钢筋锚固对钢管混凝土上环梁宽度的影响

林宇静，崔先斌，陈 锋，陈平宇，黄宏林，陈 磊

（1.中国建筑第二工程局有限公司华南分公司，广东 深圳 518045；2.重庆赛迪工程咨询有限公司，重庆 400000；3.深圳市建筑工务署文体工程管理中心，广东 深圳 518045）

钢管混凝土柱作为一种承载力大、施工便捷、建筑观感良好的竖向构件，近年来已经越来越多地被选用为超高层建筑的主要竖向构件。由于其外围钢管可以便捷地与其它钢构件连接，也有不少大型公共建筑采用钢管混凝土柱作为主要竖向构件，用以支撑大型钢结构屋面。

钢管混凝土柱的梁柱节点按梁的材料类型主要分为两种：与钢梁连接和与钢筋混凝土梁连接。与钢梁连接时，梁与柱均为钢材，构造比较简单，典型做法有内（外）加强环、钢梁穿心等做法。与钢筋混凝土梁连接时，由于梁内既有钢筋又有混凝土，构造相对复杂，近年来发展出不少做法：变梁宽式、双梁式、钢筋贯通式、钢牛腿式、钢筋混凝土环梁式等。前几种做法由于构造复杂，施工难度大，设计相对繁琐等原因，在工程实践中已较少使用。钢筋混凝土环梁节点由于构造简单、设计便捷，使用范围较广。随着设计复杂程度增加，越来越多项目出现了框架梁纵筋在钢管混凝土柱-混凝土环梁节点处锚固做法困难、甚至不能满足规范要求的情况。

本文中的“环梁”均指钢管混凝土柱-钢筋混凝土环梁节点的钢筋混凝土环梁。

1 规范对环梁尺寸构造要求

环梁尺寸在几本主要规范中的要求基本一致，详见表1。其中DBJ/T15-92-2021《高层建筑混凝土结构技术规程》（下称“广东省《高规》”）对环梁宽度细化要求“不应小于2/3 框架梁宽度”，对环梁高度仅要求“宜比框架梁高度高30mm”。各规范对环梁尺寸的隐性要求体现在对框架梁钢筋的锚固要求中：“框架梁纵向钢筋在环梁内锚固长度满足GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》要求”，即达到框架梁端刚接的计算假定。广东省《高规》中关于环梁构造做法如图1 所示。

图1 广东省《高规》中关于环梁构造做法示意图

表1 不同规范中对环梁尺寸的构造要求

2 常见设计要求

在我司承建的项目中，涉及钢管混凝土柱-混凝土环梁节点的项目类型，既有高度超300m的超高层钢框架-核心筒写字楼，也有室内无柱空间超50m 的钢框架结构公共场馆建筑，结构类型多样，均有采用环梁做法。表2 选取具有代表性的项目及设计单位关于环梁的设计要求以及与环梁相连的框架梁典型宽度、框架梁首层面筋锚固方式。

表2 不同项目施工图中环梁尺寸的要求

从表2 的设计实例可见，环梁宽度一般均能满足规范构造要求，不小于框架梁的宽度。4 个项目中，3 个项目的框架梁纵筋锚固采用常见的搭接梁面筋在环梁梁面筋上部弯锚的做法，1 个项目采用框架梁纵筋在环梁边下弯并伸入环梁梁首层面筋下部。现场采用1∶1 尺寸模拟环梁及框架梁钢筋安装，发现框架梁纵筋在环梁边下弯并伸入环梁梁首层面筋下部做法存在无法安装框架梁纵筋、框架梁纵筋水平锚固段过短等问题，可见框架梁的首排面筋放置于环梁面筋之上最优做法（图2、图3）。

图2 环梁构造做法设计大样

图3 现场环梁做法

3 框架梁钢筋锚固要求对环梁尺寸的影响

3.1 框架梁在环梁处锚固的类型分析

框架梁与环梁的连接，并非一般的梁柱节点连接：其节点的传力路径为内力从框架梁端传递至环梁侧面，通过环梁扩散后传递至钢管混凝土柱子侧壁，进而向下传递。环梁与框架梁顶面平齐，没有普通框架结构的竖向构件向下传来的压力，与常规所说“梁柱节点”有所不同。所以，框架梁与环梁节点在受力实质上是框架梁在环梁上的刚接锚固，即“梁搭梁”。现行GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》的第9.3 节“梁柱节点”部分对“梁纵筋在框架中间层端节点”、“梁纵筋在框架中间层中间节点或连续梁中间支座”、“梁纵筋在框架顶层端节点”均有明确要求，但并未有“框架梁在环梁处锚固节点”或类似情况的表述，间接印证环梁节点为“梁搭梁”。框架梁纵筋在环梁处锚固应按GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》第8.3 节“钢筋的锚固”要求，框架梁纵筋弯折锚固并达到刚接假定。

3.2 环梁高度受钢筋安装的影响

从表1 中各规范对环梁高度的建议值中可以看出，环梁底标高低于框架梁底标高，从而使框架梁底筋可以水平伸入环梁并处于环梁最下层底筋之上，实践中框架梁底筋安装也相对便捷。环梁面筋受到框架梁面筋安装影响会降低环梁有效高度，但此影响可通过增加钢筋解决。故钢筋安装需求一般不会影响环梁高度。

3.3 环梁宽度受钢筋安装的影响

框架梁首层面筋布置在环梁面筋之上时，框架梁的纵筋在环梁处的锚固，按刚接充分利用钢筋强度考虑时，可采用钢筋90°弯钩或机械锚固，此时规范明确要求最小水平锚固长度为60%基本锚固长度Lab（抗震时为LabE）。考虑到实际应用钢管混凝土柱的项目多为特一级、一级抗震，且目前城镇房屋均需进行抗震设计，后续均采用抗震基本锚固长度。

框架梁纵筋锚固段的最小水平长度应达到60%LabE，此值即为满足规范要求前提下框架梁纵筋的锚固要求。除此之外，GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》要求钢筋的弯折锚固，弯折段尚应放置在锚固构件的角筋内侧。

综上，从框架梁纵筋锚固要求出发的环梁构造尺寸应满足

式中B——环梁宽度（mm）；

b——钢管混凝土柱抗剪环水平宽度（mm）；

s——综合施工空间及误差，不应小于30mm；

LabE——框架梁纵筋的基本抗震锚固长度（mm）。

假设抗剪环水平宽度为25mm，箍筋直径为14mm，环梁面筋直径与框架梁纵筋一致，一级抗震，则可计算出常用钢筋直径及混凝土强度等级所对应的环梁宽度，见表3。

表3 满足最小锚固要求的环梁宽度尺寸 （单位：mm）

由表3 可见环梁宽度尺寸不宜仅按与其连接的框架梁宽度尺寸来确定，施工图设计时应考虑各因素对环梁宽度的影响。

通过分析前文所列4 个项目的典型环梁节点施工图，将钢筋实际锚固所需环梁宽度与施工图环梁设计宽度进行对比，计算出差值=（实际锚固需要宽度-设计宽度），详见表4。其中所有节点的抗剪环宽度、箍筋直径、施工空间均按表3的假设确定。可以看出，表4 中超高层写字楼3的环梁宽度设计距满足钢筋实际锚固需要宽度较大，环梁设计宽度约需增大40%才能符合要求。满足要求的项目，其施工图设计在混凝土强度等级、环梁宽度、钢筋直径均为相对有利于钢筋锚固的做法，即高强度混凝土-低等级钢筋-小直径钢筋的组合。

表4 不同项目施工图中环梁尺寸与施工图中配筋实际需求尺寸对比

4 结论及建议

通过本文分析，常规设计采用的混凝土环梁定宽设计，可能会导致施工现场实施时不满足钢筋锚固的规范要求，建议设计混凝土环梁时采用下列做法及图4 所示节点构造。

图4 建议的环梁构造示意图

1）混凝土环梁宽度的设计应综合考虑环梁混凝土强度等级、框架梁钢筋强度等级、框架梁钢筋直径、环梁箍筋直径、抗剪环宽度、施工空间的影响，其中框架梁纵筋的影响最大。

2）框架梁纵筋除首层面筋外，其它纵筋建议设计时采用机械锚固做法，且优选单侧贴焊钢筋或螺栓锚头做法。

3）建议在框架梁纵筋的水平锚固段增设U型箍筋，直径及间距满足构造，从环梁上部向下插入环梁，一个U 型箍筋箍住两根框架梁纵筋，以满足GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》第8.3.1-3 条要求。