型钢混凝土框架节点设计探讨

马新英

(上海建工二建集团有限公司工程设计研究院，上海 200090)

1 概述

近年来，随着我国经济建设快速发展，修建了大量的建筑结构，建筑设计外形越来越美观，布置形式灵活多样，对结构提出了更多的要求。其中之一是结构经常遇到大空间和局部转换，转换结构的设计成为整个结构设计的重点之一，型钢混凝土框架为常用的转换结构形式之一［1-3］。型钢混凝土框架是指框架柱和梁均以型钢为骨架，外包钢筋混凝土所形成的结构。

与钢结构相比，其优点是可节省钢材、降低造价而且混凝土兼有参与构件受力与保护层的功能，在防火和耐久性方面具有明显的优越性，混凝土还可提高型钢的整体稳定性，钢板的局部屈曲、弯曲失稳及梁的侧向失稳不易发生［4，5］。与普通钢筋混凝土结构相比，构件截面积较小，满足净空要求，构件的抗压、剪切和弯曲承载力大幅度提高，徐变变形较小，且施工时可利用型钢做支架来承担施工荷载，提高施工效率，降低了施工风险。

近年来随着型钢混凝土组合结构构件的研究增多和相关设计理论的成熟，其在工程建设中的应用越来越多，但由于型钢混凝土梁柱节点处构件尺寸相对较小、钢筋较密，型钢梁、柱节点处连接构造和受力复杂，影响因素较多，节点在设计理论和实际应用中存在诸多问题，限制了型钢混凝土结构在实际工程中的应用［6］。节点设计除了满足承载力要求以外，还要尽量考虑施工方便，对节点设计，《型钢混凝土组合结构技术规程》［7］中已有一般要求，但是其要求比较笼统，图集中常常把型钢和钢筋分别表示，无法真实显示各自的布置及相互影响。实际设计中，型钢混凝土梁、柱交接处钢筋、型钢复杂多样，互相影响，所以如何实现节点设计的传力明确、构造合理和易于施工是关键所在，这需要设计人员根据具体工程结构的情况进行精心设计［8-10］。本文以一个实际带转换梁的局部大空间框架结构为例，针对型钢混凝土梁和型钢混凝土柱的节点以及柱脚节点设计从受力、构造和施工角度展开探讨。

2 工程概况

本工程是一座混凝土框架结构的行政办公楼，建筑层数6层，总高度22.45 m，场地属于可进行建设的一般场地，场地类别为Ⅱ类。场地地下水主要为潜水和基岩裂缝水，对混凝土结构无腐蚀性，采用粘土层作为持力层，基础为条形地基梁，结构立面布置如图1所示。

图1 立面布置图

建筑设计要求，在4层顶转换，在综合比较预应力混凝土梁和型钢混凝土梁两种结构形式后，选择型钢梁作为转换梁设计方案。这主要是因为预应力混凝土梁方案需要专门的施工技术和队伍，考虑到本工程地处县城，当地施工水平有限，同时考虑到转换梁位置高，高空作业，施工风险较大。而型钢混凝土梁方案不需特殊设备与施工队伍，且利用型钢作为后续混凝土施工的支架，降低施工风险并能加快施工进度，因此其可满足结构受力性能和实际施工两方面的要求。

3 型钢混凝土框架梁柱节点设计

由于办公楼建筑使用功能的要求，结构中部有一个大跨度转换框架，中间跨度21.2 m，梁底标高13.5 m，经比选后，该大跨度转换采用型钢混凝土梁和型钢混凝土柱，型钢混凝土框架以及梁柱截面如图2所示。

本工程设计时，在受力分析基础上，设计原则是按强柱、弱梁和节点核心区更强来考虑，首先确定了型钢梁和柱的尺寸、型钢类型和尺寸及配筋布置等，进而开展节点的设计。节点采用刚性连接方式，设计主要考虑因素有:

1)满足计算强度、刚度、裂缝及规范要求的配筋率和配箍率条件;

图2 型钢混凝土框架及梁柱截面图

2)力求梁柱连接可靠，内力通过节点可靠传递;

3)施工的便利性，为保证梁柱节点区混凝土的密实性，节点的连接构造力求简单，主筋布置合理，便于浇筑混凝土，而且还要考虑型钢结构焊接方便，确保梁端型钢部分的应力能可靠地传递到型钢柱。下面结合本工程型钢混凝土梁柱特点，对涉及的型钢混凝土梁柱节点和柱脚节点设计给予详细论述。

3.1 柱脚节点设计

型钢混凝土柱与地基梁的连接采用刚性连接，地基梁的纵向钢筋伸入型钢混凝土柱节点，为满足钢筋锚固要求，采用钢筋混凝土地基梁纵向贯通。其次，设计时为避免地基梁纵向钢筋与型钢混凝土柱内型钢直接焊接或穿过型钢翼缘，地基梁在柱脚节点处加水平腋，纵筋采用了绕避的布置方式，为了确保钢筋能够顺利布置，设计采用1∶1比例放样。同时在柱型钢与梁钢筋水平处翼缘之间设置加劲肋，以防翼缘失稳，如图3所示。

注意，钢筋绕开柱子时，不能紧靠型钢，应留出50 mm距离，因为施工时，如果是先绑扎好地基梁中的钢筋，再吊装柱中的型钢，而柱脚处的垫板范围比柱中型钢宽出50 mm，否则吊装就位时会遇到困难。

3.2 梁柱节点

型钢混凝土梁柱节点设计在构造方面的难点主要包括两个方面:

1)如何处理构件中纵筋与型钢间的关系，一般很难避免纵筋穿过型钢钢板的现象发生;

2)梁柱相交处型钢之间的连接构造。本工程梁柱节点设计为在距离柱边1.4 m处拼接，考虑到上述两方面因素，梁、柱中分别采用实腹式工字钢和H型钢，梁柱节点采用柱内H型钢上下贯通的刚性连接方式，梁中工字型钢在柱H型钢两侧断开，采用坡口焊与柱H型钢翼缘焊接。在柱H型钢翼缘之间对应于梁工字钢上下翼缘水平处各设一道横隔板，以保证梁翼缘传来的拉力可靠地传递到节点，并防止柱型钢翼缘板发生局部屈曲。横隔板上设有排气孔，以便混凝土浇筑时，空气能顺利溢出。为加强锚固，在梁与柱型钢翼缘上设置间距为150 mm，直径19 mm，长度为80 mm的栓钉，符合《型钢混凝土组合结构技术规程》的规定。

图3 柱脚节点构造图

型钢混凝土框架结构抗震设防类别为丙类，抗震等级为三级，因此，梁柱节点设计不仅要保证节点具有足够的承载力，同时需要具有充分的塑性转动能力。为了提高型钢混凝土柱与型钢混凝土梁之间的节点延性，将梁端塑性铰外移，采用柱外带悬臂梁段的加强型连接节点，悬臂梁段与柱的型钢构件间在工厂进行全熔透焊接连接，中间梁段在工地进行现场拼接。拼接时应先安装腹板的高强度螺栓，采用全熔透坡口焊缝进行翼缘处的连接。

节点工厂预制，焊缝质量有保证，减少高空作业，有利于确保施工质量和安全。减少梁柱之间的连接螺栓，有利于节点处箍筋的穿过和纵筋的布置，见图4。

图4 梁柱节点型钢连接构造图

型钢梁中的配筋要根据梁的强度、刚度、裂缝计算确定，同时要考虑施工因素，在此需注意，如果采用大直径钢筋，虽然会减少钢筋穿过型钢的数量，易于施工，但对裂缝的控制有时是很不利的，劲性混凝土梁中的钢筋，一个重要作用是控制裂缝宽度。考虑到节点受力特点、混凝土浇筑质量以及施工便利性，对梁柱节点钢筋排布进行优化，尽量增加绕过钢结构钢筋的数量，减少穿钢结构钢筋的数量，柱箍筋入梁，梁箍筋不入柱。

图5 梁柱节点钢筋连接构造及节点区梁上、下部钢筋示意图

具体对本工程，与型钢混凝土转换梁垂直方向的梁采用普通钢筋混凝土梁，经过仔细设计考虑，选用φ25钢筋，两个方向均为双层布置，上部钢筋与下部钢筋在节点中的处理方式有所不同，上部钢筋柱翼缘外1∶6斜度绕过，柱翼缘内打孔穿过，下部钢筋柱翼缘外1∶6斜度绕过，柱翼缘内通过钢筋连接板焊接。也采用1∶1放样，确保施工时钢筋能顺利通过节点，型钢中的钻孔要准确定位。为保证规范要求的节点配箍率，采用φ16间距100 mm，箍筋遇梁腹板，腹板预先打孔，孔径21 mm，间距100 mm，如图5所示。

型钢混凝土节点浇筑过程中，考虑到栓钉、水平加劲肋和横向箍筋等的阻挡，需保证混凝土浇捣的密实性，应注意防止出现在型钢翼缘底面，加劲肋隔板底面形成死角，施工中应加强振捣，注意养护。

4 结语

型钢混凝土组合结构由于其承载力高、延性好、变形能力强、施工快捷、造价低等优点，在实际工程中得到了较为广泛的应用，本文结合一实际工程，对型钢混凝土框架结构的节点设计从受力、构造和施工等方面进行了讨论，主要结论如下:

1)节点是连接梁、柱并传递内力的关键部位，节点设计应从受力、构造和施工等方面综合考虑，使得设计的节点传力明确，构造合理简单，便于浇筑混凝土，确保梁端型钢部分的应力能可靠地传递到柱型钢，满足正常使用和极限强度等方面的要求;

2)考虑施工的便利性，通常利用等强代换以减少截面内主梁钢筋的数量，这可以简化节点构造，但这时需注意是否满足正常使用条件下的裂缝控制要求;

3)通过本工程实际施工的反馈看，上述型钢混凝土节点设计方案经济可行，显著缩短了施工周期，降低了施工风险，增强了施工质量，设计节点可供同类结构参考。

［1］ 陈丽华，李爱群，赵 玲.型钢混凝土梁柱节点的研究现状［J］.工业建筑，2005(1):56-58.

［2］ 李 焱，杨建江，秘志伟.型钢混凝土梁柱节点的研究和应用［A］.第十一届全国结构工程学术会议论文集第Ⅰ卷［C］.2002.

［3］ 胡轶敏，尉彤华，徐少华，等.型钢混凝土梁柱刚性节点构造［J］.浙江建筑，2007(7):27-30.

［4］ 梁 威，王 昊.我国型钢混凝土梁柱节点构造综述［J］.结构工程师，2007(4):98-104.

［5］ 王华洪，董事尔，党鹏飞，等.浅述型钢混凝土梁柱节点构造与应用改进［J］.中国新技术新产品，2012(8):88-89.

［6］ 闫丽娟.型钢混凝土结构梁柱节点研究［J］.科技情报开发与经济，2007(33):258-259.

［7］ JGJ 138-2001，型钢混凝土组合结构技术规程［S］.

［8］ 王继武.型钢混凝土框架梁柱节点受力性能有限元分析［D］.重庆:重庆交通大学，2009.

［9］ 徐珍珍.型钢混凝土框架梁柱节点受力性能研究［D］.西安:西安科技大学，2012.

［10］ 颜 军，李升才.型钢混凝土节点受力性能及承载能力计算方法比较［J］.郑州轻工业学院学报(自然科学版)，2008(5):49-53.