型钢混凝土组合结构梁柱节点连接构造分析与深化设计

谢博博

【摘要】随着国民经济的发展，对工程建设也提出了新结构体系的要求，型钢混凝土组合结构就是其中之一。这种结构具有较大的延性，抗震性能增强，且易于施工。节点是连接梁、柱的关键部位，从强调“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”的抗震设计原则也应看出节点构造的重要性。本文就结合工程实例，对型钢混凝土组合结构梁柱节点连接形式与构造进行深入探析。

【关键词】型钢混凝土组合结构；梁柱节点；构造；深化设计

一、型钢混凝土组合结构的特点

型钢混凝土结构是以型钢周围配置钢筋和浇筑钢筋混凝土的埋入式组合结构体系，这种结构体系在日本称之为钢骨混凝土结构（Steel Reinforced Concrete）。在英、美等西方国家称之为混凝土包钢结构（Steel Encased Concrete），在前苏联则称之为劲性钢筋混凝土结构。

由于型钢混凝土结构中的型钢与其外包混凝土结构共同工作，两类材料的强度都能得到充分利用。与钢筋混凝土结构相比，由于内埋了型钢而使结构承载力大为提高，且具有较大的延性，抗震性能好；此外，型钢在施工阶段可做为支架结构。与钢结构相比由于外包混凝土的约束，可以防止钢构件的局部失稳并提高构件的整体刚度，从而使钢材的强度得以充分利用，节省钢材；外包混凝土还能提高钢构件的耐火性和耐久性。由于型钢混凝土结构具有许多优点，因而在许多国家得到了广泛应用。

型钢混凝土结构中的型钢除采用轧制钢外，还广泛采用焊接型钢，此外还配合使用钢筋和钢箍。型钢混凝土梁和柱是最基本的构件，型钢的布置形式可以分为实腹式和空腹式两大类。实腹式型钢可由型钢或钢板焊成，常用的截面型式有I、H、工、T、槽形等和矩形及圆形钢管。空腹式构件的型钢一般由缀板或缀条连接角钢或槽钢而组成，材料比较节省但制作工序较多。实验表明配置实腹式型钢的型钢混凝土柱具有良好的延性性能和耗能能力，适用于抗震设防区。

二、梁柱节点的连接形式与构造

框架梁柱节点为梁和柱的重叠区域，是保证结构承载力和刚度的重要部位。型钢混凝土组合结构中的梁柱连接有型钢混凝土柱与型钢混凝土梁的连接、型钢混凝土柱与钢筋混凝土梁的连接以及型钢混凝土柱与钢梁的连接。

梁柱节点的连接构造应做到构造简单，传力明确，便于混凝土的浇捣和配筋。例如型钢混凝土梁柱节点部位型钢和钢筋纵横交错，除了应能保证梁端型钢部分的应力可靠地传递到柱型钢外，同时还要便于浇筑混凝土，以保证节点区混凝土的密实性。

型钢混凝土柱与型钢混凝土梁、钢筋混凝土梁或钢梁的连接节点中，柱内型钢宜贯通。柱内型钢的拼接构造应满足《钢结构设计规范》的规定。为了保证梁端内力更好地传递，还应沿高度方向，在型钢柱对应于型钢梁的上、下翼缘处或钢筋混凝土梁的上、下边缘处设置水平加劲肋。加劲肋形式宜便于混凝土浇筑，水平加劲肋应与梁端型钢翼缘等厚，且其厚度不宜小于12mm。

图1为型钢混凝土柱与型钢混凝土梁节点连接内柱贯通的几种形式。

图1 节点部位型钢的连接形式

型钢混凝土柱与钢筋混凝土梁或型钢混凝土梁的连接节点应采用刚性连接构造。梁的纵向钢筋应伸入柱节点，且应满足钢筋锚固要求。柱与各类梁的连接构造中，柱内型钢截面形式和纵向钢筋的配置应便于梁内纵向钢筋贯穿节点，尽可能减少纵向钢筋穿过柱型钢的数量，且不宜穿过型钢翼缘，因为在有梁约束的节点区，柱型钢的抗剪承载能力较大。此外梁纵向钢筋也不应与柱内型钢直接焊接连接（图2）。当必须在柱内型钢腹板上预留穿孔时，型钢腹板截面损失率宜小于腹板面积的25%。当必须在柱内型钢翼缘上预留穿孔时，宜按柱端最不利组合的内力M及N验算预留孔的承载力。若不满足，应予补强。

图2 型钢混凝土梁柱节点的穿筋构造

也可采用在柱型鋼上设置工字钢牛腿供梁柱连接。从实验中发现，在钢牛腿末端位置处，由于截面承载力和刚度的突变，很容易发生混凝土挤压破坏，为改善此处的受力，钢牛腿的翼缘应设计成变截面。采用钢牛腿，其高度不宜小于0.7h（h为梁高），梁纵向钢筋中的一部分钢筋可与钢牛腿搭接或焊接（图3），搭接长度应满足钢筋内力传递要求。当采用搭接时，钢牛腿上、下翼缘应设置两排栓钉，间距不应小于100mm。从梁端至牛腿端部以外1.5倍梁高范围内，箍筋应予加密，满足《混凝土结构设计规范》关于梁端加密区的要求。

图3 梁纵向钢筋与钢牛腿的连接

型钢混凝土柱与型钢混凝土梁或钢梁连接时，柱内型钢与梁内型钢或钢梁的连接也应采用刚性连接。为保证节点内力的传递，梁内型钢翼缘与柱内型钢翼缘应采用全熔透焊缝连接，梁腹板与柱宜采用摩擦型高强度螺栓连接，悬臂梁段与柱应采用全焊接连接。连接构造均应符合《钢结构设计规范》及《高层民用建筑钢结构技术规程》的要求（图4）。

图4 型钢混凝土节点内型钢梁与柱的连接

三、工程案例

成都某银行大厦总建筑面积164，681平方米，其中地面以下为3层，地面以上22层。本建筑地上部分结构，是由南北方向长约100米、东西方向宽约23.5米、地上高度约100米的二栋高层建筑，通过在南北二侧的2～5层的钢框架结构连廊和20～顶层的最大跨距67.2米的大型桁架连接体相连，从而构成“回”字型空间连体结构。主体结构体系为型钢混凝土框架—剪力墙（支撑）结构。本工程属于超限高层建筑，为满足C级结构抗震性能目标，采用了大量型钢混凝土构件。

该工程型钢混凝土柱中的型钢截面主要采用H型轧制型钢、箱型焊接型钢、圆形钢管。与型钢混凝土柱相连的框架梁又采用了钢梁、钢筋混凝土梁、型钢混凝土梁。因梁、柱构件形式的多样性，导致框架梁柱连接节点种类繁多，且梁柱节点部位梁、柱型钢截面尺寸大，梁、柱纵筋根数较多，给设计和施工都带来一定程度的困难。因此在施工图设计中，需对每个梁柱节点进行深化设计，来得到最合理的框架节点连接形式及构造，以提高梁柱节点的承载力和变形能力。现从本工程众多梁柱节点中选择几种典型、具有代表性的节点大样列举如下，同时将施工图中节点设计的整体思路及设计成果进行相应介绍：

1.梁柱节点连接构造大样①

节点①中（图5），型钢柱截面尺寸为1200×1200mm，内配圆钢管（Φ-800×50mm），框架柱四个方向均有钢筋混凝土梁与之连接。首先根据与柱周边相交梁截面尺寸，对梁、柱纵筋根数、钢筋直径及排布规则进行优化（我们在梁配筋设计中，限制了梁纵向受拉钢筋不宜超过二排，且每排根数不宜超过四根，尽量选择大直径钢筋，以减少伸入柱节点锚固的梁纵筋的根数）。该节点中梁最外侧两根纵筋可绕过型钢伸入柱节点锚固；中间两根纵筋采用套筒连接，连接套筒按梁内钢筋截面尺寸选用，工厂焊接在柱型钢上，套筒与型钢柱内型钢焊接的连接焊缝应与所连接的梁内钢筋等强；柱型钢内套筒水平位置处应设置加劲肋。同时为保证混凝土的浇筑质量，在梁柱节点处的水平加劲肋或隔板上应预留透气孔。当柱型钢截面较大，特别是箱型混凝土柱的水平隔板，应预留混凝土浇筑孔，孔径不小于200mm。

图5 梁柱节点连接构造大样①

1—梁纵筋；2—钢筋混凝土梁；3—透气孔；4—隔板；5—连接套筒；6—混凝土澆筑孔

2.梁柱节点连接构造大样②

节点②中（图6），型钢柱截面尺寸为1000×800mm，内配H形轧制型钢（H600×200×16×22），其中三个方向与钢筋混凝土梁连接，一个方向与钢梁连接。设计中节点区Y方向梁纵筋可尽量绕过型钢贯通，或穿过型钢腹板贯通，钢筋穿孔位置在施工图中放样确定，工厂加工；X方向钢筋混凝土梁纵筋，根据梁宽度600mm ，以及梁纵筋的排布，梁纵筋可以弯折避开柱内型钢，在节点区锚固；钢梁与柱内型钢采用刚性连接，对应于钢梁的上下翼缘处应设置水平加劲肋。

图6 梁柱节点连接构造大样②

1—梁纵筋；2—钢筋混凝土梁；3—钢梁；4—水平加劲肋；5—梁纵筋穿型钢腹板

3.梁柱节点连接构造大样③

节点③中（图7），型钢柱截面尺寸为900×900mm，内配箱形焊接型钢（口600×600×22×22），框架柱四个方向均有钢筋混凝土梁与之连接。考虑到柱内型钢为箱型截面，梁纵筋如直接穿过型钢腹板，柱型钢腹板截面损失率较大，影响框架节点柱型钢的受剪承载力，因此采用套筒连接或钢牛腿连接。其中工字钢牛腿应根据节点连接的不同情况选择合适的截面尺寸，尽量减少钢牛腿末端位置截面承载力和刚度的突变。例如Y向500mm宽梁齐柱右边，四根钢筋中不能贯穿节点区的三根钢筋，最外侧钢筋采用套筒连接，中间两根采用钢牛腿连接，以减小钢牛腿截面尺寸。

图7 梁柱节点连接构造大样③

1—梁纵筋；2—钢筋混凝土梁；3—钢牛腿；4—连接套筒；5—双面焊于钢牛腿上，焊缝长度≥5d

4.梁柱节点连接构造大样④

节点④中（图8），型钢柱截面尺寸为直径1400mm圆柱，内配箱形焊接型钢（口900×600×50×50），框架柱在三个方向上分别与型钢混凝土梁、钢筋混凝土梁、钢梁连接。梁纵筋连接可采用套筒连接或钢牛腿连接（图）；型钢混凝土柱中型钢与梁内型钢、钢梁的连接采用刚性连接。要注意一点，一般柱纵筋应贯通节点，但型钢梁、钢梁腹板位置处的柱纵筋，应与型钢梁、钢梁翼缘采用套筒连接，套筒焊与型钢梁或钢梁上。

图8 梁柱节点连接构造大样④

1—钢梁；2—梁纵筋连接套筒；3—柱纵筋连接套筒；4—钢筋混凝土梁；5—梁纵筋；6—钢牛腿；7—双面焊于钢牛腿上，焊缝长度≥5d；8—型钢混凝土梁

四、结束语

在型钢混凝土组合结构的设计分析中，一个关键问题就是节点设计。节点传递梁、柱内力，因此要保证结构正常工作，就必须保证节点工作的安全可靠。因此在工程施工图设计阶段对梁柱节点进行深化设计，确保节点构造合理、传力明确，是非常重要的。

参考文献

[1] 赵世春.型钢混凝土组合结构计算原理.成都：西南交通大学出版社，2004.2.

[2] 林宗凡.钢-混凝土组合结构.上海：同济大学出版社.2004.2.

[3] 中华人民共和国行业标准.型钢混凝土组合结构技术规程.北京：中国建筑工业出版社2002.