方钢管混凝土柱-钢梁节点的设计

1 1 1 2
1 前言
我国《矩形钢管混凝土结构技术规程》
[1]
借鉴箱形柱钢框架节点的构造作法，结合我
国实际情况，推荐列出了带内隔板的矩形钢管混凝土柱与钢梁栓焊连接的节点构造形式(见 图 1)，这种构造形式外观整洁，不影响后期的建筑装修，内隔板采用电渣焊与柱壁板对接 焊接，其梁柱栓焊连接属于钢框架的传统 刚性连接形式，制造安装均较为方便，可 用于抗震设防为 7 度及以下的框架结构。 本文从结构受力形态分析出发，确定节点 在各种外荷载作用下的受力和形式特征， 结合试验和理论分析研究[2
N vb1 =
(N
v1
2 b ； + N Ty1 ) + N Tx 1 ≤ N v = 0.9 n f µ P 2
N v1 = N vi = Vb n ；
其中： N = Ti
Tri ，N = Tyi ∑ x + ∑ yi2
2 i
Txi ∑ x + ∑ yi2
2 i
NTxi =
Tyi 。 ∑ x + ∑ yi2
N vb1 ≤ N vb = 0.9nµ P
（4）
（2）对抗震设防为 7 度及以下框架结构的节点，或框架不作为主要抗侧力体系的结构：应 按第一阶段设计时的地震组合内力进行弹性设计， 保证连接在多遇地震作用下具有足够的强 度，以达到“小震不坏”的设计目标。梁端腹板连接螺栓不应发生滑移，并同时承受剪力和 弯矩，依据规范[4~5]抗震通用公式 S≤ R /γRE，梁端连接焊缝应满足：
γRE、γwRE —抗震调整系数，依据规范[1，4，5]取γwRE=0.9，γRE=0.75；
fwy、fy —分别为连接焊缝材料和钢材的屈服强 度。 式（9）亦可写为： M ≥ 1 .2 ⎛ M b 1 ⎞ M ⎜ ⎟ 2 1
⎝ M b2 ⎠
t bf
Bb Hb
（9a）
a
1
同时，梁端削弱处截面（2-2 截面）还应满足 （10）式，以保证有足够的强度储备： Mu2 ≥ 1.2 Mp2 （10）
γRE —抗震调整系数，依据规范[1，4，5]对焊缝取 γwRE=0.9，对螺栓取γbRE=0.85；
Mp — 梁端截面（连接处）全塑性抗弯承载力，Mp=Wpfy； ln — 梁的净跨； VGb—梁的重力荷载代表值（9 度时高层建筑还应包括竖向地震作用标准值）作用下，按 简支梁分析的梁端截面剪力值； Vu —梁端腹板连接焊缝的极限抗剪承载力； Nbvu、Nbcu-腹板螺栓连接的极限抗剪和承压承载力； fu、fbu 、fbcu— 分别为钢材、螺栓材料的抗拉强度最小值和螺栓连接板的极限承压强度， 可取 fbcu=1.5fu。 对比分析上述步骤（1）、（2）可知，抗震设计时，通过第一阶段的弹性计算，可保证 在多遇地震作用下连接及削弱处均处于弹性工作阶段且螺栓不发生滑移，达到“小震不坏” 的设计目标；在罕遇地震作用下：首先，通过（9）式的计算保证梁端塑性铰外移，且梁端 连接截面处（1-1 截面）始终处于弹性工作阶段，其次，随着地震作用的增加，以梁端削弱 处（2-2 截面）能顺利形成塑性铰并吸收继续增加的能量，从而保证梁端连接截面处（1-1 截面）的内力不再增加，达到保护梁端连接的目的，最后，通过（10）式的计算，保证梁端 削弱处（2-2 截面）有足够的强度储备，达到“大震不倒”的设计目标。
[1]
，3]
内隔板
， 通过对 《规
图 1
内隔板式梁柱连接
程》 中这种节点抗弯、剪计算规定的讨 论，提出初步设计建议，以供参考。
Fig.1 The beam-to-column connection with internal diaphragms
2 节点的受力及变形特征
框架结构在正常工作时受有竖向和水平两种荷载， 进行节点的抗震设计时， 梁端和柱端 的弯矩分布形式（图 2c）基本与水平荷载下（图 2a）的情况相似，以中间十字形节点为例， 各种外荷载作用下节点域的受力和变形形式如图 3 所示， 节点域受梁柱端影响而弯矩、 剪力、 轴力共存。这里需要强调的是，实际工程设计中，按照“强柱弱梁、节点更强”原则及构造 要求， 高层结构柱子壁板的厚度一般都大等于梁翼缘的厚度， 节点域内隔板的厚度要求大等 于梁翼缘的厚度，且要保证内隔板受拉时的净截面积大等于梁翼缘的截面积，同时，在节点 域柱子的 4 块壁板之间及柱壁板与内隔板间均为熔透的对接焊缝连接， 完全可以达到等强连 接，这样一来，节点核芯区一般不发生破坏，破坏只会发生在较弱的梁端。如图 4 为满足上 述特点的节点在试验后解剖开的节点域的情况[2
3 节点梁柱连接计算的建议
根据以上分析， 对带内隔板的方钢管混凝土柱—钢梁节点的梁柱连接计算， 参照现有各 规范 3.1
[1，4，5]
提出如下建议：
对于非抗震和抗震设防为 7 度及以下框架结构的节点，或框架不是作为主要抗侧力结
构的体系（如“框架—筒体结构”、“框架—剪力墙结构”、“框架—支撑结构”等）时， 保证在大震时整体结构中主要由核心筒、 剪力墙以及支撑体系等承担水平荷载的， 可选用图 6 所示的典型连接，按弹性阶段进行计算，梁端腹板连接的螺栓不应发生滑移，并同时承受 剪力和弯矩。 （1）对于非抗震的框架结构： 图 6 所示的典型连接的抗弯，可按结构处于弹性受力阶段设计；梁端连接焊缝应满足：
2 i
梁端腹板连接焊缝的抗剪应满足：
τ1 =
Vb S w 2 ≤ f vw I wx 2 t w
（3）
式中： Vb—为梁端剪力设计值； Iwx2、Sw2—图 6 中 2-2 截面所示梁端腹板连接焊缝截面的惯性矩和面积矩； fvw — 连接焊缝材料的抗剪强度设计值。 同时，梁端腹板连接的螺栓（图 6）应满足：承受最大剪力的“1”号螺栓不发生滑移， 即：
-1，3]
，内隔板及周边的焊缝完好，未见屈服迹
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象， 核心区混凝土由于三向约束作用虽有裂缝但不会完全压溃； 非线性有限元理论分析也表 明[3]，当梁端完全屈服而形成塑性铰时，内隔板的 Von.Mises 应力尚远未达到屈服；从理论 分析在极限荷载时节点域的主应力轨迹图可看出， 主应力流主要集中在梁端， 而内隔板中相 对流畅（图 5a），核心混凝土已明显形成以第三主压应力σ3 为主的斜压短柱（图 5b）。鉴 于此，对满足前述构造要求的高层框架节点，因节点域内隔板的抗拉能力远大于梁翼缘，且 由于核心区混凝土的存在而节点域较梁端“强”的多，不可能发生内隔板先于梁端的屈服情 况，所以，设计中只要保证了梁柱连接处梁端的抗弯承载力，节点域的抗弯承载力自然就能 满足。从设计角度讲，节点的抗弯计算就变为了简单的梁柱连接处梁端的抗弯承载力计算。
≥
M w2
w γ RE
（6）
式中：T、Mw2 同（2）式，抗震调整系数依据规范[1,4,5]取γbRE=0.85，γwRE=0.9。 同理，梁端腹板连接焊缝和螺栓的抗剪应分别满足：
τ1 =
Vb S w 2 w ≤ f vw γ RE I wx 2 t w
（7） （8）
b b N vb1 ≤ N vb γ RE = 0.9nµ P γ RE
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带内隔板的方钢管混凝土柱-钢梁节点设计研究
周天华 ，聂少锋 ，卢林枫 ，何保康 ，
（1.长安大学，陕西西安 710061； 2. 西安建筑科技大学，陕西西安 710055；） Email：zhouth163@163.com 摘要: 本文根据试验和理论研究结果，对用于高层建筑的带内隔板的方钢管混凝土柱-钢梁 刚性节点的受力特征进行了分析研究， 结合 《矩形钢管混凝土结构技术规程》 (CECS159:2004) 的设计规定，给出了梁-柱连接处梁截面的抗弯、剪计算公式及建议。对节点核心区的抗剪， 通过受力机理的分析，建立了钢“框架-剪力墙”加混凝土“斜压短柱” 受力体系及其屈服 机制，根据塑性极限分析，给出了节点核心区抗剪承载力计算的迭加公式，并与《规程》公 式和非线性有限元近似模拟分析结果进行了比较。 本文提出的节点核心区抗剪承载力计算公 式，能够反映出轴压比的影响，理论相对比较完善，力学概念明确、简单，其计算结果安全 合理，可供实际工程设计参考。 关键词: 方钢管混凝土柱；梁柱节点；节点设计；节点核心区
γ RE
（11）
其中，Vb=1.1(2Mp / ln)+VGb；Vu=min{Vwu,Nbvu,Nbcu}； Vwu =0.58Awfu，Nbvu =0.58nf Abe fbu，Nbcu =d∑t fbcu 。 式中：Vb —梁端腹板连接的剪力设计值；式中系数 1.1 是从“抗震概念设计”出发，参考抗 目的是为防止在弯曲屈服前出现剪切破 震规范[4]第 6.2.4 条取用的梁端剪力增大系数， 坏，即连接的受剪承载力要大于弯曲时实际达到的剪力。 Vu —梁端腹板连接的极限抗剪承载力；
4，5]
，
取γRE=0.75。
M1 ⎛M ≥ ⎜ b1 ⎝ M b2 ⎞M2 ⎟ γ RE ⎠
（2）在罕遇地震作用下，应保证梁端塑性铰发生在削弱处，即：
γ
w RE
（9）
式中：M1 —图 7 中梁端 1-1 截面（连接焊缝）的弹性极限抗弯承载力，M1=Wnx1fwy； M2 —梁端 2-2 截面（削弱处）的弹性极限抗弯承载力，M2=Wnx2fy；
（a）水平荷载作用时 （b）竖向荷载作用时（c）二者共同作用下的弯矩
图2 Fig.2
N Vc
框架结构的弯矩内力示意图 Diagram for moment of frame structure
Mc
Vb Mb Mb Vb
Vc
N Mc
图 3 节点的受力和变形 Fig.3 Forces and deformation of joint
M b1
R
2
c
Bb
1-1
B b- 2 c
1
c
b 2 M b2
式中：Mu2 — 梁端 2-2 截面（削弱处）上下翼缘的 极限抗弯承载力， Mu2=Af ( Hb - tbf ) fu ； Mp2 — 梁端 2-2 截面（削弱处）全塑性抗弯 承载力， Mp2=Wp2 fy ； Wp2 — 梁端 2-2 截面的全塑性抗弯模量； fu、fy —分别为钢材的抗拉强度和屈服强度。
σ =
Mb ≤ f γ RE W nx
（5）
式中：Mb—为按地震组合内力的梁端弯矩设计值；
-3-
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γRE —连接焊缝材料承载力的抗震调整系数，依据规范[1，4，5]可取 0.9。
梁端腹板连接应满足：
T
b γ RE
Wnx—图 6 中 1-1 截面净截面的抵抗矩；
-4-
a+0.5c
2-2
图7
骨形连接的梁端计算简图
Fig.7 Diagram for calculation of RBS connection
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（3）抗剪：除应按地震组合内力用（7）、（8）式进行弹性计算外，还应验算连接的极限 抗剪能力：
Vb ≤ Vu
图 4 试验后节点域内隔板和混凝土 Fig4 Internal diaphragm and concrete of joint core zone after test
(a)内隔板和梁端主应力轨迹
(b)节点域混凝土主应力轨迹
图 5 节点域内隔板、混凝土主应力轨迹 Fig.5 Principal stress field in internal diaphragm and concrete of joint core zone
-2-
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Bb
Vb Mb
1
t bf
t bf
H0 Hb
σ≤ f
σ =
tw
Mb ≤ f W nx
（1）
式中：Mb—为梁端弯矩设计值；
t bf Y
"1"
1
柱 壁 板
1-1
σ1
2
Vb T
τ1
r1
O
2 2-2
N TY1 N V1 X
N TX1 N T1
Wnx—图 6 中 1-1 截面所示净截面的抵抗矩； f — 连接焊缝材料的抗拉强度设计值。 梁端腹板连接应满足：图 6 中 2-2 截面焊缝 弯曲应力σ1 达到焊缝材料的抗拉强度设计 值 f 前螺栓不发生滑移，并假定梁端剪力 Vb 全部由腹板连接承担，则：
Baidu Nhomakorabea图6
连接的梁端计算简图
T ≥ M w2
抗弯承载力设计值， M w 2 = Ww 2 f ；
（2）
Fig.6 Diagram for calculation of connection
式中： Mw2—图 6 中 2-2 截面腹板连接焊缝的
T — 螺栓群的抗扭剪设计承载力，
T = ∑ NTi ri = ∑ （NT xi yi + NTyi xi ） ；且“1”号螺栓剪力的合力有：
（7）、（8）两式各符号意义分别同（3）、（4）式，抗震调整系数同（6）式。 3.2 对于 8 度设防Ⅲ、Ⅳ类场地和 9 度设防框架结构的节点，宜采用图 7 所示能将梁端塑
性铰外移的骨形连接，削弱后的梁翼缘截面积不宜大于原截面积的 90%，梁端腹板连接同时 承受剪力和弯矩。分别按以下几个步骤进行计算： （1） 对图 7 中 1-1 截面进行弹性计算： 按第一阶段设计时的地震组合内力， 利用前述式 （5） 、 （6）对图 7 中 1-1 截面焊缝和螺栓连接进行弹性设计，以保证在多遇地震作用下连接具有 足够的强度和在梁端翼缘连接焊缝进入塑性前螺栓不发生滑移。同时，还须按（5）式验算 图 7 中 2-2 截面，公式中 Mb 为图 7 中 2-2 截面的弯矩设计值 Mb2，抗震调整系数依据规范[1