型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)中典型梁柱剛性節(jié)點(diǎn)的做法

孫 芃 李 沖 青治勇 李一響 尹修偉

中國建筑第八工程局有限公司鋼結(jié)構(gòu)工程公司 上海 200125

型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)是以型鋼為鋼骨并在型鋼周圍配置鋼筋和澆筑混凝土的埋入式組合結(jié)構(gòu)體系。其吸取了鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，相比鋼結(jié)構(gòu)，具有更好的剛度、耐火性和防腐性，相比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)又具有更好的強(qiáng)度、延展性。型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)將型鋼構(gòu)件、鋼筋、混凝土三者結(jié)合起來，使得建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面小、承載力大、抗震性能好，在現(xiàn)代建筑設(shè)計中被廣泛應(yīng)用[1-4]。

1 組合結(jié)構(gòu)中梁柱剛性節(jié)點(diǎn)概述及技術(shù)要點(diǎn)

型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)中的型鋼構(gòu)件的施工方法為預(yù)制裝配式施工，而鋼筋混凝土施工還是傳統(tǒng)的現(xiàn)場澆筑施工，2種不同施工理念決定了型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和多樣性，其主要體現(xiàn)在梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域。梁主筋和型鋼柱的連接構(gòu)造是有效連接梁和柱節(jié)點(diǎn)的重要部分，梁柱節(jié)點(diǎn)的施工質(zhì)量直接影響到整個結(jié)構(gòu)的安全性。

1.1 截面設(shè)計

組合結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)應(yīng)做到傳力明確，構(gòu)造簡單，確保梁端的應(yīng)力能可靠地傳遞到柱上，因此型鋼柱應(yīng)保證貫通。鋼筋與連接件在現(xiàn)場施工連接，存在一定的局限性。為保證梁主筋盡量貫通，型鋼柱宜選擇非封閉式截面，如十字形、H形、L形等，提高梁主筋的貫通率。

1.2 構(gòu)造處理

梁主筋與型鋼柱的連接方式主要分為焊接與機(jī)械連接，節(jié)點(diǎn)形式有腹板開孔貫通式、加腋繞開式、鋼筋連接套筒式、鋼筋焊接連接板式、加強(qiáng)環(huán)板式、承重銷牛腿式等。梁主筋優(yōu)先選擇在型鋼柱兩側(cè)繞開型鋼柱通過，如鋼筋與型鋼腹板碰撞，可在腹板上開孔穿過，鋼腹板因開孔所造成的截面損失率不大于25%（超過時應(yīng)采取補(bǔ)強(qiáng)措施）。當(dāng)梁主筋必須與型鋼柱碰撞，應(yīng)在型鋼柱上設(shè)置連接件，梁主筋與連接件應(yīng)可靠連接。根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)重要性、型鋼截面類型、尺寸位置、鋼筋密度等情況，可以選擇各個節(jié)點(diǎn)形式的組合，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢。

1.3 深化設(shè)計

采用Tekla Structures軟件進(jìn)行組合結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計，根據(jù)設(shè)計圖紙及現(xiàn)場施工工藝對型鋼與鋼筋進(jìn)行1∶1建模放樣。模型可以直觀地反映出型鋼與鋼筋的空間關(guān)系，有利于鋼筋與型鋼連接構(gòu)造的處理，提高型鋼連接件的準(zhǔn)確性和穿孔的通過率，以便現(xiàn)場施工時保證鋼筋與型鋼的有效連接，這對現(xiàn)場施工的質(zhì)量與效率至關(guān)重要。

1.4 配筋優(yōu)化

鋼筋直徑的大小、鋼筋的數(shù)量、梁的方向以及梁標(biāo)高位置、梁截面尺寸等，均影響鋼筋穿孔率。型鋼混凝土梁的鋼筋排布若按普通鋼筋混凝土梁排布，勢必增加穿鋼結(jié)構(gòu)鋼筋的數(shù)量，導(dǎo)致施工難度大大提高，故應(yīng)當(dāng)對梁柱節(jié)點(diǎn)鋼筋排布進(jìn)行優(yōu)化，盡量增加繞過鋼結(jié)構(gòu)鋼筋的數(shù)量，減少穿鋼結(jié)構(gòu)鋼筋的數(shù)量。

1.5 保證混凝土密實(shí)度的措施

型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)中，型鋼一般為實(shí)腹式，節(jié)點(diǎn)區(qū)域型鋼芯部的水平加勁板與柱壁形成“陰角封閉空腔”，混凝土澆筑時易產(chǎn)生不密實(shí)的情況，應(yīng)在型鋼柱加勁板上設(shè)透氣孔、澆筑孔，必要時設(shè)觀察孔。在多梁交會部位，存在多層鋼筋疊加的情況，應(yīng)采用自密實(shí)混凝土澆筑。

2 型鋼柱與混凝土梁節(jié)點(diǎn)處理方式

2.1 腹板開孔貫通式

腹板開孔貫通式（圖1）主要適用于非封閉截面的型鋼柱，通過腹板開穿筋孔，梁主筋保持貫通，開孔直徑宜為d＋4 mm（d為鋼筋公稱直徑，下同）。該方法下鋼柱通常在加工廠預(yù)先開設(shè)穿筋孔，現(xiàn)場施工時直接將鋼筋穿過穿筋孔，此節(jié)點(diǎn)形式施工方便快捷，梁縱向鋼筋不用斷開，保證了梁縱向鋼筋的貫通與錨固。穿筋孔的加工應(yīng)采用機(jī)械制孔，嚴(yán)禁使用火焰切割制孔。這種連接方式的缺點(diǎn)是腹板開孔位置不易控制，對施工精度要求較高，尤其是斜梁主筋需穿腹板時，為保證穿筋的順利，腹板需根據(jù)實(shí)際情況選用長圓孔。同時由于采用這種方法對型鋼板進(jìn)行開孔時，對母材的截面強(qiáng)度有一定削弱，因此型鋼腹板開孔時腹板截面損失率應(yīng)小于腹板面積25%，截面損失率大于25%時，應(yīng)考慮補(bǔ)強(qiáng)措施。

2.2 加腋繞開式

加腋繞開式（圖2）主要適用于翼緣窄、截面較小的型鋼柱，通過梁主筋彎曲調(diào)整，繞開組合構(gòu)件中的型鋼柱翼緣，避免鋼筋與翼緣相連，保證梁縱向鋼筋的貫通或錨固。此施工方式較為方便，但受限較多，如梁截面鋼筋較多、型鋼柱截面較大等情況不適合采用此節(jié)點(diǎn)形式，當(dāng)鋼筋與型鋼柱鋼筋采用繞開法時，鋼筋彎折宜按不小于1∶6角度折彎繞過型鋼柱。無法貫通時，鋼筋可伸至型鋼柱后彎錨，錨固長度應(yīng)滿足相關(guān)設(shè)計要求；無法錨固時可采用焊接或機(jī)械連接，使鋼筋與型鋼柱可靠相連。

圖1 腹板開孔貫通式

圖2 加腋繞開式

2.3 鋼筋連接套筒式

鋼筋連接套筒式（圖3）適用范圍廣泛，鋼筋套筒連接即在梁主筋對應(yīng)型鋼柱的位置設(shè)置鋼筋套筒，此做法具體為在工廠進(jìn)行構(gòu)件制作的過程中將鋼筋套筒焊接于型鋼構(gòu)件上，并應(yīng)在型鋼套筒相應(yīng)位置設(shè)置傳力的加勁肋鋼板，在施工現(xiàn)場將待連接鋼筋端部車絲，套筒絲扣需與鋼筋絲扣匹配，然后將鋼筋與套筒連接并擰緊。此方法下鋼筋連接質(zhì)量易于保證。鋼筋連接套筒與型鋼的焊接宜采用貼角焊縫，套筒間凈距不小于30 mm，且不小于套筒外直徑。該連接方式快捷簡便，能夠很好地解決混凝土梁采用雙排或三排鋼筋時鋼筋與鋼柱的連接問題。

鋼筋連接套筒式節(jié)點(diǎn)優(yōu)勢比較明顯，但缺點(diǎn)也較為突出，最大缺點(diǎn)是鋼筋套筒的數(shù)量及排布需與現(xiàn)場鋼筋排布一致，因此施工容錯率低；當(dāng)節(jié)點(diǎn)有斜向鋼筋連接或型鋼柱為圓管鋼柱時，套筒與型鋼表面角度復(fù)雜，焊接變形不對稱，套筒定位難度大，宜采用固定支架配合套筒定位焊接，同時鋼筋套筒內(nèi)絲扣易受焊接飛濺物粘連等的影響，容易導(dǎo)致鋼筋無法擰入鋼筋套筒。

2.4 鋼筋焊接連接板式

鋼筋焊接連接板式（圖4）適用范圍廣，此方式具體為在型鋼柱對應(yīng)混凝土梁上下縱筋的位置下部設(shè)置連接板，將鋼筋等強(qiáng)焊接在連接板上。該連接方式能較好地應(yīng)對鋼筋施工偏差的影響，現(xiàn)場鋼筋施工方便靈活，有效連接率高，因此，鋼筋搭接板的連接方式比較受施工單位青睞。鋼筋焊接連接板焊縫宜采用雙面焊，鋼筋與連接板的最小搭接長度不應(yīng)小于5d；當(dāng)采用單面焊時，最小搭接長度不應(yīng)小于10d。鋼筋焊接連接板需考慮柱主筋相關(guān)情況，如柱主筋與連接板發(fā)生碰撞，應(yīng)在連接板上開豎向穿筋孔，保證柱主筋的貫通。鋼筋焊接連接板的設(shè)置還需考慮現(xiàn)場鋼筋焊接的操作空間，遇到梁上、下多排主筋時，通常將連接板設(shè)置為階梯狀，保證現(xiàn)場焊接的有效進(jìn)行，鋼筋焊接的焊工必須持有特種作業(yè)操作證。

圖3 鋼筋連接套筒式

圖4 鋼筋焊接連接板式

2.5 加強(qiáng)環(huán)板式

加強(qiáng)環(huán)板式（圖5）適用于封閉截面型鋼柱，如圓管鋼柱、箱形鋼柱。加強(qiáng)環(huán)板式節(jié)點(diǎn)與鋼筋焊接連接板式節(jié)點(diǎn)構(gòu)造做法類似，其力學(xué)性能好于連接板式節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，型鋼柱與環(huán)板接觸面積大且封閉，使型鋼壁受力均勻，有利于梁端內(nèi)力傳遞給柱，同時也緩解了節(jié)點(diǎn)區(qū)域的應(yīng)力集中，提高了節(jié)點(diǎn)受力性能，增強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)的抗震性。

加強(qiáng)環(huán)板式節(jié)點(diǎn)還可與環(huán)梁節(jié)點(diǎn)組合設(shè)計，梁柱節(jié)點(diǎn)環(huán)向位置設(shè)置鋼筋混凝土環(huán)梁和環(huán)板，在環(huán)梁與環(huán)板的接觸面搭接焊接鋼筋，環(huán)梁封閉筋截面一般不小于25 mm，環(huán)梁的箍筋采用開口箍。環(huán)梁的存在不僅增加了梁主筋的錨固長度，還能在梁端彎矩的作用下，使環(huán)梁產(chǎn)生彎矩，形成上部拉力和下部壓力的受力狀態(tài)，拉力可由環(huán)梁封閉筋、樓板參與受力，形成穩(wěn)固的框架結(jié)構(gòu)體系。此節(jié)點(diǎn)符合抗震設(shè)計理念，可增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與抗震性能。

2.6 承重銷牛腿式

承重銷牛腿式（圖6）適用范圍較廣，在型鋼柱上焊接H型鋼牛腿，梁主筋與鋼牛腿搭接或焊接，焊接要求同鋼筋焊接連接板式節(jié)點(diǎn)，牛腿腹板需開柱主筋、梁腰筋、柱箍筋的穿筋孔，開孔要求同腹板開孔貫通式節(jié)點(diǎn)。當(dāng)柱主筋需穿過牛腿腹板時，采用柱主筋在牛腿位置處截斷，并通過豎向套筒或連接板連接。承重銷牛腿式節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)是將梁端荷載通過承重銷牛腿傳給型鋼混凝土柱，型鋼柱的承重銷牛腿上下翼緣處設(shè)置傳力的加勁肋鋼板，此節(jié)點(diǎn)具有一定的延性，有利于提升節(jié)點(diǎn)的抗震能力，但現(xiàn)實(shí)使用時需要充分考慮到梁柱所有鋼筋的布置，否則易出現(xiàn)鋼筋與牛腿現(xiàn)場碰撞的情況。

3 結(jié)語

圖5 加強(qiáng)環(huán)板式

圖6 承重銷牛腿式

本文介紹了腹板開孔貫通式、加腋繞開式、鋼筋連接套筒式、鋼筋焊接連接板式、加強(qiáng)環(huán)板式、承重銷牛腿式等6種梁主筋與型鋼柱連接節(jié)點(diǎn)。每種節(jié)點(diǎn)均有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，實(shí)際工程往往比較復(fù)雜，很難單一地選擇一種節(jié)點(diǎn)類型，來應(yīng)對不同部位、不同工況、不同構(gòu)造細(xì)部的要求。因此在梁主筋與型鋼柱連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計應(yīng)用時，應(yīng)從工程特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)適用性、節(jié)點(diǎn)可靠度、型鋼截面形式、構(gòu)造簡便、施工高效、經(jīng)濟(jì)成本等角度綜合考慮，將以上節(jié)點(diǎn)形式組合使用，選擇合理的構(gòu)造處理方式。