钢梁与钢管混凝土束剪力墙端板式刚接节点

胡立黎，尹卫泽

(杭萧钢构股份有限公司，杭州 310003)

钢-混凝土组合剪力墙主要有三种构造形式，包括内嵌钢板-混凝土组合剪力墙、单侧钢板混凝土组合剪力墙以及双钢板-混凝土组合剪力墙[1]。对于外侧双钢板，内填混凝土的多腔组合构件，最先集中于多腔钢管混凝土柱的研究[2]。随着装配式钢结构住宅的迅速发展，适宜于住宅建筑的外侧双钢板，内填混凝土的多腔组合剪力墙成为了研究热点。外侧双钢板的拉结方式有多种形式，可以采用栓钉连接、加劲钢板连接、格构式连接等[3―6]。

钢管混凝土束剪力墙构件是一种特殊的双钢板-混凝土组合剪力墙，其由钢管束和内填的混凝土组成。钢管束是由若干U 型钢或U 型钢与矩形钢管、钢板拼装组成的具有多个竖向空腔的结构单元，形式有一字型、L 型、T 型、工字型、十字型等。如图1 所示。相关学者对此种构件的抗震性能进行了试验研究[7―8]。

图1 钢管束 Fig.1 CF-MCST

在结构体系中，钢梁需要与钢管混凝土束剪力墙进行刚接，以保证结构的整体刚度。以前的钢结构节点研究主要关注于钢梁与混凝土剪力墙的连接[9]，或者钢梁与矩形钢管混凝土柱的柱贯通内隔板型节点或柱断隔板贯通型节点研究[10]。但这些节点形式均不能直接用于钢梁与钢管混凝土束剪力墙的连接。

本文提供一种适宜于钢管混凝土束剪力墙的墙梁节点—端板式刚接节点。端板式刚接节点主要由工字形钢梁、钢管混凝土束剪力墙、端板、翼缘连接板、腹板连接板组成。在工厂，先将端板、翼缘连接板、腹板连接板焊接在钢管混凝土束剪力墙。工地安装时，钢梁腹板与腹板连接板通过高强螺栓连接，钢梁翼缘与端板通过现场焊接连接。图2 为墙梁端板式刚接节点构造。

图2 墙梁端板式刚接节点 Fig.2 Steel beam-to-CF-MCST rigid end-plate joint

1 端板厚度确定

1.1 端板在钢梁拉力作用下的计算简图

设在外荷载作用下，钢梁达到了全截面塑性。钢梁翼缘和腹板分别受拉和受压，相应的端板也可分为受拉区和受压区。上翼缘传来的线拉力为qf=tfbfyb(tfb为翼缘厚度，fyb为钢梁的钢材屈服强度)；腹板部分传来的线拉力为qw=twbfyb(twb为钢梁腹板厚度)；拉力影响区域的高度为h=h1+h2(h1为钢梁高度范围外的受拉区高度，h2为钢梁高度范围内的受拉区高度)。拉力影响区域的宽度为b(b为钢梁翼缘 宽度)。

采用四面围焊方式，将端板与钢管混凝土束剪力墙和翼缘连接板焊接在一起。因此，可将此受拉部分端板钢板简化为四边固定的板件。固定边将因为受弯而形成塑性铰线，即为线1、线2、线5 和线6。假设板内的塑性绞线沿着线3 和线4。塑性机构计算简图如图3 所示。

图3 计算简图 Fig.3 Calculation sketch

1.2 端板厚度的确定

假设顶点处虚位移为Δ，则外力功Ww为：

塑性铰线上的内力功Wn为：

式中：mp1、mp为塑性绞线上的单位长度弯矩；θi分别为第i个塑性绞线上的相对转角。

令Wn=Ww，则可得：

将式(4)中 4mp1(h1+h2)/b省略，整理可得：

将mp=/4，代入式(5)可得：

式中，pt、ypf为端板的厚度和屈服强度。

令τ=tfb/twb，ξ=h2/b= 0.5hw/b，并代入式(6)可得：

式中，Afb为钢梁翼缘截面面积。

1.3 满足“强节点弱构件”要求

按照中国规范《建筑抗震设计规范》[10]的要求，为满足“强节点弱构件”要求，需要引入抗震设计的连接系数jη，并采用端板钢材极限强度，将其代入式(8)可得：

式中：ut为抗震设计时，需要的端部厚度；p,uf为端板的极限强度。

考虑到端板如果达到p,uf，端板板件形成塑性铰线的弯曲变形可能很大，四面围焊的焊缝可能发生破坏，以及翼缘连接板与端板之间正面焊缝的变形协调。保守考虑，按照仅允许端板厚度1/3 范围达到极限强度，厚度2/3 范围达到屈服强度，即，采用 (2fp,y+fp,u)/3代替fp,u，将其代入式(9)可得：

2 试验验证

2.1 试验试件和试验装置

试验设计了6 个足尺模型，钢管混凝土束剪力墙，采用4 mm 厚U 型钢组成，内填充C40 自密实混凝土，钢梁均为焊接H-380×130×6×14。按照图2方式，采用端板焊接、腹板螺栓连接的形式将钢梁与墙体连接起来。按照抗震设计和非抗震设计要求，分别钢梁翼缘端部上设置盖板进行加强节点，或者不设置盖板。

6 组墙梁节点分别编号为GL1、GL2、GL3、GL4、GL5、GL6。螺栓采用10.9 级M22 摩擦型高强螺栓。根据计算结果，分别改变端板厚度和翼缘连接板的厚度，进行设计试件。试件参数见表1 所示。

表1 试件参数 /mm Table 1 Parameters of specimens

试验时先在墙体顶部先施加轴压荷载，之后在钢梁端部施加竖向低周反复荷载，以模拟地震作用，试验装置如图4 所示。

图4 试验装置示意图 Fig.4 Sketch of test setup

2.2 典型滞回曲线和破坏形态

试验的详细结果将在其他文章中进行分析。试件的典型滞回曲线较为饱满稳定，并呈现梭型。总体来看，试件在前四级加载，即在0.01 rad 转角以内，刚度变化较小，近乎无残余变形，基本处于弹性状态。随着滞回荷载的加大，滞回环逐渐倾向于更加饱满的状态。

试件典型破坏形态如图5 所示，从图中可以看出，试件的钢梁上翼缘和下翼缘均发生了屈曲，屈曲位置距离端板约450 mm(接近一个钢梁高度)；钢梁腹板也发生了屈曲，显示钢梁已经形成“塑性铰”。此时，端板没有明显变形，翼缘连接板也没有明显变化，实现了“强节点弱构件”的设计意图。但是，也说明了该端板厚度有过厚的可能，需要在将来的研究中进一步分析。

图5 试件典型破坏形态 Fig.5 Failure of test specimens

3 工程示范

根据试验结果，选取万郡大都城项目三期和四期进行该节点的工程示范，并按照推导的公式进行设计。该项目位于内蒙古包头市青山区，项目占地面积约33 万m2，总建筑面积约100 万m2，共分为四期进行建设，均为商业住宅。项目抗震设防烈度为8 度，50 年基本风压为0.55 kN/m2。

三期工程总建筑面积约18.5 万m2，地上建筑面积约15.8 万m2，由6 幢高层住宅组成，地上30 层 ～34 层，标准层层高均为2.9 m。到2019 年5月，三期已经全部竣工。

四期工程总建筑面积约21.5 万m2，地上建筑面积约18.8 万m2。由6 幢高层组成，地上28 层～ 34 层，标准层层高均为2.9 m。到2019 年5 月，四期主体结构已经封顶2 幢，其它幢正在施工过程中。

考虑到减少钢板厚度种类，进行了归并，工程中主要采用的钢梁截面和端板厚度如表2 所示。总体来看，端板厚度较厚，一定程度上影响了其经济性能。

表2 端板厚度 /mm Table 2 Thicknesses of end-plates

工厂制作完成时，端板式节点的情况如图6 所示。工地使用时，端板式节点的情况如图7 所示。

图6 在工厂时节点 Fig.6 Joints in factory

图7 示范工程 Fig.7 Demonstration project

通过以上工程应用可以发现，该节点安全可靠；无牛腿，运输更方便；有利于建筑门窗洞口的设置；减少钢梁分段，有利于钢梁和钢管束标准化工作；提高了现场安装和制作的便利性。

4 结论

本文通过理论分析并结合试验、工程应用情况，分析了钢梁与钢管混凝土束剪力墙端板式刚接节点的力学性能和施工便利性，得到以下结论：

(1) 提出了一种钢梁与钢管混凝土束剪力墙端板式刚接节点的形式，并推导出端板厚度设计方法。通过试验和工程应用证明，该设计方法能够满足当前工程应用要求，安全可靠。

(2) 试验结果和实际使用过程中，也发现计算的端板厚度有过厚的可能，需要在将来的研究中进一步分析，以提高该节点经济性能。