裝配式型鋼混凝土梁柱連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

裝配式型鋼混凝土梁柱連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

Summary：裝配式型鋼混凝土結(jié)構(gòu)是一種既具備型鋼混凝土結(jié)構(gòu)耐火、抗腐蝕性能好、承載力高等特點(diǎn)，又具備裝配式結(jié)構(gòu)施工效率高、質(zhì)量好、建筑能耗低等特點(diǎn)的，具有廣闊應(yīng)用前景的建筑結(jié)構(gòu)。本文對(duì)裝配式型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的連接方式進(jìn)行了介紹，旨在為相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供參考。Keys：型鋼混凝土；裝配式結(jié)構(gòu)；節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)裝配式型鋼混凝土結(jié)構(gòu)是一種既具備型鋼混凝土結(jié)構(gòu)耐火、抗腐蝕性能好、承載力高等特點(diǎn)，又具備裝配式結(jié)構(gòu)施工效率高、質(zhì)量好、建筑能耗低等特點(diǎn)的，具有廣闊應(yīng)用前景的建筑結(jié)構(gòu)。由于裝配式型鋼混凝土梁柱連接節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能對(duì)整個(gè)裝配式結(jié)構(gòu)的受力性能影響很大，且國(guó)內(nèi)尚未出臺(tái)相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范，同時(shí)也缺乏這種節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能試驗(yàn)，使得裝配式型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中推廣遇到了理論上的困難。一、型鋼混凝土結(jié)構(gòu)截面形式不同截面形式的型鋼混凝土結(jié)構(gòu)其力學(xué)性能也將有所差異。如圖1(a)所示為四種由槽鋼或角鋼通過(guò)綴板焊接連接，再外包混凝土的截面形式，統(tǒng)稱為空腹式。采用空腹式的型鋼混凝土結(jié)構(gòu)能節(jié)約不少鋼材，但綴板與槽鋼或角鋼的焊接費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且留下的焊縫可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生脆性破壞，因而在實(shí)際工程中應(yīng)用較少。如圖1(b)所示為四種由工字鋼或鋼管直接外包混凝土，或者其它型鋼相互焊接后再外包混凝土的截面形式，統(tǒng)稱為實(shí)腹式。采用實(shí)腹式的型鋼混凝土結(jié)構(gòu)施工方便，且具有良好的力學(xué)性能，在工程中應(yīng)用較為廣泛。圖1裝配式型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中常采用的截面形式二、梁柱節(jié)點(diǎn)在裝配式型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中的形式從結(jié)構(gòu)形式上來(lái)看，裝配式型鋼混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)保證至少與傳統(tǒng)現(xiàn)澆型鋼結(jié)構(gòu)發(fā)揮相同的作用，但是與其它類型的裝配式結(jié)構(gòu)面臨的問(wèn)題一樣，作為整個(gè)結(jié)構(gòu)體系中最關(guān)鍵的構(gòu)件，節(jié)點(diǎn)直接影響了裝配式結(jié)構(gòu)的裝配效率以及力學(xué)性能，如何才能結(jié)合不同的工程實(shí)際選用最合適的節(jié)點(diǎn)類型需要進(jìn)行深仔細(xì)地研究和分析。裝配式型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)應(yīng)采取何種連接方式是整個(gè)裝配式型鋼混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，一般可從焊接、螺栓連接、牛腿連接等三種連接方式入手，選取最符合工程實(shí)際的連接方式。1.焊接連接節(jié)點(diǎn)焊接連接相較于其它連接方式較早地出現(xiàn)在了傳統(tǒng)現(xiàn)澆型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中，在裝配式型鋼混凝土結(jié)構(gòu)誕生之初，工程中主要是采用焊接的方法將預(yù)制的梁柱構(gòu)件連接起來(lái)。采用焊接連接的裝配式型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)如圖2(a)所示，一種是往預(yù)制的梁柱構(gòu)件中預(yù)先嵌入型鋼，并預(yù)留一部分外伸型鋼在構(gòu)件端部，然后對(duì)梁、柱預(yù)制件的預(yù)留端進(jìn)行焊接，最后往焊接的區(qū)域再澆筑少量的混凝土來(lái)實(shí)現(xiàn)連接；另一種是將鋼板連接件代替原先的預(yù)留型鋼來(lái)進(jìn)行焊接的節(jié)點(diǎn)，由于鋼板連接件焊接后力學(xué)性能較好，無(wú)需再往焊接區(qū)后澆混凝土便可實(shí)現(xiàn)裝配效果。采用焊接連接的裝配式型鋼混凝土結(jié)構(gòu)其力學(xué)性能在一般情況下等同于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，且具有施工簡(jiǎn)便、剛度大的特點(diǎn)，但是此種連接方式受限于實(shí)際工程中焊接技術(shù)的水平，無(wú)法保證焊縫在地震、沖擊等極端荷載作用下不發(fā)生脆性破壞，因此很難在我國(guó)抗震設(shè)防烈度較高的地區(qū)推廣使用。2.鋼板式螺栓連接節(jié)點(diǎn)鋼板式螺栓連接由鋼結(jié)構(gòu)中的螺栓連接發(fā)展而來(lái)，最初在裝配式型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中主要是采用普通或者高強(qiáng)螺栓將梁柱預(yù)制構(gòu)件中預(yù)留有螺栓孔的鋼板連接起來(lái)。采用鋼板式螺栓連接的裝配式型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)如圖2(b)所示，往預(yù)制的梁柱構(gòu)件中預(yù)先嵌入鋼板，并預(yù)留有螺栓孔，使得節(jié)點(diǎn)的含鋼量提高了，并改善了其力學(xué)性能。后來(lái)又有學(xué)者提出了改進(jìn)的鋼板式螺栓連接方式，一種是將翼緣削弱的狗骨式型鋼代替原先的普通鋼板，然后對(duì)梁柱預(yù)制構(gòu)件外伸的工字鋼腹板之間用螺栓進(jìn)行連接，使得節(jié)點(diǎn)區(qū)的塑性鉸外移，增大了裝配式型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的抗彎強(qiáng)度比，從而使節(jié)點(diǎn)在承受低周反復(fù)荷載作用時(shí)具有更強(qiáng)的耗能能力；另一種是將不連續(xù)的型鋼埋入梁柱預(yù)制構(gòu)件中，通過(guò)控制節(jié)點(diǎn)區(qū)塑性鉸的位置來(lái)使得裝配式型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在地震作用下剛度不發(fā)生劇烈變化。采用鋼板式螺栓連接的裝配式型鋼混凝土結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)具有更好的抗震性能，適用于抗震設(shè)防烈度較高的地區(qū)以及其它對(duì)抗震設(shè)防要求較高的建筑物，但是此種連接方式受限于其復(fù)雜的制作工藝，對(duì)裝配結(jié)構(gòu)的安裝精度要求較高，且增加了用鋼量和施工成本，因此也需結(jié)合工程實(shí)際來(lái)判斷是否適合選用。3.型鋼式牛腿連接節(jié)點(diǎn)采用牛腿連接方式的節(jié)點(diǎn)最初多用于工業(yè)廠房中，安裝方便，能提升施工效率，后來(lái)與裝配技術(shù)融合，在裝配式結(jié)構(gòu)中也多有應(yīng)用。采用型鋼式牛腿連接的裝配式型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)如圖2(c)所示，將型鋼預(yù)先埋入柱的預(yù)制構(gòu)件中，并預(yù)留部分外伸型鋼作為節(jié)點(diǎn)的暗牛腿，然后再通過(guò)焊接或螺栓連接與預(yù)制梁構(gòu)件連接，裝配完畢后在接頭后澆少量混凝土實(shí)現(xiàn)連接。這種連接方式能充分發(fā)揮型鋼強(qiáng)大的承載能力，并隱藏牛腿外形，適用于對(duì)室內(nèi)美觀要求較高的工業(yè)廠房，但也存在與牛腿連接的梁端施工比較麻煩、豎向荷載過(guò)大時(shí)容易發(fā)生失穩(wěn)等問(wèn)題。當(dāng)豎向荷載很大時(shí)，預(yù)制柱內(nèi)還應(yīng)預(yù)埋插筋并與疊合梁上下鋼筋焊接來(lái)保護(hù)型鋼式牛腿，作為牛腿的型鋼還應(yīng)增大截面厚度或者使用加勁肋來(lái)增加側(cè)向支撐能力，這樣會(huì)使得牛腿暴露于室內(nèi)，并花費(fèi)較多的鋼材，影響室內(nèi)美觀，對(duì)室內(nèi)美觀要求不高的但承載力要求較高的建筑如重型鋼結(jié)構(gòu)廠房適用這種連接方式。4.裝配式型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原則裝配式型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在實(shí)際施工時(shí)有時(shí)會(huì)遇到采用上述三種節(jié)點(diǎn)的連接方式都無(wú)法解決的問(wèn)題，這時(shí)需要結(jié)合工程實(shí)際情況設(shè)計(jì)一種新的連接節(jié)點(diǎn)，由于新節(jié)點(diǎn)對(duì)整個(gè)裝配式型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的裝配過(guò)程還有質(zhì)量影響很大，需要在設(shè)計(jì)時(shí)把握好如下的基本原則。（1）強(qiáng)柱弱梁原則。在整個(gè)裝配式型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中，預(yù)制柱構(gòu)件的截面形式一般采用實(shí)腹式，具有良好的承載能力和抗震性能，除非建筑有特別的要求，一般不需要額外增加其截面面積和改變截面形式就能保證柱的強(qiáng)度，而預(yù)制梁構(gòu)件則需要在設(shè)計(jì)時(shí)特別考慮。型鋼混凝土梁具有剛度大、防火防腐蝕能力強(qiáng)的特點(diǎn)，但是為了保證整個(gè)裝配式型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在地震作用下塑性鉸先出現(xiàn)在梁端而需要對(duì)其進(jìn)行削弱，比如梁內(nèi)型鋼采用翼緣削弱的狗骨式型鋼或者使用不連續(xù)的型鋼等，從而增大梁在地震作用時(shí)的變形，減少柱的變形，防止結(jié)構(gòu)倒塌。（2）強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件原則。裝配式型鋼混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)所采用的連接方式既要保證裝配式型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的安裝效率，又要保證連接節(jié)點(diǎn)不在荷載作用下發(fā)生脆性破壞，需要在設(shè)計(jì)時(shí)特別注意。由于要保證預(yù)制柱的強(qiáng)度，因此構(gòu)件的弱化應(yīng)該從預(yù)制梁開始考慮。裝配式型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中的型鋼混凝土梁含鋼率較高，因而有較大的自重，可通過(guò)改變梁的截面形式和截面大小來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化。在弱化構(gòu)件的同時(shí)還要注意節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)化，主要體現(xiàn)在保證節(jié)點(diǎn)安裝的可靠，比如在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)設(shè)加勁肋、后澆混凝土等，從而保證裝配式型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。圖2梁柱節(jié)點(diǎn)在裝配式型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中的形式三、結(jié)語(yǔ)本文主要從節(jié)點(diǎn)的連接方式的角度對(duì)裝配式型鋼混凝土梁柱連接節(jié)點(diǎn)該如何設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。介紹了型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的截面形式，另外還主要介紹了在工程應(yīng)用中較多的焊接連接、螺栓連接、牛腿連接等連接方式，其中焊接連接隨著焊接技術(shù)的提高，未來(lái)仍然有很大的應(yīng)用空間；螺栓連接抵御地震作用的能力最強(qiáng)，且形式靈活多變，容易研發(fā)出更多符合工程實(shí)際的連接方式；牛腿連接應(yīng)用局限性較大，需要從連接的方式上進(jìn)行創(chuàng)新以進(jìn)一步推廣。最后還介紹了工程實(shí)際情況不宜采用這些節(jié)點(diǎn)需另行設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)時(shí)應(yīng)注意的一些原則，以保證在結(jié)構(gòu)安全的前提下能充分發(fā)揮