钢管混凝土柱环梁节点及其应用

钢管混凝土柱环梁节点及其应用

摘要：本文介绍了钢管混凝土柱环梁节点的构造和基本受力机理。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：钢管混凝土柱环梁节点房屋建筑

一、引言

钢管混凝土柱作为一种性能优异的结构构件，与钢筋混凝土柱和钢柱相比，在许多方面有突出的优点。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。这些节点形式各有优越性和不足,都已有一定的试验研究。

二、环梁节点的构造形式及特点

钢筋混凝土环梁节点的构造形式是在环梁高度范围内，沿钢管壁贴焊一道（或两道）钢筋作为抗剪环。抗剪环为通过连续的双面焊缝牢固焊于钢管壁上的闭合钢筋环或闭合带钢环。钢筋直径d或带钢厚度b一般在20-30mm左右。抗剪环与环形牛腿一样，实为钢管柱的环形凸缘（法兰盘）。基于与环形牛腿同样的考虑，沿抗剪环需设置与楼盖结构等厚的闭合混凝土环梁或与之相当的混凝土托盘，与钢管柱紧密箍抱，楼盖粱的纵筋则锚固于环梁内，借助环梁传递弯矩。

该节点节点无需穿心构件；钢管内、外无需设置加劲环，不影响钢管内混凝土浇注；环梁箍筋无方向性，便于与任意角度的混凝土梁连接。

三、环梁节点的受力机理

1、梁端剪力传递

框架梁梁端剪力主要通过三个途径传递给钢管混凝土柱：

（1）通过环梁混凝土与抗剪环接触面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。由于焊缝作用力可以保证，设计时以抗剪环的作用力为主进行抗剪验算。

（2）环梁混凝土与钢管之间的粘结作用。粘结作用力虽然很大，但在地震作用下难以保证，一般不予考虑，仅作为安全储备。

（3）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。

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：将框架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。

四、环梁节点的设计方法及工程应用

1、设计方法

设计时，环梁宽度应满足框架梁纵筋的锚固要求；环梁的上表面与框架梁的上表面同高，环梁下表面比框架梁低出50mm，便于支模以及环筋和框架梁纵筋在高度方向的布置和绑扎。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。

从实用出发，为简化计算，我们对梁柱节点的计算模型作一下偏于安全的假设：在作剪力传递时，不计楼盖结构混凝土与钢管柱接触面之间的粘结力；在作弯矩传递时，视环梁和环筋为独立环带，不考虑其邻域钢管壁的共同作用，以免削弱钢管的套箍能力。

由于钢筋混凝土环梁对框架梁端剪力的扩散作用，可以认为由抗剪环传递于钢管壁的剪力是均匀分布的，在钢管壁内将产生均匀分布的纵向压应力。该压应力有别于钢管壁内的其他初始应力，不会随钢管进入塑流阶段而与核心混凝土发生内力重分布的过程中逐渐减弱或消失，它将始终存在于节点处的钢管壁内。根据Mises屈服条件，由于该压应力的处在，使得钢管的环向屈服极限降低，在此情况下，未建立简明实用的承载力计算公式，也可以近似的吧节点区的钢管混凝土套箍指标看成是从原来的θ降低成了γθ。通过降低后承载力与原承载力的比值η可以得出：

在设计时，只要考虑柱身长细比影响的承载能力折减系数大于η，即可认为抗剪环的剪力对梁柱节点的安全无影响。反之，则应适当将节点区的钢管壁厚度

加大。

2、工程实例

该节点在广州的中华广场（65层）、昆明邦克广场（36层）两项工程中应用后，业主与施工单位反映较好。据同时采用穿心节点及环梁节点的广州天诚大厦工程的实际用料情况分析，环梁节点的节点钢板用量比穿心式节点减少23% （如果与耗钢量更大的上下环板节点相比, 环梁节点的钢板用量减小幅度将会更大），施工难度也大为降低。除此之外，环梁节点已经应用于多幢位于7，8度设防的地震区的房屋建筑，取得了良好的经济效益。

五、结论

1、采用抗剪环取代传统的穿心牛腿方式传递剪力，受力合理可靠、概念清晰、制作、施工简便，对钢管混凝土柱承载能力无不利影响。

2、计算分析显示，环梁节点的框架梁方向对节点控制截面内力的大小影响较小，这将有利于环梁与多根任意角度的框架梁连接。

3、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。

参考文献

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