双抗剪钢板转换梁柱节点的研究及应用

陈 林，刘春艳

（广东省建科建筑设计院有限公司 广州 510010）

0 引言

随着社会经济水平的提高，人们对建筑空间的舒适性及合理性要求越来越高，建筑体型越来越复杂，功能越来越多样化。为了满足建筑功能的要求，结构有时必须与常规方式相反进行布置，上部小空间，布置刚度大的剪力墙，下部大空间，布置刚度小的框架柱，必须在结构转换的楼层设置转换层，称结构转换层［1］。

转换层采用的形式主要有梁式转换，梁式、桁架式、空腹桁架式、箱形和板式转换层等。目前，国内用得最多的是梁式转换层［2-5］，其设计和施工简单，受力明确，一般用于底部大空间剪力墙结构。对于部分梁式结构转换，存在主次梁转换，同时主框支梁上不满跨布置剪力墙等原因造成框支梁端部剪力较大，此时，按通常设计需增大梁截面、混凝土强度或采用型钢混凝土截面才能满足文献［6-8］规定的剪压比要求，但综合各方面因素，存在以下不足：

⑴增大梁截面，使底部大空间净空减小，影响建筑功能使用，自重增大，吸收的地震力增大，且对于部分框支梁往往端部受力钢筋为构造配筋，增大梁截面无疑增加框支梁受力钢筋，造成浪费；

⑵采用高标号混凝土等级施工难以保证；

⑶如采用型钢混凝土梁，施工复杂，需专业施工队伍施工，增加工期。

1 节点设计思路

佛山某商业综合体总建筑面积约60 万m2，其中一区1D栋、2D栋，二区2A栋采用框支剪力墙结构，地下3 层，地上29～32 层，建筑总高度92.9～101.6 m，7 度设防，在建筑3 层通过框支转换层托换上部剪力墙以更合理地利用建筑空间。

通过与建筑及各专业协调，在达到最合理柱网及剪力墙布置的结构方案的同时，转换梁上基本托换不满跨剪力墙且大多采用主次梁托换，通过计算分析可知，主转换梁端部剪力较大造成截面剪压比严重不足，如采用普通钢筋混凝土结构，主转换梁端部须加腋处理，大大影响建筑空间的正常使用。若能通过另一种方法加强梁端部的受剪承载力，可以避免采用加腋、混凝土量及混凝土等级强度的增加，由于大多数主转换梁端部弯矩不大，加大截面无疑增加构造钢筋，进而钢筋用量也相应增加，并且从施工的角度来说，高强度等级混凝土施工质量难以保证。故在转换梁中引入型钢可解决此问题，由于型钢腹板对抗剪的贡献占主导地位而在本工程设计当中大多数主转换梁可不需要翼缘的抗弯作用，故可仅引入型钢的腹板以承受剪力，即抗剪钢板，如图1 所示，在转换梁中加入抗剪钢板可以使转换梁截面的抗剪承载力大大提高，进而满足规范对剪压比的限值要求。

图1 双抗剪钢板节点示意图Fig.1 Schematic Diagram of Double Shear Steel Plate Joint （mm）

2 分析结果及节点做法

采用普通混凝土梁及双抗剪钢板混凝土梁的经济性对比如表1所示（以一区2D主转换梁为例）：

表1 普通混凝土梁及双抗剪钢板混凝土梁综合对比Tab.1 Comprehensive Comparison between Ordinary Concrete Beam and Double Shear Steel Plate Concrete Beam

可以看出，使用钢板混凝土梁较普通混凝土梁有以下优点：

⑴转换梁端部加入钢板（钢板沿梁跨范围可根据剪力包络图确定）可大大减小混凝土梁截面，进而提高建筑空间的利用率，减轻结构自重，减小地震效应；

⑵按普通混凝土梁进行设计的转换梁配筋率较低，构造钢筋较多，引入钢板后可使转换梁达到最经济配筋率；

⑶降低混凝土强度等级，施工质量得以保证，钢板构架在工厂加工好，对施工工期影响较小。

通过综合分析，为了达到最优化的经济效益，并和业主充分沟通，决定采用双抗剪板节点体系，如图2所示，该节点可用于转换结构中，特别适用于转换梁上不满跨布置剪力墙的转换结构中。

图2 双抗剪钢板施工现场Fig.2 Construction Site of Double Shear Steel Plate

3 有限元分析

3.1 有限元模型建立

混凝土本构关系采用Hognestad 建议公式表达应力-应变关系，屈服准则采用Mises准则。混凝土的等效应力-应变曲线在上升段取5个点，下降段取2个点，屈服压应变ε0取0.002，极限压应变εu取0.003 8，泊松比ν=0.2。混凝土采用ANSYS 中提供的Solid65 单元来进行模拟，混凝土采用C40 等级。抗剪钢板采用Solid45 单元模拟及Von Mises 屈服条件，本构模型采用三折线模型，钢材采用Q345B。

节点模型的有限元网格采用映射网格划分，网格划分的大小依据混凝土单元尺寸不宜小于50 mm 的建议［9-11］（本文取100 mm）。模型节点的单元网格划分如图3所示。

图3 双抗剪钢板节点有限元模型Fig.3 FEM of Double Shear Steel Plate Joint

3.2 有限元计算结果

3.2.1 位移分析

节点计算模型变形如图4 所示，由于转换结构刚度较大，变形结果较小，不到2 mm。可以看出，抗剪钢板与混凝土梁柱协调工作性能较好。

图4 双抗剪钢板节点变形Fig.4 Deformation of Double Shear Steel Plate Joint

3.2.2 应力分析

双抗剪钢板节点第一主应力如图5 所示，由图5可知，抗剪钢板上端承受一定的拉应力，即抗剪钢板承担了一部分弯矩，但应力水平较低，最大123 MPa，远小于钢材屈服值。混凝土拉应力较小（1.77 MPa），低于抗拉强度标准值。结果表明在抗剪钢板端部上下各设置一块端板是有效的，未出现抗剪钢板对混凝土劈裂作用而造成局部混凝土压应力较大。

图5 双抗剪钢板节点第一主应力Fig.5 First Principal Stress

由图6可以看出，抗剪钢板压应力较小，压应力主要由混凝土承担。由于转换梁截面较大，压应力水平较低，基本由抗剪控制。

图6 双抗剪钢板节点第三主应力Fig.6 Third Principal Stress

由图7可以看出，梁端混凝土剪应力水平较低，抗剪钢板剪应力较大，但小于剪应力标准值。由此可知抗剪钢板节点协调性能较好，抗剪钢板承担了绝大部分剪力，节点抗剪性能优越。

图7 双抗剪钢板节点梁端剪应力Fig.7 Shear Stress of Beam End

节点裂缝发展如图8 所示，节点梁侧面出现了细微裂缝，实际设计中对转换梁配置抗扭腰筋可延缓裂缝发展及减小其宽度；节点内部抗剪钢板上端与混凝土交接处出现较密集裂缝，实际设计中也可参考抗剪钢板外伸端部设置上下两块端板，既可延缓混凝土裂缝的发展，又可连接部分转换梁纵筋。

图8 双抗剪钢板节点裂缝Fig.8 Crack of Double Shear Steel Plate Joint

由有限元分析结果可得出，双抗剪钢板梁柱节点受力可靠，抗剪钢板虽承担了一部分弯矩，但仍在可控范围，抗剪钢板吸收了梁端大部分剪力，与混凝土能够协同工作。在具体设计时，建议在抗剪钢板两端上下各焊接一块缀板，以减小抗剪钢板对混凝土的劈裂作用。

4 结语

通过对比分析，此工程运用双抗剪钢板节点解决转换梁截面过大问题，不仅满足业主经营需求，同时也提高了材料利用率，并且使工期得到保证。结论及设计建议如下：

⑴采用双抗剪钢板梁柱节点体系用于不满跨转换梁结构稳定可靠，有较大的经济效益；

⑵通过有限元分析结果可知，双抗剪钢板梁柱节点体系受力合理，与混凝土能较好地协同工作；

⑶可根据转换梁的剪力包络图确定梁端钢板设置长度，而无需通长布置；

⑷设置两块抗剪钢板通过拉结筋互相连接实现自相平衡稳定骨架；抗剪钢板端部需设置缀板，以减小钢板对混凝土的劈裂作用；

⑸本节点将钢板延伸至柱内，通过各向交叉连接在柱内形成封闭区域，不仅提高柱内混凝土延性及转换梁柱核心节点区抗震性能，实现强节点要求，而且从施工角度来说形成更稳定钢骨系统，有利于混凝土浇筑。