浅谈钢梁柱--外加强环板节点

徐松波，张成领，陈龙

浅谈钢梁柱
--外加强环板节点

Discussion on the Steel Beams-Outside Reinforcement Ring Plate Nodes

徐松波11，张成领22，陈龙11

1 引言

近年来，由于新型干法水泥生产线规模的不断增大，主要建筑物预热器窑尾塔架的层高也不断增加——单系列5000t/d熟料规模生产线的框架顶层楼面已达125m之高。该结构通常平面尺寸较小、高度较大，底部几层单根梁柱的内力大，钢管混凝土柱和钢结构梁因其特有的性能优势而被广泛采用。然而顶部几层梁柱的内力相对较小，但为了保持柱的连续性，通常上部楼层仍然采用钢管结构，取消内灌混凝土，即为钢管柱。

自下而上所有的梁柱节点通常都采用外加强环板的刚性连接。设计时容易忽略钢梁与这两种不同类型柱的连接节点的差异，而简单地按同一种连接节点考虑，未能正确地考虑外加强环板宽度的差别而造成潜在的设计风险。

钢管混凝土柱-钢梁的梁柱节点设计在现阶段主要依据规程CECS 28:2012。钢框架主梁与钢管混凝土柱为刚性节点，采用最多的是外加强环板的节点连接方式。

钢管-钢梁的外加强环板的节点连接主要参照《图集多、高层民用建筑钢结构节点构造详图》（01SG519），其计算可对照日本AIJ的规范。

2 外加强环板的形式和特点

2.1 外加强环板的形式

钢管混凝土柱或钢管柱在梁的上下翼缘位置设置上下加强环，与梁相连后，传递梁端弯矩。同时在上下环板之间焊一竖板，以传递梁端剪力[1]。上下环板采用全熔透焊缝与钢管柱焊接的腹板连接。

加强环板有多种形式，这里仅讨论在窑尾塔架中应用最多的弧形加强环，如图1所示。此类型的加强环板，外形曲线光滑，无明显应力集中点。制作时应采用机器切割，外形应平整光滑，无裂纹、刻痕。

2.2 外加强环板的特点

根据现有实验研究成果和工程实践经验，梁柱刚性节点采用外加强环形式安全可靠，便于混凝土浇灌施工，同时加强环能和管柱共同工作，能可靠地将梁的内力传给柱肢，而且由于加强环的存在，管壁受力均匀，可防止局部应力集中，改善节点受力性能，也可增强节点和构件在水平方向的刚性[2]，即传力明确，节点区应力分布比较均匀，刚度大，塑性性能好，承载力高。

柱头部分可以在工厂加工制作，将梁端连同加强环板与管柱段一起加工焊好，形成小段的钢梁。现场施工时，只需将二者等强焊接即可，非常方便。

3 外加强环板的设计计算

加强环板的设计计算，应满足以下两个条件：（1）梁端等强过渡并符合构造要求；（2）环板的设计承载力安全、可靠。环板的承载力受最大应力断面控制，对于第Ⅳ型弧形环板，当单向受拉时，最大应力是与力成30°角环板外缘的环向应力；当双向受拉时，由于应力的叠加，在与力方向成45°断面最小处的外缘环向拉应力最大，首先屈服[2]。以下为目前普遍采用的计算方法：

3.1 外加强环板宽度bs和厚度t1的计算（见图1）

Discussion on the

图1 钢管混凝土柱/钢管柱Ⅳ型加强环板

连接钢梁的环板宽度bs一般与梁翼缘等宽，以便于相互连接。

连接钢梁的环板厚度t1，按钢梁翼缘板的轴心拉力确定。

3.2 外加强环板控制截面宽度b的计算

3.2.1 钢管混凝土柱-钢梁，列出的计算方法[1][2]

式中：

D——圆钢管直径

t——柱肢钢管壁厚度

f——柱肢钢材强度设计值。

3.2.2 钢管柱-钢梁外加强环板连接节点

按日本《钢管构造设计施工指针同解说》[4]的方法计算

β——加强环同时受垂直双向拉力的比值，当单向受拉时，β=0

Nχ，maχ——χ方向由最不利效应组合产生的最大拉力

Ny——y方向与同时作用的拉力

f1——加强环板钢材抗拉强度设计值

be——柱肢管壁参与加强环工作的有效宽度。be=

式中:

Pa——梁翼缘的轴向容许力

F2——钢管的容许应力

其他符号同2.2.1条。

3.3 外加强环板的构造要求

（1）0.25≤bs/D≤0.75;

（2）0.1≤b/D≤0.35，b/t1≤10。

（3）此外，在《钢管混凝土结构设计与施工规程》（CE⁃CS 28:2012）中第6.4.1条有“外加强环的厚度不应小于钢梁翼缘的厚度，宽度b不应小于钢梁翼缘宽度的0.7倍”的要求，即b≥0.7bs。在国家标准图集《多、高层民用建筑钢结构节点构造详图》（01SG519）中也有相同的规定。

3.4 算例

计算条件：某钢管混凝土柱，钢管外直径（D）为850mm，壁厚（t）为20mm，钢管材质为Q345钢，内灌C40混凝土，柱肢钢管强度设计值（f）为295N/mm2，梁翼缘宽度（bs）为400mm，翼缘钢材强度设计值（f）为295N/mm2，轴向拉力N=2000kN。若钢管混凝土柱改为钢管柱，则再确定外环板宽度。

（1）假定拉力最大值Nmaχ=2000kN

（2）构造检验

①bs/D=400/850=0.47⊂[0.25，0.75]，满足要求

②b/D=250/850=0.294⊂[0.1，0.35]，满足要求

b/t1=250/18=13.9>10，不满足b/t1≤10的要求，即局部稳定不满足要求[5]，因此需要沿管柱圆周均匀设置加劲肋，达到满足局部稳定的计算要求，保证翼缘的局部稳定。

③0.7bs=0.7×400=280mm>b=250mm，不满足b≥0.7bs。此处值得商榷，初步认为此条是针对空腹钢管连接节点的规定，而此条规定的实际依据有待进一步考察。

（3）若钢梁与钢管柱连接，此时的外环板宽度按日本《钢管构造设计施工指针同解说》式（3）计算得b不宜小于304.56mm，与按上法求得的最低要求212mm相差43.66%。

即使认为（2）-③和（3）两者的适用条件都是钢梁对空腹钢管的连接要求，280mm和304.56mm的最低宽度要求也相差8.77%。因此按“最小宽度不小于梁宽的0.7倍”来决定环板宽度，存在着一定的隐患，值得注意。

4 结语

从以上对比计算可知钢管内是否灌注混凝土，对于外环板的宽度影响较大。因此，对于底部几层灌混凝土，而顶部几层因荷载较轻而设成钢管柱的窑尾塔架之类的结构，应该引起重视，需要重新复核、验算节点，而不能简单地直接使用钢管混凝土柱与钢梁连接的节点。

“b/t1≤10”的构造要求，应该是钢结构规范GB50017[5]中4.3.8条梁受压翼缘自由外伸宽度b与其厚度t1之比的限制要求，应该是非强制性的。只要采取措施保证外加强环板的局部稳定，此条构造要求在实际应用中应该可以放宽。

“环带的最小宽度b不小于0.7bs”的规定也不可简单地直接套用，这应该和梁、柱的比例及尺寸有关。实际工程中考虑楼板作用与否似乎也有影响。对于荷载较大的连接节点，还须采用有限元等其他方法进行计算、检查、验算，以保证节点的安全、牢固、可靠。

[1]钟善桐，高层钢管混凝土结构[M].哈尔滨:黑龙江科学技术出版社.1999.1

[2]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.2004.12

[3]CECS 28:2012.钢管混凝土结构技术规程[S].北京:中国计划出版社.2012

[4]AIJ-CFT（1997年版）.Recommendations for Design and Construc⁃tion of Concrete Filled Steel Tubular Structures[S].Architectural Insti⁃tute of Japan（AIJ），Tokyo，Japan.1997

[5]GB50017-2003.钢结构设计规范[S].北京:中国计划出版社.2003

[6]JGJ 3-2010.高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社.2010■

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2014-03-26；编辑：赵莲