梁縱筋與型鋼混凝土柱節(jié)點搭接探究

梁縱筋與型鋼混凝土柱節(jié)點搭接探究吳繼成、李洪亮（安徽水利開發(fā)股份有限公司 北方公司）摘要：本文參照國家有關型鋼混凝土組合結構相關的規(guī)范、規(guī)程、標準、圖集，結合已有的型鋼混凝土梁柱節(jié)點試驗和研究結論，系統(tǒng)闡述了幾種關于梁柱節(jié)點搭接的理論，重點對幾種常見的梁縱筋與柱型鋼節(jié)點搭接的形式進行分析，指出研究中的不足，特別介紹了根據(jù)新的研究理論提出的一種新型梁縱筋與型鋼混凝土柱搭接構造形式。關鍵詞：型鋼混凝土柱、梁縱筋、搭接1.前言型鋼混凝土是指型鋼和其外包鋼筋混凝土共同承受載荷的一種獨立的結構形式，充分汲取了新型鋼結構施工和傳統(tǒng)鋼筋混凝土結構的有點，節(jié)約了鋼材，降低了造價。由于鋼結構固有的強度和延展性，以及型鋼、鋼筋、混凝土三者直接的相互作用，使結構具備構件截面小、承載力大、抗震性能好等優(yōu)點。此外，由于外包鋼筋混凝土的作用，也克服了型鋼防腐、防銹、防火性能差、易發(fā)生局部和整體失穩(wěn)的缺點，節(jié)約了鋼材。但是目前我國對型鋼混凝土節(jié)點的研究還沒有一套完整的體系：節(jié)點的試驗研究較片面、缺乏完整性，節(jié)點的內力傳遞機理不明確，節(jié)點的空間性能和抗震性能研究較少，節(jié)點的承載力的計算公式還有待進一步完善，很多理論和做法甚至直接從日本翻版套用。如何在不影響節(jié)點的抗承載能力和抗剪切能力，不增加施工難度和復雜性的基礎上，設置合理的節(jié)點構造形式，是我國型鋼混凝土研究的熱點。2. 常見梁縱筋-柱型鋼搭接形式2.1.梁縱筋不穿過型鋼翼緣在梁縱筋與柱型鋼搭接問題的研究中，一種意見認為：梁內主筋不應穿過柱型鋼翼緣，也不得與柱型鋼直接焊接，否則將影響柱型鋼的抗彎承載力和節(jié)點的抗剪承載力。梁內縱向鋼筋貫穿節(jié)點，以盡可能的減少縱向鋼筋穿過柱型鋼的數(shù)量，且應盡量使梁內鋼筋穿過型鋼腹板，而不穿過型鋼翼緣，因為在有梁約束下的節(jié)點區(qū)，其抗剪承載力，為此規(guī)定了規(guī)定了型鋼腹板損失率的限值【1】。根據(jù)此理論，人們在施工中總結出以下幾種搭接方法。（1） 梁縱向鋼筋貫穿式（詳見圖1）。型鋼柱的翼緣較窄時，在型鋼腹板上開孔，讓梁的上、下縱向鋼筋全部穿過節(jié)點。這種形式能保證梁縱向鋼筋的貫通錨固，同時也方便了施工；但是由于對型鋼板腹板進行割孔，容易削弱截面強度，需要對割孔進行補強，并且腹板開孔位置不易控制，需進行二次甚至三次的鋼筋穿孔位置的深化工作。該方法適宜在工期較緊，縱筋直徑較小的情況下使用。圖1.梁縱筋與型鋼腹板貫通式（2） 梁縱筋與型鋼腹板鋼筋連接器連接式（詳見圖2）。梁的上、下縱向鋼筋能夠全部穿過翼緣，抵達腹板。但由于腹板的阻礙，縱筋不能貫通，并且在柱內不能夠滿足錨固長度的需求。這是采用在柱內腹板上焊接鋼筋連接器，解決縱筋無法穿過的難題。這種形式既不會造成型鋼腹板的截面削弱，又能保證梁縱向鋼筋的貫通錨固，同時也方便了施工，但現(xiàn)場焊接量大影響施工進度，工廠焊接焊接位置不宜確定，且造價較高；適應在鋼筋直徑較大，混凝土澆筑質量要求較高的情況下使用。圖2.梁縱筋與型鋼腹板鋼筋連接器連接式（3） 梁縱筋加掖錯開式（詳見圖3）。柱型鋼的翼緣很寬時，采用鋼筋加掖的形式繞過鋼柱翼緣板寬度的范圍穿過型鋼柱腹板預設置的穿筋孔保證梁縱向鋼筋的貫通錨固，同時也方便了施工。但鋼筋加工量大，需進行鋼筋的加掖施工，增加鋼筋連接的難度。適宜在鋼筋直徑較小，易在工廠進行加掖。圖3.梁縱筋加掖錯開式 2.2 梁縱筋在翼緣兩邊斷開 以上幾種方法都是針對具體工程的特殊做法，不是施工較為復雜，就是施工成本較高，形不成經濟效益。另外對于較大的梁，縱主筋不穿過柱型鋼翼緣，單靠鋼筋加掖很難滿足承載力和抗剪要求。為此，有研究人員提出連接型鋼混凝土柱的節(jié)點，梁主筋應盡可能從型鋼兩側通過，對于必須與柱型鋼相交的梁主筋，應在柱型鋼兩遍斷開，但應與柱翼緣可靠焊接。根據(jù)該理論，人們又提出了以下兩種搭接方法。（1）梁縱筋-鋼梁節(jié)點搭接方式（詳見圖4）。我們可以采用在與型鋼混凝土柱連接的梁端設置一段鋼梁與梁主筋搭接，鋼梁的高度不應小于0.8倍梁高，長度不應小于梁截面高度的2倍，且應滿足梁內主筋搭接長度的要求。在鋼梁的上下翼緣上應設置銷釘連接件，銷釘?shù)闹睆綉笥?9mm，銷釘間距應大于100mm，且銷釘距型鋼邊緣的距離不小于50mm。圖4.梁內主筋通過牛腿與型鋼柱連接 這種方法在型鋼翼緣截面較窄時常使用，當翼緣截面較大的梁，使用鋼梁反而會增大施工吊裝難度，鋼梁自身的重量也相應降低了節(jié)點的承載力和抗剪能力。 （2）梁縱筋-鋼牛腿節(jié)點搭接方式。為克服這個難題，在試驗的基礎上，北京市建筑設計院和清華大學的試驗研究【2】，推薦做法：在型鋼柱上設置工字鋼牛腿，梁內部分主筋穿過型鋼混凝土柱主筋連續(xù)配置，部分主筋在柱兩側截斷與鋼牛腿搭接或焊接。 但是這種連接方法都將使兩端塑性鉸外移，因此要在從梁端到牛腿部位以外有一段箍筋加密區(qū)。關于采取在型鋼柱上設置鋼牛腿的方法，從實驗中發(fā)現(xiàn)，在鋼牛腿末端位置處，由于截面承載力和剛度突變，很容易發(fā)生混凝土擠壓破壞，因此，要求鋼牛腿的翼緣設計成變截面翼緣，改善上述情況的出現(xiàn)；另外，設置鋼牛腿的辦法，在吊裝型鋼柱時，施工上也有不便之處，不是一種很理想的節(jié)點連接構造。2.3 梁縱筋通過型鋼翼緣還有一種意見認為，在型鋼上開孔不會影響型鋼柱的抗彎承載力和節(jié)點的抗剪承載力。有試驗表明【3】：部分梁主筋穿過型鋼翼緣，對節(jié)點抗震性能的不利影響并不明顯，穿過型鋼翼緣的梁內縱筋在節(jié)點區(qū)沒有滑移，錨固性能好，可獲得良好的耗能能力和延性。試驗還表明，在型鋼上開設小的穿筋孔不僅不會削弱節(jié)點的受力性能，而且會提高節(jié)點的受力性能。因為型鋼小開孔處形成了鋼筋混凝土抗剪銷釘，增加了型鋼與混凝土的粘結，使型鋼內外側的混凝土在開孔處得以貫通，提高了節(jié)點核心區(qū)混凝土的整體性，施工較為方便。【3】以上研究結果使人們對梁內主筋不應穿過柱型鋼翼緣，也不得與柱型鋼直接焊接，否則將影響柱型鋼的抗彎承載力和節(jié)點的抗剪承載力這種觀念有了新的認識，拓寬了工程技術人員研究梁縱筋與型鋼搭接節(jié)點的范圍。雖然現(xiàn)行的國家規(guī)范、標準、圖集未涉及，但最近十年是我國對型鋼混凝土研究的高潮階段，在下次修訂時，這十幾年來研究成果應該會有所提及。3.梁縱筋貫穿柱型鋼翼緣式既然梁縱筋穿過型鋼翼緣不會影響型鋼柱的抗彎承載力和節(jié)點的抗剪承載力，在工程實際中我們就可以采用梁縱筋貫通的方式來型鋼混凝土梁柱節(jié)點問題。削弱的柱翼緣可以采用角鋼進行補強，角鋼與鋼板的組合形成鋼牛腿，有利于梁內的剪力直接傳遞到柱型鋼內，提高了受力性能。詳見圖5.圖5.梁縱筋通過柱型鋼翼緣做法3.1 角鋼補強的構造 鋼的補強構造設計詳見圖6，實際施工圖詳見圖7.關于角鋼和型鋼的連接在這里不多敘述，具體可參見型鋼混凝土組合結構構造（04SG523-2001），本處重點介紹開孔的注意事項。鋼筋從開孔通過時，開孔直徑一般取鋼筋直徑加4-6mm，但由于市場上同種規(guī)格鋼筋生產的偏差不一，分部偏差較大，實際施工時開孔直徑取鋼筋直徑的6-8mm，同時還必須保證同一個鋼筋在型鋼中穿過兩個以上的空，所以在孔的制作時必須保證孔的偏差在規(guī)定允許范圍內。施工節(jié)點詳見圖7.圖6.角鋼補強節(jié)點構造圖7.梁縱筋穿過柱型鋼翼緣板補強示意圖3.2 節(jié)點受力過程分析根據(jù)同濟大學的試驗研究證明【4】：由于型鋼承擔著較大的節(jié)點剪力，所以雖然現(xiàn)在節(jié)點核心區(qū)箍筋的應變增長很快，也參與工作，但箍筋仍然未屈服，對節(jié)點核心區(qū)的混凝土仍有較強的約束作用。對于型鋼混凝土柱-型鋼混凝土梁承載力和剛度下降較型鋼混凝土柱-鋼筋混凝土梁更慢，承載力和剛度更大。4.結論綜合分析以上6種梁縱筋與柱型鋼節(jié)點搭接方式，梁縱筋貫穿柱型鋼翼緣式構造簡單，造價低，施工較為方便；適應規(guī)?；痛罂缍攘菏┕?。型鋼小開孔處形成鋼筋混凝土抗剪銷釘，增強了型鋼與混凝土的粘結；使型鋼內外側的混凝土在開孔處得以貫通，提高了節(jié)點核心區(qū)混凝土的整體性。最重要的是貫穿型鋼翼緣的做法打破傳統(tǒng)梁柱節(jié)點搭接思維，也為復雜的梁柱節(jié)點問題處理提供了新思路。但是在實際項目施工中，還應綜合考慮項目規(guī)模，施工場地，梁柱直徑、跨度大小等因素，合理選擇搭接方法，確保節(jié)點處理方案最優(yōu)化。參考文獻1 中國建筑科學研究院.JGJ138-2001.型鋼