鋼管斜柱箱梁節(jié)點在斜撐天蓬的設(shè)計應(yīng)用

劉 兵

（廣東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院 廣州510290）

0 引言

廣東省惠州市博羅縣某建筑為博羅縣政府便民服務(wù)標志性節(jié)點工程，位于6度抗震設(shè)防區(qū)，基本風壓為0.5 kPa；于2013年底建成并投入使用，其中中介服務(wù)大樓的入口景觀大天蓬為整個中心標志性景觀：水平投影面積超過600 m2的斜撐天蓬。3個斜柱支座節(jié)點間的距離最小跨度18 m，最大25 m，且檐口從斜柱頂部外飄最大接近6 m。天蓬蓋視覺上的超薄刀鋒效果是建筑師的堅持（見圖1），但同時也給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)。

1 結(jié)構(gòu)方案的選擇

建筑師要求結(jié)構(gòu)控制厚度不超過900 mm，跨度18～25 m，決定天蓬結(jié)構(gòu)只能采用斜柱加實腹梁式鋼構(gòu)件受力體系，考慮檐口外飄最大接近6 m，實腹梁將承受顯著扭矩作用，這就要求實腹鋼構(gòu)截面需要有足夠的抗扭剛度。最后結(jié)構(gòu)方案確定采用具有較大抗扭剛度的焊接箱型截面主梁加普通熱軋工字鋼次梁（見圖2）。經(jīng)初步建模計算，平面主受力鋼構(gòu)件采用500 mm×900 mm焊接鋼箱梁，壁板厚度25 mm，3條支撐斜柱采用直徑600 mm鋼管，管壁厚度為18 mm（見圖3）。

圖1 大天蓬實際建成效果Fig.1 Actural Perspecitive of Canopy

2 關(guān)鍵節(jié)點的設(shè)計思考

2.1 斜鋼管柱與鋼箱梁節(jié)點

圖2 大天蓬結(jié)構(gòu)布置Fig.2 Structive Plan of Canopy

圖3 鋼箱梁施工現(xiàn)場Fig.3 Construction Site of Stell Box Girder

確定結(jié)構(gòu)方案后，考慮到由于箱梁承受較大扭矩，梁柱節(jié)點必須是可靠剛性連接的設(shè)計。與以往研究的鋼管混凝土柱-型鋼梁正交節(jié)點［1-7］、鋼管混凝土柱-鋼桁架節(jié)點［8］、鋼管柱與傾斜鋼箱梁節(jié)點［9］相比，前者剛性連接節(jié)點成熟可靠并廣泛應(yīng)用于各類高層建筑結(jié)構(gòu)的鋼管柱節(jié)點，后者應(yīng)用較少，但由于鋼管柱垂直地面僅梁系與地面有傾角，因此桁架平面與柱軸線共面，或是梁截面沿梁軸線投影可完整位于鋼管柱身范圍，柱梁節(jié)點也相對易于處理。本案特殊之處在于鋼管柱與地面呈60°傾角，箱梁截面沿梁軸線投影有部分落于柱身范圍以外，這種斜鋼管柱與鋼箱梁的剛性連接構(gòu)造節(jié)點尚無實際應(yīng)用案例可參考。

另外天蓬施工吊裝高度超過18 m，最大長度約25 m的鋼箱梁構(gòu)件自重超過13 t，一般工廠加工后需對半分成2截運至現(xiàn)場拼接再吊裝，鋼管斜柱施工時的穩(wěn)定由臨時格構(gòu)支撐加固，箱梁與斜柱連接節(jié)點若能兼做箱梁吊裝就位及現(xiàn)場拼接作業(yè)的臨時支撐，將極大減少鋼構(gòu)安裝過程對高支模的設(shè)計施工要求，對施工帶來極大便利性。

節(jié)點的剛性連接及兼做鋼箱梁的臨時支托的要求，綜合考慮設(shè)計了一種穿心肋托板套合環(huán)形鋼板的新型節(jié)點，能很好地滿足鋼管斜柱與箱梁的剛性連接要求及兼做箱梁施工臨時支托（見圖4、圖5）。

2.2 鋼箱梁與鋼筋混凝土主體結(jié)構(gòu)的連接

鋼構(gòu)部分主受力焊接鋼箱梁與混凝土結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)造為另一個設(shè)計關(guān)鍵。通常鋼構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的連接可根據(jù)設(shè)計需要采用剛接或是鉸接，如圖6所示：剛性連接對施工精度工藝控制要求高，鋼構(gòu)在混凝土結(jié)構(gòu)中的預(yù)埋段容易在吊裝定位和混凝土澆筑振搗過程出現(xiàn)位置偏差，一旦混凝土澆筑定型偏差將給結(jié)構(gòu)調(diào)整帶來很大困難；同時還要求混凝土主體結(jié)構(gòu)與鋼構(gòu)施工協(xié)調(diào)同步，而通常由于需要專項招投標、鋼構(gòu)專業(yè)公司二次深化設(shè)計、工廠下料加工等一系列必須的建造過程，大多數(shù)附屬鋼結(jié)構(gòu)與相連混凝土主體的建造施工實際難以同步，通常是預(yù)先設(shè)置簡單鋼構(gòu)件預(yù)埋以便后期與鋼附屬結(jié)構(gòu)連接。

圖4 鋼管斜柱箱梁節(jié)點大樣設(shè)計Fig.4 Detail Design of Stell Tube Inclined Column Box Girder Joints

圖5 鋼管斜柱箱梁節(jié)點現(xiàn)場拼裝Fig.5 Field Assembly of Stell Tube Inclined Column Box Girder Joints

圖6 鋼構(gòu)梁與混凝土結(jié)構(gòu)常用連接Fig.6 Common Connection Between Stell Box Girder and Concrete Structure

鉸接連接方式，主體混凝土部分不須考慮與連接的鋼構(gòu)部分協(xié)調(diào)同步施工，預(yù)埋件可按鉸接桿端計算反力設(shè)計，預(yù)埋鋼板及錨固連接簡單易于施工，且后期與鋼構(gòu)部分的連接對于預(yù)埋件定位偏差易于設(shè)計調(diào)整。

經(jīng)計算分析鋼梁與混凝土連接支座按鉸接考慮，最大豎向彈性撓度變形接近規(guī)范允許最大限值L/400，若天蓬檐口側(cè)面鋁扣板按石材考慮豎向最大彈性變形略超限制，綜合考慮各因素，采用半剛性接連接方式設(shè)計鋼箱梁與主體混凝土結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)造（見圖7）。對于常用的豎向焊縫T型半剛性連接，實際上除沿焊縫長度縱向剪力分布外，尚不可避免存在垂直焊縫長度分布的橫向應(yīng)力，對于連接大跨度且截面剛度大的鋼構(gòu)，極易在焊縫高點（A）最大橫向應(yīng)力的彎剪應(yīng)力集中點首先開裂破壞，在此工程簡單采用豎向焊縫的T型半剛性連接將是不安全的。設(shè)計中采用支座反力（桿端最大剪力）全部由牛腿承擔，確保不會因焊縫剪切脆性破壞導(dǎo)致天蓬結(jié)構(gòu)塌落，同時除在箱梁兩側(cè)鋼板與預(yù)埋鋼板豎向焊縫T型連接外，另每側(cè)增設(shè)3片水平焊縫的T型連接加強肋板（20 mm厚），將大幅增大焊縫最大應(yīng)力區(qū)的連接面積，顯著減小連接焊縫的應(yīng)力集中。

3 結(jié)語

圖7 鋼箱梁與混凝土結(jié)構(gòu)連接支座Fig.7 Connection Support Between Stell Box Girder and Concrete Structure

本工程鋼管斜柱與鋼箱梁的節(jié)點處理，雖然設(shè)計是按剛接考慮，但和常見鋼管柱與鋼梁垂直正交的剛性節(jié)點受力性能還是會有明顯差異。垂直正交節(jié)點環(huán)形傳力鋼板有條件直接設(shè)在鋼管柱上，傳力相對更直接，大量的試驗及ABAQUS有限元分析均驗證了鋼管柱-鋼梁內(nèi)隔板式節(jié)點［10］能保證梁先于節(jié)點屈曲，有著可靠的抗震性能；而本工程斜鋼管柱傾斜角太大導(dǎo)致梁截面沿梁軸投影不能全落在斜柱上，只能在鋼管斜柱上垂直另外插入一小鋼管為環(huán)形鋼板剛性節(jié)點創(chuàng)造條件，因此節(jié)點核心區(qū)小鋼管相比鋼管柱存在剛度突變的不利因素，考慮到工程設(shè)防烈度為6度，大天蓬鋼構(gòu)自重較輕，風荷載組合才是此類鋼結(jié)構(gòu)的控制工況，并沒有進一步做有限元節(jié)點受力計算分析或是載荷試驗研究，若是應(yīng)用在高烈度區(qū)的重要工程上尚應(yīng)做更多的補充研究，以明確節(jié)點的抗震破壞機制及受力變形特性。

工程位于珠三角臺風多發(fā)區(qū)域，2013年底竣工至今先后經(jīng)歷“山竹”和“天鴿”等數(shù)次超強臺風的考驗，至今大天蓬石材及鋁扣板飾面均完好如初，說明此天蓬的次級受力體系的鋼結(jié)構(gòu)檁條系統(tǒng)的設(shè)計是可靠的，也同樣印證了主鋼骨架受力體系及其關(guān)鍵節(jié)點設(shè)計在風壓為控制工況下的安全可靠性，能滿足承載力及剛度變形的要求。