型钢混凝土梁柱节点深化设计要点分析

刘浩宇 张秀刚

上海宝冶钢结构工程公司 上海 200941

引言

随着社会经济的发展，钢结构在大型公共建筑中应用越来越广泛。大型钢建筑地下结构通常为型钢混凝土结构，因其一层使用功能多样，荷载较大，故一般一层楼盖截面尺寸及配筋量较大，型钢混凝土梁柱节点较为复杂。针对此类节点，一些构造在图集规范中规定较为粗略，尚有较多深化细节需要注意。

商丘市图书馆、展示馆、方志馆、市民中心（简称商丘三馆一中心）是多馆合一的文化组团综合体建筑，建筑高度28.2m，地下2层，地上5层，总建筑面积92320m2，由4个单体和其间连体组成；其中单体地下一层为框架结构，构件主要为型钢混凝土柱和混凝土梁，局部设置型钢混凝土梁，型钢混凝土柱内置型钢为箱型，型钢混凝土梁内置型钢为H型。典型构件截面及配筋如表1所示。

表1 商丘三馆一中心典型型钢混凝土梁柱节点

1 钢筋与型钢相对关系

1.1 梁钢筋与柱型钢关系

在梁柱节点中，从平面位置看，梁纵筋遇到型钢时，其锚固构造一般应尽可能自然弯曲绕过，不能绕过的焊接于钢牛腿，但焊接于钢牛腿的钢筋面积率不应大于30%。对于大型建筑，梁柱构件截面较大[1]，按照图集推荐做法施工时，如图1所示，钢筋弯折角度较大，钢筋加工困难，施工时难以放置；对于混凝土梁上部受拉纵筋，当钢筋转折角度较大时，会对梁柱连接处混凝土造成向外推力，易造成局部混凝土开裂甚至崩坏。针对此情况，本项目采用加腋做法，如图2所示。通过加腋，将梁纵筋从节点外开始弯折，可极大减小钢筋弯折角度，同时在弯折处增设加密箍筋，加强对纵筋约束作用；加腋斜率应根据梁柱截面及其受力特点取值，通常可取≤1∶4。纵筋弯折后间距过大时，可填补附加筋，防止混凝土产生裂缝，改善其性能，附加筋通常可采用12，最大间距不大于200mm。

图1 梁柱节点平面钢筋图集推荐做法

图2 大型梁柱节点加腋做法

当混凝土梁斜交于型钢混凝土柱时，主要考虑钢筋弯曲程度设置加腋起始点，两侧转折点可以错开设置，钢牛腿可根据钢筋布置偏向一侧。当梁一侧为洞口不允许设置加腋时，钢牛腿可偏向一侧设置，同时梁边缘纵筋内折，连接于钢牛腿上，如图3所示[2]。

图3 斜梁及洞口处加腋做法

从竖直方向看，梁柱节点四周梁位于同一标高时，梁上部纵筋会在节点区域会产生碰撞，按照图集采用一个方向纵筋抬高做法时，会造成加腋区梁上表面倾斜，破坏建筑设计标高。本项目通过降低一个方向的纵筋标高，另一方向平直通过。对于设置双层纵筋的梁，纵筋可分别于牛腿翼缘上下表面焊接，同时进一步减小牛腿尺寸，令双层钢筋均从牛腿上下两侧绕行；当存在梁截面不同时，垂直于该梁的牛腿腹板需在纵筋通过位置进行打孔，孔直径可为钢筋直径的1.5倍，如图4所示。

图4 梁柱节点竖直方向钢筋位置

1.2 柱钢筋与钢牛腿关系

图5a给出了柱钢筋平面布置图，为尽量避开钢牛腿，保证钢筋连续，柱钢筋需在柱截面角部加密，中部放宽。调整钢筋间距后，一般可保证与钢牛腿冲突的数量较少，间距较大，纵向钢筋与牛腿连接宜采用套筒焊接。牛腿范围内的箍筋会被牛腿腹板阻隔，一般采用断开箍筋或牛腿腹板开孔措施。柱箍筋直径一般采用10～16mm，现场焊接连接质量较差，故一般采用腹板开孔，保证箍筋连续。值得注意的时，大型建筑柱箍筋一般均为复合箍，内侧箍筋尚需牛腿腹板开设孔洞；外侧箍筋一般为多个箍筋叠放，其开孔应为长圆孔，在平面图纸中不易察觉，是钢结构深化过程中易错的地方。纵筋连接及箍筋开孔如图5b所示[3]。

图5 柱钢筋与牛腿相对关系示意图

1.3 型钢混凝土主梁与混凝土次梁关系

商丘三馆一中心设置有阻尼墙，一层阻尼墙下为型钢混凝土梁，型钢上部设置有露出混凝土与阻尼墙连接的副梁。副梁对主梁及相交次梁纵筋均造成阻挡，故两个方向均需要进行开孔，如图6所示。施工时，次梁纵筋叠压在主梁纵筋上方，两个方向开孔位置应有高低差。钢结构深化时，常常仅根据钢筋保护层即确定孔洞位置，导致现场需进行扩孔处理。

2 牛腿尺寸设置

2.1 牛腿长度

牛腿长度主要需要满足钢筋的焊接长度。混凝土梁底纵筋放置于牛腿下翼缘时，钢筋焊接为仰焊，施工时下方均为密集的脚手架，造成作业不便且质量难以保证，故一般放置于下翼缘上表面；当梁底纵筋放置于牛腿下翼缘上表面时，可能会被牛腿加劲肋阻挡，其钢筋焊接长度应从隔板算起，同时需考虑加劲肋组合焊缝焊的焊脚尺寸，由此确定的翼缘较长，故一般以梁底纵筋确定牛腿长度。当牛腿长度满足以上条件时，应尽可能短，如图7所示。牛腿长度可按式1确定[4]。

图7 混凝土梁下部纵筋与钢牛腿连接示意图

式中，a为柱型钢至牛腿加劲肋距离；t为牛腿加劲肋厚度；c为牛腿加劲肋组合焊缝焊脚尺寸，可取为10mm；l为钢筋最小焊接长度。

2.2 牛腿宽度

牛腿宽度根据钢筋焊接面积率、钢筋间距及设计要求设置，同时还应满足牛腿距混凝土梁边缘要求，可按式2计算，如图8所示。混凝土梁纵筋在节点锚固时，应尽量保证其通长，当必须打断时，焊接于牛腿上的钢筋面积率不应超过30%。

图8 牛腿宽度平面示意图

式中，a为钢筋与牛腿边缘距离；s为钢筋净距，梁上部纵筋水平方向净距应保证不小于30mm及1.5d；n为焊接于牛腿是钢筋的数量；d为钢筋直径；c为牛腿与混凝土边缘距离，牛腿边缘与最外侧纵筋净距应保证不小于30mm、1.5d及1.5倍粗骨料粒径[5]。

2.3 牛腿翼缘厚度

牛腿宽度设置后，根据焊接钢筋面积，牛腿厚度hf可按屈服强度及抗拉强度进行计算，应分别满足式3和式4，考虑到钢筋对牛腿翼缘的局部拉力及极限承载力状态下变形要求，对翼缘厚度还应有构造要求，一般不宜小于20mm，或满足S3级要求。

式中，As为焊接钢筋面积，fyk为钢筋屈服强度标准值；fy为钢材屈服强度标准值；b为翼缘宽度；fstk为钢筋抗拉强度标准值；fu为钢材抗拉强度标准值[6]。

3 结束语

大型公共建筑型钢混凝土梁柱节点区钢筋密集，内置型钢对钢筋放置造成较大障碍，通过总结施工中常见问题，采取混凝土梁加腋、钢筋弯曲绕行、钢筋与牛腿焊接、牛腿尺寸设置，确保了现场钢筋安装的便捷性和质量保证，为类似工程提供参考。