北京南站轨道层桥梁节点设计

刘祥君,白鸿国,施 威

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300142)

1 概述

在工程结构设计中,节点设计占有很重要的位置。构件虽强,能够承受很大的内力,但如节点设计不正确,发生了节点先于构件的破坏,则整个结构也必然发生倒塌。因而节点设计的准则是：强柱、弱梁、节点更强。

北京南站轨道层桥梁结构与上、下结构柱的节点连接面临一重大难题：轨道层结构上、下结构柱采用大直径钢管混凝土柱并贯通,而轨道层结构采用钢筋混凝土纵、横梁格构体系,承受列车疲劳荷载,截面尺寸大、配筋率高,节点连接设计困难。因此,轨道层结构钢筋混凝土梁与上、下钢管混凝土柱节点有效连接成为北京南站整体结构设计成功与否的关键技术之一。

2 节点技术特点

北京南站轨道层桥梁结构承受巨大的列车疲劳荷载,为使结构具有较强的刚度以满足列车行驶舒适性要求和降低工程造价,设计采用钢筋混凝土纵、横梁格构体系。板厚50 cm,纵、横梁结构采用跨中宽1.8 m×高2.0 m、支点宽1.8 m×高3.0 m为主要构件的钢筋混凝土梁。9 m高架结构柱根据受力的需要采用了1.2 m×1.6 m或1.2 m×1.2 m的矩形钢管混凝土柱和部分圆形钢管混凝土柱,地下结构柱为了满足受力需要及与上、下柱刚度匹配的要求,采用φ1.8 m圆钢管混凝土柱,这决定了北京南站轨道层桥梁结构节点技术特点：

(1)大截面钢筋混凝土梁与钢管混凝土的节点连接,已经超出了常规建筑结构关于此类问题的处理范围；

(2)柱截面由方变圆,截面形式不规则,形成不同截面对接节点,国内无先例；

(3)纵横梁因受列车动载,对节点的疲劳性能要求较高；

(4)纵横梁的节点内力较大,梁体配筋复杂,从而造成梁柱连接节点构造复杂。

3 节点构造方案研究

3.1 常规钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁节点研究[1]

随着钢管混凝土结构在我国建筑业不断使用,国内众多学者对其进行大量的研究和试验。对钢管混凝土梁柱节点,不少著作对其处理给出了典型的方案,常用的节点构造有以下几种形式。

(1)加强环式节点

外加强环式节点采用钢管混凝土柱在梁的上下翼缘位置设上下加强环,与梁内钢筋焊接后,传递梁端弯矩,同时在上下环间焊一竖板,与梁内斜筋焊接,传递梁端剪力,此节点在工业与民用建筑中较为常见。但由于北京南站轨道层桥梁结构梁板结构尺寸大、梁端内力大、钢筋配置复杂,若按此节点设需设置多层上下加强环板,供大量受力钢筋焊接使用,并且加强环板面积较大,这样多层加强板和钢筋层层布置(层距很小),将导致混凝土浇筑不密实,影响钢筋混凝土梁节点浇筑质量,并且受力钢筋和加强板难于焊接施工,不能保证施工质量,存在安全隐患。外加强环形节点更适用于小体量、预制梁形结构,对北京南站轨道层桥梁结构不适用。

内加强环式节点也存在类似问题,并且北京南站轨道层桥梁结构梁在节点处有斜向加腋,梁下受力钢筋与钢管内加强环不能轴线对应,因此也不适用于北京南站轨道层桥梁结构。

(2)承重销式和穿心钢板(梁)式节点

承重销式和穿心钢板(梁)式节点采用在钢管柱上开孔,钢板穿心,使钢筋混凝土梁与穿心钢板连接,由穿心钢板传递梁端弯矩和剪力,此节点较适用于大钢管柱、小截面梁的情况。对于北京南站轨道层桥梁结构梁与柱基本同宽,若采用穿心板,基本会使上下钢管截断,不能满足上下结构柱贯通的要求。

(3)钢筋环绕式节点

钢筋环绕式节点适用于梁宽与柱直径接近的情况,从此点说符合北京南站轨道层桥梁结构节点尺寸特点,梁上部的受拉主筋环绕钢管连续通过,钢筋混凝土梁为连续梁,但此种节点依靠梁支座传递竖向力、依靠钢管左右混凝土对钢管的挤压传递部分弯矩。因此此种梁柱节点属于铰接节点,从此意义讲不能满足轨道层结构纵横梁格构体系要求的刚性连接要求,并且由于轨道层结构梁板配筋数量大,梁上部受拉钢筋也不可能环绕钢管柱通过。

(4)双梁式节点

双梁式节点受力特点与钢筋环绕式节点比较类似,依靠梁支座传递竖向力,但由于双梁连续贯通,受力钢筋直通,梁内弯矩由钢筋直接传递,属于铰接节点,不能满足轨道层结构纵横梁格构体系要求的刚性连接要求,并且北京南站轨道层桥梁结构若按此节点设计,必然使轨道层结构节点庞大,长宽约5.0 m左右,这势必带来节点复杂、施工难度大等困难,也对建筑净空及综合管线布置产生影响。

(5)钢筋混凝土环梁式节点

钢筋混凝土环梁式节点受力特点与以上两种基本相似,为增加梁与柱连接的刚度,在节点外设置环梁甚至增设穿心牛腿,以进一步解决梁端弯矩传递问题。但是由于北京南站轨道层桥梁结构梁在节点附件采用斜向加腋,截面尺寸大,因此再在节点区增设钢筋混凝土环梁,使节点尺寸更大,并且节点形式复杂,施工不便。

(6)钢筋贯通式节点

钢筋贯通式节点对开孔的大小、数量、角度都有比较严格的要求,也就限制了钢筋贯通的数量和钢筋布置位置,因此像大体量、配筋数量较大、复杂的结构不能适用。由于轨道层结构受力复杂,梁端内力较大,致使配筋较多,并且梁截面与柱截面相同,因此若采用开孔穿筋,全部钢筋贯通必然大大削减钢管有效面积,不能满足上下结构柱贯通刚度匹配的要求,从而降低节点强度,不利于结构安全。并且轨道层结构每根梁的配筋数量不同,在钢管柱上的开孔数量及个数也就不同,这很大程度上限制了钢管柱及节点(加劲板和加强环板)在钢结构加工厂的制作,若采用现场气割扩孔将难于保证节点质量,造成应力集中,容易产生安全隐患。

对以上多种常见高层和民用建筑钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁连接节点方案论证分析,并基于北京南站轨道层桥梁结构节点的技术特点,以上类型均不能解决北京南站轨道层桥梁结构节点连接问题,并且以上类型均以高层和民用建筑等小体量的建筑结构为研究出发点,像类似北京南站轨道层桥梁结构承受列车疲劳荷载的大截面钢筋混凝土梁均不适用。

3.2 北京南站轨道层桥梁结构节点构造

结合北京南站结构的特点,节点设计时根据以下原则进行节点设计,以保证结构安全、可靠及制作便捷：必须满足强柱、弱梁、节点更强；节点构造与计算力学模型相一致；梁、柱节点传力明确、简洁；节点构造简单,制作方便,便于保证施工质量。

北京南站轨道层桥梁结构节点设计上以梁柱受力、传力途径为基础,借鉴以往钢管混凝土梁柱节点处理方法,结合“型钢混凝土组合结构技术规程”的技术要求,并在此基础上进行创新,即产生在大构件、大截面钢筋混凝土梁内设置钢牛腿的技术方案,以连接钢筋混凝土梁与上、下钢管混凝土柱。

北京南站轨道层桥梁结构梁柱节点设计时,上下柱通过贯通的厚钢板连接,轨道层结构混凝土框架梁和钢管柱通过设置钢牛腿连接。下面以轨道层桥梁结构节点类型中使用最多的节点说明轨道层桥梁结构节点构造。

上下柱方接圆节点对接构造：梁柱节点中间处设置连接厚钢板以避开受力最大点,并且为保证上下柱内力直接、可靠的传递,在连接厚钢板至钢牛腿下翼缘对应的圆钢管内隔板的连接区段内,设置与上柱壁板对应的通高加劲肋。此外,在厚钢板上下均设加劲短肋以加强节点连接强度。在钢管内,对应所有钢牛腿上下翼缘处均设加劲隔板。

钢筋混凝土梁与钢管柱的连接：混凝土框架梁通过设置钢牛腿和钢管柱连接。钢牛腿采用双腹板,上下翼缘与钢管柱等强连接,在翼缘对应位置,钢管柱设内隔板。此外,钢牛腿上翼缘根部加宽并形成环抱钢管柱的外加强环板,以确保梁端弯矩的可靠传递。

钢牛腿内置于钢筋混凝土梁内,为保证梁端节点连接的抗震性能,设计时充分利用梁宽大于矩形钢管柱柱宽的有利条件,部分配筋较大的框架梁按T形截面配筋,如图1所示。

图1 框架梁配筋构造(单位：mm)

通过设置钢牛腿,成功地解决了钢筋混凝土梁和钢管混凝土柱的连接问题,为加强节点连接的可靠性,在钢牛腿和钢管柱节点设置焊钉。使得上部矩形钢管混凝土柱和下部圆钢管混凝土柱的连接强度得到进一步加强,又成功地解决了不同截面形式的钢管混凝土柱的连接问题。考虑到结构承受较大的受力特点,将桥梁用钢Q345q-D引入到建筑结构中。

3.3 梁体钢筋与钢牛腿连接构造[2～5]

(1)当节点上部有钢柱时,节点范围梁纵向受力钢筋与钢牛腿的连接构造为：双方向混凝土框架梁的上下最外两排纵筋设在钢牛腿翼缘外侧,其余设在翼缘内侧。同时,在满足构造要求的前提下(纵筋水平中心距离约为80 mm),梁上部两排纵筋尽量从钢管柱外侧直通。梁上部两排纵筋中不能直通的,以及其他各排纵筋,按下述办法处理：梁上部最外排不能直通的纵筋与钢牛腿搭接,按图2(a)实施；其余纵筋的构造要求,按图2(b)实施。

图2 梁体受力纵筋与钢牛腿连接示意(单位：mm)

当钢牛腿为等截面时,梁下部最外排不能直通且不弯锚的纵筋构造同上部最外排纵筋。此外,当下柱不设外围φ1 800 mm钢管时,梁端下部两排纵筋构造如下：内部钢管范围内的纵筋伸至钢管表面并弯锚15d,其余纵筋中,不能弯折锚入钢牛腿内的,伸至垂直方向钢牛腿腹板表面并加标准钩；当钢筋锚固与内部钢柱和垂直方向钢牛腿不冲突时,锚固构造按一般混凝土梁柱节点构造处理；当节点两侧都有钢牛腿时,两侧的腋下筋贯通设置。

(2)钢牛腿范围内的箍筋间距均为100 mm。翼缘纵向开长圆孔范围内设4肢箍,长圆孔范围外设外围封闭箍；此外,横向翼缘范围外的其余箍筋照常设置,无法做成封闭箍时可采用竖向拉筋。翼缘宽度范围内的箍筋可仅在钢牛腿上下翼缘以外设置,间距按箍筋加密区要求,做法可参考钢牛腿范围内的横向拉筋构造：在两侧分别设置,采用U形构造,外侧开口端勾住纵筋,内侧封闭端延伸至腹板表面。此外,在腹板开孔处,均设φ12 mm贯通拉筋。梁柱节点范围内,柱纵向附加构造筋也参考上述构造设置φ8 mm横向拉筋,横向间距200 mm,竖向间距100 mm。如图3、图4所示。

图3 节点区箍筋加密

图4 上翼缘板开孔

(3)等截面梁段的各排下筋,与梁端腋下筋相互锚固,并使不少于半数钢筋锚入牛腿范围(间隔设置)。

(4)为进一步加强钢筋混凝土梁与钢牛腿的有效连接,在节点范围内的钢牛腿和钢管柱与混凝土的接触面,设置满布的焊钉,以保证混凝土和钢结构的整体性。同时,在钢牛腿上下翼缘、腹板、钢管柱的内隔板、加劲肋上均设置一定数量的混凝土浇筑振捣孔和透气孔,以方便混凝土浇筑,确保混凝土的密实性,并且在翼缘根部设置加强环板、下翼缘开孔围焊纵向钢筋等构造措施,确保节点受力安全及钢筋与钢牛腿有效连接。如图5所示。

3.4 北京南站轨道层桥梁结构节点类型

北京南站轨道层桥梁结构需要设置钢牛腿的节点共计211个,数量较多,并且由于每个节点处钢筋混凝土梁根数和梁截面尺寸、上下结构柱是否贯通、贯通上下柱结构尺寸和截面类型、尺寸等多种因素的影响,都需要根据实际情况分别设计。轨道层结构节点类型多样、形式各异,经设计细化、优化后类型共计37种(不区分平面内梁与梁交汇角度不同情况)。本文仅对上下柱截面尺寸不同节点列举示意。如图6所示。

图5 下翼缘开孔围焊纵向钢筋

由于Ⅱ-1和Ⅱ-3区列车走行区与非列车走行区结构高程不同,采用了结构错层形式,因而在交界处产生多种组合节点,如图7所示。

图6 上下柱截面尺寸不同节点示意(单位：mm)

图7 组合节点

4 节点计算分析

4.1 节点钢牛腿翼缘面积计算公式

根据以上设计方法,节点钢牛腿翼缘需承担由于部分钢筋截断而分配的负弯矩,因此节点钢牛腿翼缘面积计算可简化以下公式

式中n——框梁内允许截断钢筋的根数；

Af——节点钢牛腿翼缘的有效面积；

α1——考虑框架梁有效高度变化的影响系数,对于轨行区轨道层结构α1取1.1,对于弧顶等其他区域α1取1.2；

α2——考虑框架梁钢筋与钢牛腿强度差异的影响系数,对于轨行区轨道层与弧顶,α2均取1.17；

As——框梁内单根钢筋(φ32 mm)面积,为8.04 cm2。

如：上翼缘宽度800+800=1 600 mm,孔宽度150 mm,上翼缘厚度50 mm,Af=72 500 mm2,α1=1.1,α2=1.17,计算得n=71。经与图纸校核,节点钢牛腿上、下翼缘面积均满足要求。

4.2 节点钢牛腿腹板验算公式

根据以上设计思路,节点处竖向剪力完全由节点钢牛腿腹板承担,因此节点钢牛腿腹板验算简化公式为

式中τ——牛腿腹板剪应力；

V——截面作用的剪力值；

Aw——节点钢牛腿腹板的有效面积。

如：剪力最大值V=8 374 kN,腹板高度1 900 mm,腹板厚度40 mm,计算得剪应力τ=55.1 MPa<120 MPa,满足强度要求。

5 结语

北京南站轨道层桥梁结构节点根据北京南站整体结构自身特点,以梁柱受力、传力途径为基础,借鉴以往钢管混凝土梁柱节点处理方法,结合“型钢混凝土组合结构技术规程”的技术要求,并在此基础上进行创新,即产生在大构件、大截面钢筋混凝土梁内设置钢牛腿的技术方案,首次提出了大承载能力型钢混凝土联结过渡方式节点概念。以连接钢筋混凝土梁与上、下钢管混凝土柱,成功解决了大截面钢筋混凝土梁与异形钢管混凝土柱连接问题,为北京南站结构地下结构层、轨道层和9 m高架层有效连接奠定了基础。此类型的节点在国内房屋建筑结构和桥梁结构领域尚未使用。

[1] 韩林海,杨有福.现代钢管混凝土结构技术[M].北京：中国建筑工业出版社,2007.

[2] TB10002.3—2005,铁路桥涵钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土结构设计规范[S].

[3] GB50010—2002，混凝土结构设计规范[S].

[4] TB10002.2—2005，铁路桥梁钢结构设计规范[S].

[5] GB 50017—2003，钢结构设计规范[S].