钢管斜柱箱梁节点在斜撑天蓬的设计应用

刘 兵

（广东省城乡规划设计研究院 广州510290）

0 引言

广东省惠州市博罗县某建筑为博罗县政府便民服务标志性节点工程，位于6度抗震设防区，基本风压为0.5 kPa；于2013年底建成并投入使用，其中中介服务大楼的入口景观大天蓬为整个中心标志性景观：水平投影面积超过600 m2的斜撑天蓬。3个斜柱支座节点间的距离最小跨度18 m，最大25 m，且檐口从斜柱顶部外飘最大接近6 m。天蓬盖视觉上的超薄刀锋效果是建筑师的坚持（见图1），但同时也给结构设计带来了挑战。

1 结构方案的选择

建筑师要求结构控制厚度不超过900 mm，跨度18～25 m，决定天蓬结构只能采用斜柱加实腹梁式钢构件受力体系，考虑檐口外飘最大接近6 m，实腹梁将承受显著扭矩作用，这就要求实腹钢构截面需要有足够的抗扭刚度。最后结构方案确定采用具有较大抗扭刚度的焊接箱型截面主梁加普通热轧工字钢次梁（见图2）。经初步建模计算，平面主受力钢构件采用500 mm×900 mm焊接钢箱梁，壁板厚度25 mm，3条支撑斜柱采用直径600 mm钢管，管壁厚度为18 mm（见图3）。

图1 大天蓬实际建成效果Fig.1 Actural Perspecitive of Canopy

2 关键节点的设计思考

2.1 斜钢管柱与钢箱梁节点

图2 大天蓬结构布置Fig.2 Structive Plan of Canopy

图3 钢箱梁施工现场Fig.3 Construction Site of Stell Box Girder

确定结构方案后，考虑到由于箱梁承受较大扭矩，梁柱节点必须是可靠刚性连接的设计。与以往研究的钢管混凝土柱-型钢梁正交节点［1-7］、钢管混凝土柱-钢桁架节点［8］、钢管柱与倾斜钢箱梁节点［9］相比，前者刚性连接节点成熟可靠并广泛应用于各类高层建筑结构的钢管柱节点，后者应用较少，但由于钢管柱垂直地面仅梁系与地面有倾角，因此桁架平面与柱轴线共面，或是梁截面沿梁轴线投影可完整位于钢管柱身范围，柱梁节点也相对易于处理。本案特殊之处在于钢管柱与地面呈60°倾角，箱梁截面沿梁轴线投影有部分落于柱身范围以外，这种斜钢管柱与钢箱梁的刚性连接构造节点尚无实际应用案例可参考。

另外天蓬施工吊装高度超过18 m，最大长度约25 m的钢箱梁构件自重超过13 t，一般工厂加工后需对半分成2截运至现场拼接再吊装，钢管斜柱施工时的稳定由临时格构支撑加固，箱梁与斜柱连接节点若能兼做箱梁吊装就位及现场拼接作业的临时支撑，将极大减少钢构安装过程对高支模的设计施工要求，对施工带来极大便利性。

节点的刚性连接及兼做钢箱梁的临时支托的要求，综合考虑设计了一种穿心肋托板套合环形钢板的新型节点，能很好地满足钢管斜柱与箱梁的刚性连接要求及兼做箱梁施工临时支托（见图4、图5）。

2.2 钢箱梁与钢筋混凝土主体结构的连接

钢构部分主受力焊接钢箱梁与混凝土结构的连接构造为另一个设计关键。通常钢构与混凝土结构的连接可根据设计需要采用刚接或是铰接，如图6所示：刚性连接对施工精度工艺控制要求高，钢构在混凝土结构中的预埋段容易在吊装定位和混凝土浇筑振捣过程出现位置偏差，一旦混凝土浇筑定型偏差将给结构调整带来很大困难；同时还要求混凝土主体结构与钢构施工协调同步，而通常由于需要专项招投标、钢构专业公司二次深化设计、工厂下料加工等一系列必须的建造过程，大多数附属钢结构与相连混凝土主体的建造施工实际难以同步，通常是预先设置简单钢构件预埋以便后期与钢附属结构连接。

图4 钢管斜柱箱梁节点大样设计Fig.4 Detail Design of Stell Tube Inclined Column Box Girder Joints

图5 钢管斜柱箱梁节点现场拼装Fig.5 Field Assembly of Stell Tube Inclined Column Box Girder Joints

图6 钢构梁与混凝土结构常用连接Fig.6 Common Connection Between Stell Box Girder and Concrete Structure

铰接连接方式，主体混凝土部分不须考虑与连接的钢构部分协调同步施工，预埋件可按铰接杆端计算反力设计，预埋钢板及锚固连接简单易于施工，且后期与钢构部分的连接对于预埋件定位偏差易于设计调整。

经计算分析钢梁与混凝土连接支座按铰接考虑，最大竖向弹性挠度变形接近规范允许最大限值L/400，若天蓬檐口侧面铝扣板按石材考虑竖向最大弹性变形略超限制，综合考虑各因素，采用半刚性接连接方式设计钢箱梁与主体混凝土结构的连接构造（见图7）。对于常用的竖向焊缝T型半刚性连接，实际上除沿焊缝长度纵向剪力分布外，尚不可避免存在垂直焊缝长度分布的横向应力，对于连接大跨度且截面刚度大的钢构，极易在焊缝高点（A）最大横向应力的弯剪应力集中点首先开裂破坏，在此工程简单采用竖向焊缝的T型半刚性连接将是不安全的。设计中采用支座反力（杆端最大剪力）全部由牛腿承担，确保不会因焊缝剪切脆性破坏导致天蓬结构塌落，同时除在箱梁两侧钢板与预埋钢板竖向焊缝T型连接外，另每侧增设3片水平焊缝的T型连接加强肋板（20 mm厚），将大幅增大焊缝最大应力区的连接面积，显著减小连接焊缝的应力集中。

3 结语

图7 钢箱梁与混凝土结构连接支座Fig.7 Connection Support Between Stell Box Girder and Concrete Structure

本工程钢管斜柱与钢箱梁的节点处理，虽然设计是按刚接考虑，但和常见钢管柱与钢梁垂直正交的刚性节点受力性能还是会有明显差异。垂直正交节点环形传力钢板有条件直接设在钢管柱上，传力相对更直接，大量的试验及ABAQUS有限元分析均验证了钢管柱-钢梁内隔板式节点［10］能保证梁先于节点屈曲，有着可靠的抗震性能；而本工程斜钢管柱倾斜角太大导致梁截面沿梁轴投影不能全落在斜柱上，只能在钢管斜柱上垂直另外插入一小钢管为环形钢板刚性节点创造条件，因此节点核心区小钢管相比钢管柱存在刚度突变的不利因素，考虑到工程设防烈度为6度，大天蓬钢构自重较轻，风荷载组合才是此类钢结构的控制工况，并没有进一步做有限元节点受力计算分析或是载荷试验研究，若是应用在高烈度区的重要工程上尚应做更多的补充研究，以明确节点的抗震破坏机制及受力变形特性。

工程位于珠三角台风多发区域，2013年底竣工至今先后经历“山竹”和“天鸽”等数次超强台风的考验，至今大天蓬石材及铝扣板饰面均完好如初，说明此天蓬的次级受力体系的钢结构檩条系统的设计是可靠的，也同样印证了主钢骨架受力体系及其关键节点设计在风压为控制工况下的安全可靠性，能满足承载力及刚度变形的要求。