钢骨混凝土组合结构连接的设计研究

钢骨混凝土组合结构 连接的设计 研究

王文灏

中恩工程技术有限公司

摘要：钢骨混凝土结构的强度及刚度较大，其分别保留着钢与钢筋混凝土两种构件的优点。通过钢与外部混凝土的结合，具有优秀的防腐、防锈及防火性能，且构件截面更小，节约空间满足建筑功能。但钢骨混凝土连接节点在连接、配筋等方面较为复杂，所以设计人员应分认识并做好深化设计，保证节点受力合理以及可实施性。在本文中，对钢骨混凝土组合结构，主要是型钢混凝土梁柱节点进行设计研究。

关键词：钢骨混凝土；梁柱节点；设计研究

1. 钢骨混凝土组合结构及其节点简介

随着经济的发展，在建筑工程中出现了越来越多的大跨度结构和构件，普通钢筋混凝土构件由于截面过大无法满足建筑功能，而预应力钢筋混凝土构件工艺较复杂且需要一定的专门设备，对于大跨构件数量少的工程成本较高，且所需的施工工期比较长，在多跨连续梁的民建项目中较难实施。

钢骨混凝土组合结构构件保留了钢与钢筋混凝土两种结构构件的优点，相比钢结构，其防腐、防锈及防火性能优越，且局部及整体稳定性好，能够减小构件及结构整体的形变幅度；而相较于普通的钢筋混凝土结构构件，其构件截面更小、刚度更大、强度更高、抗震的延性和耗能能力也更强。在浇灌混凝土前，拼装的钢骨构件已经形成了结构，具有相当大的承载力，能够承受构件的自重和施工荷载，极大的便利了施工，大大缩短了现场的施工工期。钢骨混凝土组合结构构件可用于框架结构、框架-剪力墙结构、部分框支剪力墙结构、框架-核心筒结构、筒中筒结构等各种结构体系。

节点是结构体系中的重要部分，若是梁与柱和梁与墙节点受到破坏，那么整个结构的整体性就不能得到保障，更有甚者还会导致整个建筑体的崩塌。在钢骨混凝土组合结构构件中，由于钢骨的存在，在节点区域，梁柱连接节点的核心区域受力较复杂，钢骨连接复杂、钢筋绑扎困难，且核心区钢材密集，混凝土浇筑质量也难以保证。节点区域尤其是梁柱节点核心区是钢骨混凝土组合结构设计的重点和难点。

因此，为了在最大程度上保证建筑的安全，设计人员应弄清楚钢骨梁柱连接节点的受力的相关性能，秉承“强柱弱梁、强节点弱构件”的原则，对梁柱等重要节点需要进行全方位的设计，保证连接节点的受力合理安全及顺利实施。

2. 钢骨混凝土组合结构节点的连接形式及其构造

钢骨主要包括型钢、钢管或钢板。连接节点的形式种类较多，一般包括：钢骨混凝土柱与钢骨混凝土梁的连接、钢骨混凝土主次梁的连接、钢梁与钢骨混凝土柱的连接、钢筋混凝土梁与钢骨混凝土柱的连接等类型。

在连接节点中钢骨之间的连接、钢筋与钢骨交叉处的处理以及节点混凝土的灌注是节点设计的三大重点。而型钢作为钢骨中最常见的类型，将以此为研究重点。

1. 设计人员在对钢骨混凝土柱和钢骨混凝土梁之间的节点进行连接时，柱内型钢宜采用贯通型。梁柱钢骨宜通过质量等级为一级的等强度对接焊连接，必要时要做坡口焊接，尽量保证在工厂内完成大部分焊接工作。方钢管及圆钢管可采用焊接形成钢管或无缝钢管。型钢或钢管设计时应满足最大宽厚比，以保证其局部稳定。

型钢混凝土梁柱连接节点应遵循构造简单传力明确的原则。型钢混凝土柱与钢梁，采用直接刚性连接时，梁腹板宜与柱上连接板通过摩擦型高强度螺栓连接，梁翼缘与柱型钢翼缘全熔透焊接连接，柱子在与梁翼缘对应的位置设水平加劲肋。当柱型钢采用柱边伸出悬臂梁段的构造时，梁与悬臂梁连接同前，悬臂梁段与柱应采用全熔透焊接。

加强节点同时为了减小节点核心区发生剪切破坏以及梁柱连接焊缝发生脆性断裂，可对节点核心区附近的梁端型钢采取“骨式”削弱，不仅能够将塑性铰控制在梁型钢削弱的位置而且能够改善节点塑性铰区的转动能力和抗剪性能，提高节点的延性和耗能能力。也可采用加强型连接，如梁翼缘扩翼式连接、梁翼缘局部加宽式连接、梁翼缘盖板式连接，但由于其占用区空间较大，不太利于节点施工。

梁柱铰接连接时，可以在固结的基础上取消梁翼缘与柱的连接即可。

型钢混凝土主次梁交叉处，一般通过连接板将次梁腹板与主梁加劲肋螺栓连接，刚性连接在铰接连接的基础上将次梁翼缘板与主梁翼缘板焊接连接，不等高的次梁下翼缘与主梁支撑板连接。如梁腹板需要穿管线而开孔，一般选择在受力较小处，且开孔大小必须满足规范要求，开孔后须通过洞口边焊接钢管或环形钢板等方式补强回来。

2. 钢骨混凝土梁柱节点内，钢骨混凝土梁的纵向钢筋以及钢骨混凝土柱的竖向钢筋需要穿过节点的核心部位，节点区的箍筋也需要穿过连接节点的核心部位。

一般情况而言，钢筋与钢骨的关系有以下几种形式，

第一种，梁纵向主筋绕过型钢柱翼缘侧边通过，再在柱型钢腹板中打孔穿过，一般在工厂加工时，将相应型号的梁主筋穿过型钢腹板，采用塞焊的方法把穿孔的钢筋焊在型钢上，到工地将预焊钢筋段的一段用连接套筒和梁主筋连接。应控制穿越型钢腹板的面积损失率，必要时应对穿孔处进行补强。

第二种，梁纵向主筋与柱翼缘相碰时，直接与位于型钢柱垂直翼缘上焊接的套筒进行连接或通过与柱翼缘焊接的工字钢牛腿、T型牛腿、连接板可靠焊接，钢骨柱在对应位置设置水平加劲助。

第三种，柱子的纵向钢筋从节点内通过，柱的纵向钢筋尽量设置在柱的角部，当柱纵向钢筋净距过大，柱纵向钢筋无法避开梁的型钢，纵向钢筋可与梁的型钢翼缘上焊接的套筒连接。

第四种，为了方便操作，节点水平箍筋排布可以选择菱形箍等形式，尽量不选择穿柱子型钢的形式。如果箍筋要穿过型钢腹板，应在工厂对腹板相应位置开孔补强，箍筋可分割成U形及L形穿过型钢后再现场焊接成封闭箍筋。焊接位置应上下交错设置。

3. 钢骨柱水平方向的加劲助之间的距离不宜小于100mm，以方便有效地进行焊接工作。钢骨的水平隔板中间应开浇筑孔及透气孔，且钢材、钢筋之间空隙应能满足混凝土振捣要求，以保证节点混凝土的顺利浇筑。

3. 复杂钢骨梁柱节点设计实施过程

一般情况而言，本着最优的原则设计钢骨混凝土节点，在平面图上表达钢骨之间的连接。但是对于复杂的节点，如果没有直观的验证校对，等到施工时才发现混凝土难以灌注，或存在无法预知的困难，则会整个工程产生不利影响。对于一些较为复杂的钢骨梁柱节点的方案确定之后，通过一些软件建立三维模型，如ABAQUS有限元软件，不仅可以将平面图进行转化，使之成为三维效果图，而且还可以对节点进行有限元分析进一步验证节点的安全性。通过三维效果图对连接节点的方式进行科学分析，查找不合理的地方，优化设计以保证其顺利实施。

4. 梁柱节点施工控制

梁柱节点的施工控制也是非常重要的。第一，设计应与各单位加强交流与沟通。钢骨厂家应建立三维加工模型，对加工零件精准下料，钢骨构件出厂前应进行试拼装，合格后方可对构件编号出厂。第二，钢骨的运输及现场安装，运输过程中应做好保护措施，避免损坏及变形。第三，现场的基础及其它连接构件的位置标高应满足安装精度的要求，现场焊接必须由相应资质的人员实施，应对焊缝质量进行验收，合格后方可进入下一步工作。第四，节点混凝土浇灌必须密实，必要时采用高流动性细石混凝土，浇筑完毕后，必须对每个节点混凝土的质量进行检查。

结语：在本文中，主要对钢骨混凝土梁柱连接节点的设计进行了研究。综上所述，钢骨混凝土梁柱节点在建设项目中有很大的优势且使用非常频繁，其结构的形式多种多样。需要对钢骨和钢筋连接部位的节点进行深入设计，做好钢骨混凝土梁柱连接节点的设计工作，为高效、安全施工，保障建筑结构的安全打下坚实的基础。

参考文献：[1]盛汝健,黄慎江.新型钢骨接头钢筋混凝土中节点力学性能有限元分析[J].工程与建设,2020,34(06):1201-1204.

[2]盛汝健. 新型钢骨接头钢筋混凝土节点力学性能研究[D].合肥工业大学,2020.

[3]倪路瑶. 新型预制组合框架结构梁柱连接节点相关技术研究[D].东南大学,2019.