淺談鋼梁柱
--外加強環(huán)板節(jié)點

徐松波，張成領(lǐng)，陳龍

淺談鋼梁柱
--外加強環(huán)板節(jié)點

Discussion on the Steel Beams-Outside Reinforcement Ring Plate Nodes

徐松波11，張成領(lǐng)22，陳龍11

1 引言

近年來，由于新型干法水泥生產(chǎn)線規(guī)模的不斷增大，主要建筑物預(yù)熱器窯尾塔架的層高也不斷增加——單系列5000t/d熟料規(guī)模生產(chǎn)線的框架頂層樓面已達(dá)125m之高。該結(jié)構(gòu)通常平面尺寸較小、高度較大，底部幾層單根梁柱的內(nèi)力大，鋼管混凝土柱和鋼結(jié)構(gòu)梁因其特有的性能優(yōu)勢而被廣泛采用。然而頂部幾層梁柱的內(nèi)力相對較小，但為了保持柱的連續(xù)性，通常上部樓層仍然采用鋼管結(jié)構(gòu)，取消內(nèi)灌混凝土，即為鋼管柱。

自下而上所有的梁柱節(jié)點通常都采用外加強環(huán)板的剛性連接。設(shè)計時容易忽略鋼梁與這兩種不同類型柱的連接節(jié)點的差異，而簡單地按同一種連接節(jié)點考慮，未能正確地考慮外加強環(huán)板寬度的差別而造成潛在的設(shè)計風(fēng)險。

鋼管混凝土柱-鋼梁的梁柱節(jié)點設(shè)計在現(xiàn)階段主要依據(jù)規(guī)程CECS 28:2012。鋼框架主梁與鋼管混凝土柱為剛性節(jié)點，采用最多的是外加強環(huán)板的節(jié)點連接方式。

鋼管-鋼梁的外加強環(huán)板的節(jié)點連接主要參照《圖集多、高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點構(gòu)造詳圖》（01SG519），其計算可對照日本AIJ的規(guī)范。

2 外加強環(huán)板的形式和特點

2.1 外加強環(huán)板的形式

鋼管混凝土柱或鋼管柱在梁的上下翼緣位置設(shè)置上下加強環(huán)，與梁相連后，傳遞梁端彎矩。同時在上下環(huán)板之間焊一豎板，以傳遞梁端剪力[1]。上下環(huán)板采用全熔透焊縫與鋼管柱焊接的腹板連接。

加強環(huán)板有多種形式，這里僅討論在窯尾塔架中應(yīng)用最多的弧形加強環(huán)，如圖1所示。此類型的加強環(huán)板，外形曲線光滑，無明顯應(yīng)力集中點。制作時應(yīng)采用機器切割，外形應(yīng)平整光滑，無裂紋、刻痕。

2.2 外加強環(huán)板的特點

根據(jù)現(xiàn)有實驗研究成果和工程實踐經(jīng)驗，梁柱剛性節(jié)點采用外加強環(huán)形式安全可靠，便于混凝土澆灌施工，同時加強環(huán)能和管柱共同工作，能可靠地將梁的內(nèi)力傳給柱肢，而且由于加強環(huán)的存在，管壁受力均勻，可防止局部應(yīng)力集中，改善節(jié)點受力性能，也可增強節(jié)點和構(gòu)件在水平方向的剛性[2]，即傳力明確，節(jié)點區(qū)應(yīng)力分布比較均勻，剛度大，塑性性能好，承載力高。

柱頭部分可以在工廠加工制作，將梁端連同加強環(huán)板與管柱段一起加工焊好，形成小段的鋼梁?，F(xiàn)場施工時，只需將二者等強焊接即可，非常方便。

3 外加強環(huán)板的設(shè)計計算

加強環(huán)板的設(shè)計計算，應(yīng)滿足以下兩個條件：（1）梁端等強過渡并符合構(gòu)造要求；（2）環(huán)板的設(shè)計承載力安全、可靠。環(huán)板的承載力受最大應(yīng)力斷面控制，對于第Ⅳ型弧形環(huán)板，當(dāng)單向受拉時，最大應(yīng)力是與力成30°角環(huán)板外緣的環(huán)向應(yīng)力；當(dāng)雙向受拉時，由于應(yīng)力的疊加，在與力方向成45°斷面最小處的外緣環(huán)向拉應(yīng)力最大，首先屈服[2]。以下為目前普遍采用的計算方法：

3.1 外加強環(huán)板寬度bs和厚度t1的計算（見圖1）

Discussion on the

圖1 鋼管混凝土柱/鋼管柱Ⅳ型加強環(huán)板

連接鋼梁的環(huán)板寬度bs一般與梁翼緣等寬，以便于相互連接。

連接鋼梁的環(huán)板厚度t1，按鋼梁翼緣板的軸心拉力確定。

3.2 外加強環(huán)板控制截面寬度b的計算

3.2.1 鋼管混凝土柱-鋼梁，列出的計算方法[1][2]

式中：

D——圓鋼管直徑

t——柱肢鋼管壁厚度

f——柱肢鋼材強度設(shè)計值。

3.2.2 鋼管柱-鋼梁外加強環(huán)板連接節(jié)點

按日本《鋼管構(gòu)造設(shè)計施工指針同解說》[4]的方法計算

β——加強環(huán)同時受垂直雙向拉力的比值，當(dāng)單向受拉時，β=0

Nχ，maχ——χ方向由最不利效應(yīng)組合產(chǎn)生的最大拉力

Ny——y方向與同時作用的拉力

f1——加強環(huán)板鋼材抗拉強度設(shè)計值

be——柱肢管壁參與加強環(huán)工作的有效寬度。be=

式中:

Pa——梁翼緣的軸向容許力

F2——鋼管的容許應(yīng)力

其他符號同2.2.1條。

3.3 外加強環(huán)板的構(gòu)造要求

（1）0.25≤bs/D≤0.75;

（2）0.1≤b/D≤0.35，b/t1≤10。

（3）此外，在《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》（CE?CS 28:2012）中第6.4.1條有“外加強環(huán)的厚度不應(yīng)小于鋼梁翼緣的厚度，寬度b不應(yīng)小于鋼梁翼緣寬度的0.7倍”的要求，即b≥0.7bs。在國家標(biāo)準(zhǔn)圖集《多、高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點構(gòu)造詳圖》（01SG519）中也有相同的規(guī)定。

3.4 算例

計算條件：某鋼管混凝土柱，鋼管外直徑（D）為850mm，壁厚（t）為20mm，鋼管材質(zhì)為Q345鋼，內(nèi)灌C40混凝土，柱肢鋼管強度設(shè)計值（f）為295N/mm2，梁翼緣寬度（bs）為400mm，翼緣鋼材強度設(shè)計值（f）為295N/mm2，軸向拉力N=2000kN。若鋼管混凝土柱改為鋼管柱，則再確定外環(huán)板寬度。

（1）假定拉力最大值Nmaχ=2000kN

（2）構(gòu)造檢驗

①bs/D=400/850=0.47?[0.25，0.75]，滿足要求

②b/D=250/850=0.294?[0.1，0.35]，滿足要求

b/t1=250/18=13.9>10，不滿足b/t1≤10的要求，即局部穩(wěn)定不滿足要求[5]，因此需要沿管柱圓周均勻設(shè)置加勁肋，達(dá)到滿足局部穩(wěn)定的計算要求，保證翼緣的局部穩(wěn)定。

③0.7bs=0.7×400=280mm>b=250mm，不滿足b≥0.7bs。此處值得商榷，初步認(rèn)為此條是針對空腹鋼管連接節(jié)點的規(guī)定，而此條規(guī)定的實際依據(jù)有待進(jìn)一步考察。

（3）若鋼梁與鋼管柱連接，此時的外環(huán)板寬度按日本《鋼管構(gòu)造設(shè)計施工指針同解說》式（3）計算得b不宜小于304.56mm，與按上法求得的最低要求212mm相差43.66%。

即使認(rèn)為（2）-③和（3）兩者的適用條件都是鋼梁對空腹鋼管的連接要求，280mm和304.56mm的最低寬度要求也相差8.77%。因此按“最小寬度不小于梁寬的0.7倍”來決定環(huán)板寬度，存在著一定的隱患，值得注意。

4 結(jié)語

從以上對比計算可知鋼管內(nèi)是否灌注混凝土，對于外環(huán)板的寬度影響較大。因此，對于底部幾層灌混凝土，而頂部幾層因荷載較輕而設(shè)成鋼管柱的窯尾塔架之類的結(jié)構(gòu)，應(yīng)該引起重視，需要重新復(fù)核、驗算節(jié)點，而不能簡單地直接使用鋼管混凝土柱與鋼梁連接的節(jié)點。

“b/t1≤10”的構(gòu)造要求，應(yīng)該是鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范GB50017[5]中4.3.8條梁受壓翼緣自由外伸寬度b與其厚度t1之比的限制要求，應(yīng)該是非強制性的。只要采取措施保證外加強環(huán)板的局部穩(wěn)定，此條構(gòu)造要求在實際應(yīng)用中應(yīng)該可以放寬。

“環(huán)帶的最小寬度b不小于0.7bs”的規(guī)定也不可簡單地直接套用，這應(yīng)該和梁、柱的比例及尺寸有關(guān)。實際工程中考慮樓板作用與否似乎也有影響。對于荷載較大的連接節(jié)點，還須采用有限元等其他方法進(jìn)行計算、檢查、驗算，以保證節(jié)點的安全、牢固、可靠。

[1]鐘善桐，高層鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[M].哈爾濱:黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社.1999.1

[2]韓林海楊有福，現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社.2004.12

[3]CECS 28:2012.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國計劃出版社.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.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社.2003

[6]JGJ 3-2010.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社.2010■

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2014-03-26；編輯：趙蓮