钢管混凝土柱_RC环梁节点及其应用

足够大的受剪承载力, 通过抗剪环传递剪 力是可靠的。
即使环梁与钢管 之间 已有相 对滑 移, 环梁 也不 会从钢
管上滑脱。
三、环梁节点的工程应用
1 设计方法
工程中, 采用下述方法设计环梁节点: 环梁的上表
面与框架梁的上表面 平, 环梁 比框架 梁高 50mm, 以便
环筋和框架梁钢筋在高度方向的布置; 环梁宽度应满
图 2 裂缝图
可能导致环梁截面开 裂较大; 框架 梁的分 布对 节点控 制截面内力影 响较小, 这有 利于环 梁节 点与多 根任意 角度的框架梁 连接; 现 浇楼 板能大 大提 高节点 的承载 力和刚度, 大幅 度 减小 环 梁承 受 的扭 矩、剪力 以 及轴 力; 节点的破坏 形态和 框架 梁纵筋 与环 梁环筋 的配筋 量比值有关, 环梁配筋量相对较大时, 节 点破坏主要发 生在框架梁端与环梁交接处, 以框架梁 破坏为主, 环梁 配筋量相对较 小时, 节 点破 坏主要 发生 在框架 梁端的 环梁内, 可能形成两条主要裂缝; 合理的 截面尺寸和配 筋可以使破坏 发生在 环梁 范围以 外的框 架梁 端, 实现 强节点、弱 构件 的抗震 设计 概念。图 2, 3 是一 个典 型试件的框架梁端的裂缝图及荷载- 位移曲线。
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图 1 钢筋混凝土环梁节点
2 梁端弯矩传递 框架梁 端弯 矩 作用 于 环梁 上, 使环 梁 产 生 扭矩。 当框架梁端为负弯矩时, 环梁下端挤压钢 管混凝土柱, 其反作用力将产 生对 环梁的 抵抗 扭矩, 这 将大 大降低 对环梁的抗扭要求。楼板在平面内对环梁 上部有很大 的约束作用, 减 小了扭 转产生 的环 梁与柱 之间 的相对 脱离, 由变形与内力关系可知, 环梁的扭矩 也会进一步 减小。框架梁端为正弯矩时, 略为不利, 因 为没有楼板 的约束作用。 对环梁传递弯 矩的 机理更 为简 明的解 释是: 框架 梁的梁端负弯矩分解为环梁上部和下部的 一对拉力和 压力, 拉力由环梁上部环筋与楼板共同承 担, 压力由环 梁下部的混凝 土承担 并传 递扩散 至钢管 混凝 土柱上。 试验证明, 这一设想与实际受力情况基本吻合[ 10] 。 二、环梁节点试验研究 为了研究环梁 节点 的受力 特性、抗 震性 能和 设计 方法, 进行了一系列钢管混 凝土柱-环 梁节点的 试验研
图 6 广州市中华广场平面图
图 7 太原市数码中心平面图
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性, 通过抗剪环传递剪力是可靠的, 即使环 梁已局部破 坏、钢管与环梁之间有缝隙、环梁与钢管之 间已有相对 滑移, 钢管与环梁的界面仍有足够大的受 剪承载力, 环 梁不会从钢管上滑脱, 节点满足抗震要求。
( 4) 环梁节点已经应用于 20 多幢位 于 7, 8 度设防 的地震区的房屋建筑, 取得了良好的经济效益。
3 钢管与环梁界面的抗剪试验
足尺节点试件 完成 静力加 载试 验后, 进 行钢 管与
环梁界面的抗剪试验。千斤顶贴近钢管混 凝土柱置于
环梁上加载, 在环梁 上产生 近似 冲切的 作用 力。限于
千斤 顶加载能 力, 最大 荷载加 至5 300kN , 试件 仍未破
坏( 弯曲试验中, 在 环梁处 产生的 总剪力 最大为 2 700
究。主要研究 环梁配 筋、框架 梁配 筋、环 梁尺 寸、框架 梁尺寸以及楼板对节点受力性能的影响。
1 模型静力试验及足尺节点静力试验 先后完 成 了两 批 共 37 个 节 点 试 件 单 调 加 载 试 验[ 16] , 第一批试件的钢管直径以 300 为 主, 第二批钢 管直径以 500 为主; 结合 实际工 程, 完 成了一 个足尺 节点 试 验[ 17] 。足 尺 节 点 的 钢 管 直 径 1 600 mm, 壁 厚 20mm, 框架梁截 面为 600mm 800mm( 宽 高 ) , 配筋 为 14 32; 环 梁 截 面 尺 寸 为 600mm 800mm ( 宽 高) , 上 部 配 筋 为 10 32。 楼 板 宽 4 600 mm, 厚 150mm, 双向配筋为 12@ 150。 试验结果表明: 钢管混 凝土柱-环 梁节点 的抗弯能 力和变形能力与环 梁混凝 土强 度、截面 尺寸、配筋量、 节点形式、楼板、环梁 宽度与 外径 比等因 素有 关; 环梁 的环向钢筋和箍筋对传递框架梁端的弯矩及纵筋的锚 固起重要作用, 配箍不 足可 能导致 框架 梁钢筋 锚固失 效; 环梁环筋对传递框架梁弯矩起重要 作用, 配筋不足
2 工程实例 环梁节点最早于 1997 年用于 昆明邦克 大厦( 8 度 抗震设防 ) , 以后陆 续用于 广东省电 信枢纽 综合楼、合 银广场[ 21] 等 20 多幢 房屋 建筑, 取得 了 良好 的经 济效 益, 表 1 为 20 幢采用 环梁节点 的房屋 建筑简介。 图 6 和图 7 分别为广州市中华广场和太原市 数码中心的平 面图。 四、结论 ( 1) 梁柱连接方式是钢管混凝土结 构的关键, 环梁 节点具有受力合理 明确、构 造简 单、施工 方便、造 价低 廉等优点。 ( 2) 受力机理分析表明, 环梁节点满 足传递梁端剪 力和弯矩的要求, 试验结果验证了其受力机理。 ( 3) 试验结果表明, 环梁节点可以实 现 强节点、弱 构件 的 抗震 设计 概 念, 塑 性铰 在 框架 梁 端或 在 环梁 内, 环梁节点都 有比较 大的 变形能 力和 良好的 滞回特
图 3 荷载-位移曲线
图 4 荷载( 界面剪力)-环梁
与钢管间相对滑移关系曲线
85% 的节点 试 件, 其 钢 管混 凝 土 柱 的转 角 达 1/ 60 左
右; 试件达到最大承载力之前及达到最大 承载力时, 大
部分试件钢管 混凝土 柱的 转角 达 1/ 120 或 更大, 滞回
环比较饱满, 捏 拢现象 不明 显; 达到 最大 承载力 后, 由
目前, 用于 我国房 屋建 筑中的 钢管 混凝土 柱与混 凝土梁连接节点的主要形式有: 上下环 板牛腿式、双梁 式、梁端局部加宽式、对穿暗 牛腿 式、穿心 钢筋暗 牛腿 式、暗 牛 腿- 环 梁 组 合 节 点、钢 筋 混 凝 土 环 梁 节 点 等[ 2-15] 。这些节点 形式 各有优 越性 和 不足, 都已 有一 定的试验研究。
第 33 卷 第 9 期
建筑结构
2003 年 9 月
钢管混凝土柱- RC 环梁节点及其应用
钱稼茹 周栋梁
方小丹
( 清华大学土木工程系 北京 100084) ( 汕头市建筑设计院 515031)
[ 提要] 介绍了钢管混凝土柱-混凝土环梁节点的构造和基本受力机理, 以及 37 个节点模型、1 个足尺节点单 调加载试验结果和 14 个节点模型在低周反复荷载作用下的试验结果。试验结果表明, 通过合理设计, 环梁节 点能有效地传递框架梁端的剪力和弯矩, 具有良好的变形能力和耗能能力, 可以实现 强节点、弱构件 的抗震 概念设计。简要介绍了环梁节点的设计方法及其在房屋建筑中的应用。 [ 关键词] 钢管混凝土柱 混凝土环梁 节点 试验 房屋建筑
图 5 水平力-转角滞回曲线
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足框架梁纵向 钢筋的 锚固 要求; 环 梁的 环筋和 箍筋数 量根据框架梁 纵筋数 量确 定, 且箍 筋应 满足竖 向抗剪 的要求, 环梁箍筋沿径向放射布置; 在环 梁底部和中下 部各设置一道 抗剪环, 抗剪 环直径 以及 抗剪环 与钢管 柱的焊缝高度, 可通过 混凝 土的局 部承 压以及 焊缝强 度满足竖向抗 剪要求 确定, 建议抗 剪环 上下两 个角焊 缝都施焊。
2 环梁节点模型低周反复荷载试验 为了研究环梁节点的抗震性能, 完成了 14 个钢管 混凝土 柱-环 梁 节点 在 反 复荷 载 作 用下 的 试 验[ 18-20] 。 图 5 是两 个试 件的 水平 力- 转角 滞回 曲线。 试验 结果 表明, 塑性铰无论是在框架梁端还是在 环梁内, 节点都 有比 较 大的 变 形能 力 , 承载 力 下 降至 最 大 承 载力 的
kN , 且此时环梁与钢管混凝土 柱之间 存在很大 的静摩
擦力) [ 19] 。
还完成了 3 个反复加载破坏后试件的 钢管与环梁
界面的抗剪试验, 图 4 为其中一个试件的实 测荷载( 即
界面剪力)- 环梁与钢管间相对滑移的关系曲线。
试验结果表明, 即使环梁已经破坏, 钢 管与环梁之
间已有缝隙, 由于抗剪环的作用, 钢管与环 梁的界面有
钢筋混凝土环梁节点的构造如 图 1 所示。在环梁 高度范围内, 沿钢 管周 圈贴焊 一道 ( 或两 道) 钢 筋作为 抗剪环, 无需穿心牛腿等构件; 钢管内、外不用加劲环, 不影响钢管内混凝土浇注; 环梁钢筋笼 无方向性, 在地 面绑扎, 高空就位方便。
一、环梁节点受力机理 1 梁端剪力传递 框架梁梁端 剪力传 递到 钢管混 凝土 柱, 主要 通过 三个途径。途径之一为通过环梁混凝土 与抗剪环之间 的局部承压作用力, 将剪力由环梁传递 到抗剪环上, 并 通过抗剪环与 钢管间 的焊 缝将剪 力传递 到钢 管上, 由 于抗剪环钢筋 直径一 般不 大, 由剪 力引 起的对 钢管壁 的局部弯矩很 小; 途径 之二 为环梁 混凝 土与钢 管之间 的粘结作用; 途径之三 为梁端 弯矩 引起环 梁上 ( 或下) 端挤压钢管 混凝 土 柱而 产 生的 静 摩擦 力。一 般 情况 下, 静摩擦力很大, 可 以满足 抗剪 要求; 粘 结作用 力虽 然也很大, 但在地震 作用下 难以 保证, 一 般不 予考虑, 仅作为安全储备; 抗剪环的作用力可以 保证, 设计时以 抗剪环的作用力为主进行抗剪验算。
( 5) 整体楼 盖结构 对节点 的影 响以及 环梁 的截面 承载力验算方法还需要进一步研究。
钢管混凝土柱-环梁节点工程实例
表1
建筑物 名称
层数
0 00 结构 以上高 类型 度( m)
源自文库
于框架梁、楼板、环梁混 凝土 开裂, 钢 管与环 梁之 间局
部脱离, 出现缝隙, 在裂缝闭合前位移增大 快而荷载增
加慢, 滞回曲 线出现 不同程 度的 捏拢现 象。由于 节点
具有梁柱相对独 立的 特点, 节 点的 破坏不 影响 钢管混
凝土柱的完整性, 基本不影响钢管混凝土 柱的承载力,
容易实现强柱弱梁的抗震设计概念。
T he details and the basic mechanical properties of the steel tube confined concrete column and reinforced concrete ring beam joint are introduced. Test results of 37 joint models and one full scale joint under monotonic increased loading as w ell as test results of 14 joint models under cyclic lateral loading are presented. The experimental results indicate t hat the proper designed ring beam joint can transfer the frame beam shear and moment effectively and the joint has exce-l lent deform ation capacity and energy dissipation capacity. T he earthquake resistance design concept of strong connect ion and w eak m ember can be achieved. The design method and the application of the joint are briefly introduced. Keywords:steel tube confined concrete column; reinforced concrete ring beam; joint; experiment; buildings