混凝土梁与钢骨柱连接节点研究

2020-03-12马智英

工程技术研究 2020年4期

马智英

（建研航规北工（北京）工程咨询有限公司，北京 100013）

对于钢结构工程而言，混凝土地下室的刚度较大，地下室的顶板可以作为上部钢结构的嵌固端，这样，钢结构的柱子只需深入到地下一层，并且采用铰接的方式固定在地下一层的底板上。在这点上，设计和施工都不会存在太大的问题。问题的难点在于地下室顶板的梁与地下室柱的连接。钢柱伸入到地下一层的混凝土柱中，实际上成为钢骨混凝土柱，钢骨的存在，给框架的节点的设计与施工带来不少的麻烦。钢骨混凝土的相关图集《型钢混凝土组合结构构造》（04SG523）推荐了两种较好的做法，其中一种做法用得较多，以下对此进行简单说明，并提出一些个人建议。

1 钢骨混凝土的梁柱节点的常用做法

图集中的第一种做法是采用在劲性钢骨表面焊钢套筒的方式。钢套筒有内螺纹，现场施工时把钢筋的端部套扣并拧入钢套筒。钢套筒与劲性柱的焊缝强度不小于与该钢套筒连接的钢筋的强度。该做法的优点是连接整洁，操作也比较简单，是我们推荐的做法。但是在和几家施工单位合作中发现他们都不愿意采用该方案，因为钢套管的成本较高，钢筋两端拧入钢套筒的操作难度较大，速度也比较慢。

图集中第二种做法是采用牛腿的方式。其中还有搭接和焊接两种方式。

采用搭接的方法时，牛腿实际为一个与柱内钢骨等强焊接的一个悬臂短梁。短梁的高度可取框架梁高的0.8倍，长度不小于2倍的框架梁高及梁的钢筋的搭接长度二者的较大值。短梁的上、下翼缘需要焊抗剪栓钉，栓钉的直径通常为19mm，间距不得大于200mm，栓钉到翼缘边缘的距离应小于50mm。牛腿短梁抗拉强度应和相应的钢筋的强度相当，这样，在节点处钢筋搭接的范围内，钢筋的应力通过钢筋与牛腿短梁之间的混凝土传递到牛腿短梁，进而传到劲性柱上。该方案在施工现场简单易行，但是牛腿短梁较长，且需在加工厂预先采用等强焊接的方式与劲性柱焊接完成，所以在运输上有些不便。

采用焊接的方法时，牛腿短梁比采用搭接的方法要小得多。框架梁内的钢筋焊在牛腿短梁的上下翼缘，焊缝的长度单面焊时为10d，双面焊时为5d，牛腿短梁的长度也就可以根据这个原则确定。该方案运输较为方便，但是当梁内配筋较多需要布置满两排钢筋时，现场施工会遇到不便之处。由于钢骨柱的钢骨的保护层的厚度不得小于200mm，所以第二排钢筋的边缘钢筋可以直接贯通钢骨混凝土柱，但是中部的几个钢筋就必须与牛腿短梁的翼缘焊接。由于第一排钢筋已经和翼缘焊接了，所以第二排钢筋只能与翼缘的另一侧焊接，势必有些钢筋在现场时需要仰焊。为了避免仰焊，我们曾经建议在加工厂就在牛腿短梁上焊上短钢筋，现场只需进行钢筋的搭接就可以了。但是，施工单位的钢结构加工与钢筋加工为两个分包单位，在实际操作中会遇到分工不便的问题。

对此，笔者提出了另一种变通的焊接方案。牛腿短梁做成变截面的形式。但是在根部牛腿短梁翼缘截面应该大一些，它的强度等于两排钢筋的强度。在上排钢筋焊接长度的末端开始按1∶3变截面，截面降至与第二排钢筋相应的高度，第二排钢筋仍然焊在翼缘的上表面，保持俯焊。这样，在框架梁端部缺少第二排钢筋的长度范围内，缺少的钢筋有牛腿的翼缘补偿。该做法牛腿短梁虽然比焊接的方法略长，但远小于搭接的方法，且避免了仰焊，是我们在实践中探索出来的一种创新的方案。

2 钢骨混凝土的设计中的注意事项

（1）框架梁中的钢筋不得直接焊在钢骨柱的翼缘上，并且钢骨柱的翼缘不得开孔，即钢筋不得穿过翼缘。钢骨柱的腹板可以开孔，但是开孔率应小于腹板面积的20%。

（2）如果框架梁也有钢骨，或者框架梁的牛腿短梁的长度超出框架柱的截面范围，就需要设计人员认真排布梁和柱的主筋，并且在钢骨梁或牛腿短柱的翼缘上开孔，以便框架柱的主筋通过。由此可见，钢骨混凝土的设计要比单纯的混凝土框架结构的设计繁琐得多。

近年来我们设计的钢结构和钢骨混凝土结构较多并且积累了一定的经验，下面以某个大型钢骨混凝土结构为例对钢骨混凝土结构的设计要点进行论述。

3 某大型型钢混凝土结构工程的概况

某建筑在结构上的总体特点是具有大跨度、大空间的混凝土结构，建筑的外围框架柱沿9°的角度向上收进直至屋顶。首层的层高为9m，净高必须高于7m，框架柱的截面尺寸大部分限制在1100mm以内。2～6层的层高为4m，净高不得小于3.1m，框架柱的截面尺寸不得超出800mm。首层、第2层为汽车研发用的实验区，所以包含了各种较大的荷载和较重设备，其中首层有6台10～20t的桥式起重机和若干台3～5t的悬挂起重机；第2层布置了各种汽车检测设备。楼面设计荷载的标准值为4kN/m2。首层空间较大，框架的最大跨度达到30m，并且为上部结构的转换梁，承托上部4层的荷载，但最大梁高限制在2m以内。第2层框架的最大跨度为15m，梁高限制在0.9m以内。3～6层为办公区，但由于建筑造型和使用空间的要求，3～6层层层缩进，在缩进的过程中不断地变化结构的布局，形成很多局部抽柱的格局，从而许多地方的跨度甚至达到20m，但梁高限制始终不得超过0.9m。尤其在第5层时，建筑缩进为由一个跨度为55m的连廊连接起来两个独立的部分。该建筑的场地土的室外自然地坪比土0.000要低3～4m，这也给设计工作增加了不少难度。

由以上的描述可以得出该工程的结构设计有以下几点注意事项：

（1）大跨度转换结构，同时梁高受到限制，采用普通混凝土结构无法满足要求，所以采用了钢骨混凝土加预应力的措施解决大跨度转换梁的承载力和变形的问题。柱截面也有尺寸的限制，所以大跨度框架柱也采用钢骨混凝土柱的方式。钢骨混凝土结构的主要设计构造前面已经做了论述，这里说一下采用预应力的问题。30m的转换结构，梁高仅有2m，或15～20m的框架梁，梁高仅为0.9m。采用钢骨后虽然可以解决承载力的问题，但是挠度和裂缝仍然无法控制，最终我们采用了二级预应力的方法控制大跨度梁的变形问题。之所以采用二级预应力是因为强度已经由钢骨解决了，只需控制裂缝就可以了，这样有利于减少配筋及方便施工。钢骨混凝土结构设计另一个需要强度的重点是，不论柱或梁，在由钢骨混凝土向普通混凝土转换的层或跨均需设过渡层或过渡跨。如下层是钢骨混凝土柱，上层为普通混凝土柱，第一个无需钢骨的楼层应为过渡层，过渡层内的钢骨按构造配置，同时设抗剪栓钉，栓钉的间距不得大于200mm，栓钉的边距不得大于100mm。又如，与钢骨梁相邻的第一跨非钢骨梁，必须在有钢骨深入该跨1/4跨度，并且在由支座到钢骨截断处以外的2倍梁高范围内均应箍筋加密，同时钢骨上还要设置栓钉。

（2）外围框架柱均沿9°向上倾斜，所以在柱底会产生水平拉力。与之相连的框架梁的配筋就必须考虑拉力的影响，梁的上铁钢筋需要大部分贯通，箍筋沿全长加密。

（3）首层层高大而抽柱较多，在计算中发现首层的层间位移达到了1/430，远远达不到规范的要求。针对该问题我们在首层的楼梯间两侧设置了部分剪力墙，这些剪力墙仅仅用来减少层间位移，并不参与抵抗结构的水平力，所以该剪力墙的抗震等级可以仅按三级设计。这就要求框架的配筋不考虑剪力墙的影响，或取带剪力墙与不带剪力墙两种计算结构的较大值。

（4）在第5层，连接的两个部分的大跨桥采用空腹桁架结构。采用空腹桁架结构的原因是建筑对桥的造型有要求，不容许出现斜腹杆。空腹桁架的高度是结构层的整层高度，要求在空腹桁架部位两侧的板、梁同时施工，否则会使空腹桁架的上弦和竖杆以及上层楼层的荷载作为外荷载全部加到空腹桁架的下弦杆上，最终结构的实际受力状态与设计的假定模式不符从而会导致工程事故的发生。

（5）该建筑采用条形基础，基础的底标高为-6.500m。由于没有地下室，由基础到土0.000之间按照框架进行设计而没有采用传统的基础短柱的方案。之所以这样做是由以下几个原因决定的：①室外自然地坪与土0.000的高差多达3～4m，根据地勘，持力层基本在-6.5m。②建筑设计院设计的民用部分有一层地下室和地下车库。整个建筑的上部虽然由伸缩缝划分为7个部分，但是地下部分很难完全分开，为保证地下部分的整体性，我们设计的部分也采用整体基础。所以首先排除了独立基础的方案。但是若采用筏板基础，在筏板整个筏板上需要回填厚的填土并夯实，筏板基础仅在这些土重的条件下就已经把天然持力层的承载力用尽了，在考虑上部结构的传至基础的力，地基需要处理到非常高的强度，这几乎不可行。采用桩基方案会大大增加了施工的费用。经过反复斟酌，最终选用了条形基础的方案，圆满地解决了上述的两个问题。③我们设计的部分虽然没有地下室，但是局部有非常深的设备基坑，这些设备基坑的外围尺寸往往沿着框架柱的轴线，如果采用基础短柱的方案，会因为短柱的尺寸较大而挤掉了很多基坑的使用空间，这是工艺绝对不准许的。④当地下部分采用框架设计时需要确定结构底部的嵌固的位置。这个工程由于只有局部地下室，可以直接判断出地下一层的刚度不会大于首层刚度的2倍，嵌固端不会在土0.000。但是我们的判断还是应该基于整体计算的结果。⑤处理后的地基承载力为300kPa，相应基床反力系数应不小于50000，并且采用考虑上部刚度的方法进行计算，这样能够减少一些基础配筋。