厚度不宜小于鋼梁翼緣的厚度，外加強環(huán)寬度c不宜小于鋼梁翼緣寬度b的0.7倍，如圖1所示。

圖1 規(guī)范外加強環(huán)式節(jié)點大樣

通常情況下，按規(guī)范規(guī)定構造，環(huán)板寬度較大。外環(huán)板寬度較大導致鋼管壁和建筑外立面有多余空間，該空間較難利用，降低了實用率；且設備管線不能貼鋼管管身布置，若要求貼管身布置，則需外環(huán)板開洞，而這又削弱了環(huán)板的有效截面。為滿足建筑美觀及設備安裝的要求，本文基于規(guī)范外加強環(huán)式節(jié)點提出了一種改進的外加強環(huán)式節(jié)點，節(jié)點大樣如圖2所示。新型節(jié)點的特點是：減小外環(huán)板寬度，采用外貼豎環(huán)板的方式對節(jié)點范圍柱鋼管進行加強以保證節(jié)點承載力。新型節(jié)點主要有以下優(yōu)點：外環(huán)板主要寬度與噴射普通砂漿保護層厚度相同，外環(huán)板寬度不會突出砂漿保護層，也不會突出建筑外立面，無需裝修或外包處理，設備管線可貼建筑外立面安裝，經濟效果好。改進節(jié)點用于廣州某項目中，取得了良好的社會經濟效益，受到業(yè)主好評。

圖2 改進的外加強環(huán)式節(jié)點

一、工程概況

本工程位于廣州市白云新城中央商務區(qū)，項目占地面積2.33萬m2，總建筑面積為19.4萬m2。主塔樓高度為150m，外圍采用鋼管混凝土柱-鋼梁框架，內部采用鋼板剪力墻核心筒，核心筒與外圍框架采用U型梁進行連接。本工程地下4層，地上36層，為一超大型綜合建筑，集商業(yè)、娛樂、高檔辦公樓于一體，1～6層裙房為商業(yè)、銀行、餐廳、會議中心；7～36層塔樓為寫字辦公樓。本項目地震設防烈度7度，設計基本地震加速度值0.10g，設計地震分組為第一組，場地類型為Ⅱ類?；撅L壓值為0.50kN/m2（n=50年）。

本工程與鋼管柱剛性連接的鋼梁尺寸分別為：H410×220×10×14、H430×300×15×20。按《鋼管混凝土結構技術規(guī)范》（GB50936-2014）要求，則外環(huán)板寬度c=0.7b＝210mm，外環(huán)板寬度較大。本工程采用上文提出的改進的外加強環(huán)式節(jié)點：外環(huán)板寬度取防火層厚度為70mm，外環(huán)板厚度取梁翼緣厚度，在柱鋼管外貼焊30mm厚鋼板，鋼板上下伸出環(huán)板150mm。現場照片如圖3所示。

圖3 新型節(jié)點現場照片

二、節(jié)點受力性能分析

為了驗證技術方案的合理性，利用大型非線性有限元軟件ABAQUS建立鋼管混凝土節(jié)點的有限元模型，通過最終破壞形態(tài)及最終狀態(tài)的極限承載力與整體分析的鋼梁內力設計值進行比較，分析節(jié)點設計合理性。

計算分析分3個模型：（1）按規(guī)范構造要求設計的基本節(jié)點，環(huán)板寬210mm，柱鋼管未外貼鋼板；（2）本項目中采用的新型節(jié)點，窄外環(huán)板寬度c=70mm，管壁外包豎環(huán)；（3）窄外環(huán)板寬度c=70mm，管壁外不包豎環(huán)，下文稱為對比節(jié)點。

1. ABAQUS模型及參數

混凝土采用塑性損傷本構，其等效應力-應變關系根據韓林海等定義的約束混凝土本構公式計算得到，其等效峰值應力為31.6MPa。鋼材采用雙折線的理想彈塑性本構，鋼材屈服強度為345MPa。單元選取方面，混凝土采用八節(jié)點減縮積分三維實體單元C3D8R，鋼管采用四節(jié)點殼單元S4R。鋼管與混凝土界面法線方向的接觸采用硬接觸，即垂直于接觸面的壓力可以完全地在界面間進行傳遞；鋼管與混凝土界面切線方向采用庫倫摩擦模型來模擬。鋼管混凝土節(jié)點的加載分兩個分析步進行，第一個分析步在鋼管混凝土柱頂施加恒定軸心壓力，第二個分析步分別在各梁端采用位移控制加載。經過試算后發(fā)現，模型上下環(huán)板間有無加勁肋基本不影響模型的計算結果，為了方便建模以及提高計算速度，以下各模型將不建立環(huán)板間加勁肋。

2. 計算結果分析

對按照上述尺寸和構造建立的3個模型進行模擬計算分析，得到模型的應力和變形，通過分析其應力和承載力來對比各種技術方案受力的合理性。

（1）基本節(jié)點

按規(guī)范構造要求設計的基本節(jié)點模型在柱端和梁端荷載作用下的應力云圖如圖4所示。由圖可知，隨著梁端位移的增大，當梁端荷載增加到504kN時，鋼梁端部上下翼緣的應力首先達到鋼材屈服強度；此時柱鋼管的應力最大值為241MPa，環(huán)板局部應力最大值為271MPa，均尚未達到鋼材屈服強度。隨著荷載的進一步增大，梁端進入屈服狀態(tài)的區(qū)域逐漸變大，最終梁端達到全截面屈服狀態(tài)，梁端達到極限承載力；此時環(huán)板局部應力最大值為330MPa，柱鋼管的局部應力最大值為309MPa，均未達到鋼材屈服強度。整體模型計算得到的梁端剪力值為336kN，小于504kN，因而基本節(jié)點能夠滿足承載力要求。

圖4 基本節(jié)點應力云圖

（2）新型節(jié)點

新型節(jié)點應力云圖如圖5所示。由圖可見，隨著梁端位移的增大，當梁端荷載增加到500.3kN時，鋼梁端部上下翼緣的應力首先達到鋼材屈服強度；此時柱鋼管的應力最大值為236MPa，環(huán)板局部應力最大值為313MPa，均尚未達到鋼材屈服強度。隨著荷載的進一步增大，梁端進入屈服狀態(tài)的區(qū)域逐漸變大，最終梁端達到全截面屈服狀態(tài)，梁端達到極限承載力；此時環(huán)板局部區(qū)域達到屈服強度，但柱鋼管的應力最大值為297MPa，尚未達到鋼材屈服強度。由上述分析可知，新型節(jié)點的承載力與基本節(jié)點承載力基本相等，且梁端在鋼管柱和環(huán)板尚未屈服之前達到極限承載力，因此此種節(jié)點的受力較為合理且沒有削弱節(jié)點的強度，滿足設計要求。節(jié)點的承載力500.3kN大于梁端剪力最大值336kN，因此節(jié)點能夠滿足承載力設計要求。

圖5 新型節(jié)點應力云圖

（3）對比節(jié)點

對比外包豎環(huán)的窄環(huán)板節(jié)點進行分析，得到節(jié)點在柱端和梁端荷載作用下的應力云圖如圖6所示。由圖可知，簡單的縮小環(huán)板寬度，但不增加鋼管管壁外包豎環(huán)，隨著加載增加，鋼管壁和外環(huán)板先于鋼梁屈服，不滿足“強柱弱梁”的設計原則。節(jié)點屈服時梁端的承載力僅為388kN，比基本節(jié)點承載力降低23%，所以只縮小環(huán)板寬度而不采取局部加強措施會使得節(jié)點的受力不合理。

圖6 對比節(jié)點應力云圖

3. 環(huán)板寬度與豎環(huán)高度關系分析

上述研究表明通過外包豎環(huán)可以在不削弱節(jié)點承載力的情況下縮小環(huán)板的寬度，為了進一步研究外包豎環(huán)高度和窄環(huán)板寬度之間的關系，以下采用ABAQUS軟件分別對環(huán)板寬度分別為0mm，30mm，70mm，140mm和210mm的節(jié)點進行模擬分析，通過試算得到當各節(jié)點屈服承載力與基本節(jié)點相同時對應的外包豎環(huán)高度值。

假設外包豎環(huán)厚度與環(huán)板厚度相等，經過試算，得到各節(jié)點屈服承載力相等時環(huán)板寬度和豎環(huán)高度的關系如表1所示。由于節(jié)點1環(huán)板寬度為0，也即無環(huán)板，計算結果表明當鋼管沿著柱全高外包豎環(huán)時，節(jié)點仍然無法達到基本節(jié)點的屈服承載力，且此節(jié)點的柱鋼管比鋼梁先屈服，不滿足“強柱弱梁”的設計原則。由表1可知，隨著環(huán)板寬度減小，若外包豎環(huán)與環(huán)板伸出加強環(huán)的長度之和不變且大致等于0.7b時，節(jié)點的屈服承載力也基本維持不變。當環(huán)板寬度過窄時，若要保持節(jié)點承載力不變，則會使得豎環(huán)高度大大增加，甚至無法通過增加豎環(huán)高度來滿足承載力要求；且若環(huán)板過窄，將使得節(jié)點柱鋼管比梁端先屈服，對節(jié)點受力產生不利影響。

表1 環(huán)板寬度和豎環(huán)高度的關系

三、結論及展望

（1）本項目外包豎環(huán)的窄環(huán)板節(jié)點的承載力與按構造要求設計的基本節(jié)點承載力基本相等，且梁端在鋼管柱和環(huán)板尚未屈服之前達到極限承載力，因此新型節(jié)點的受力較為合理且沒有削弱節(jié)點的強度，滿足設計要求。

（2）在一定范圍內，隨著環(huán)板寬度減小，若外包豎環(huán)與環(huán)板的長度之和不變且大致等于0.7b時，節(jié)點的屈服承載力也基本保持不變，且節(jié)點受力合理。若環(huán)板過窄時，將使得節(jié)點柱鋼管比梁端先屈服，對節(jié)點受力產生不利影響。

（3）若減少外環(huán)板寬度，但不外包豎環(huán)，鋼管壁和外環(huán)板先于鋼梁出現屈服，鋼梁材料未充分使用，不滿足“強柱弱梁”的設計要求；且節(jié)點承載力有較大降低。

（4）本文提出的改進的外加強環(huán)式節(jié)點在實際工程中運用取得了良好的效果。對該節(jié)點受力性能的理論分析及外環(huán)板寬度與柱鋼管外貼鋼板尺寸的關系，仍需進行深入研究以對工程設計提供指導。