型钢混凝土柱连接圆钢管混凝土柱节点设计.pdf

与 建 材装 饰2016 年 3 月 型钢混凝土柱连接圆钢管混凝土柱节点设计 张达明杜嘉斌 （广州市住宅建筑设计院有限公司广东 广州510623） 摘要:钢管混凝土柱与型钢混凝土柱,能否在同一个项目中使用并充分发挥各自的优点,二者的连接节点设计是关 键.其可以参考钢管混凝土的柱脚节点采用端承式和埋入式.通过手工计算和 ANSYS 有限元模拟的方式复核端承式连接 方式可满足规范要求；对于埋入式连接方式,采用有限元模拟结果显示其节点受力性能优于前者. 在施工上,端承式连接 方式优于埋入式. 关键词:钢管混凝土柱；型钢混凝土柱；节点；ANSYS 中图分类号： TU398.9文献标识码： A 文章编号： 1673-0038 （2016） 12-0118-03 1 引 言 型钢混凝土柱与圆钢管混凝土柱， 做为两种受力性能较好的 竖向结构单元， 目前已广泛应用于超高层结构中。两种技术随着 时间的推移已日趋成熟。两种技术相比各有优缺点： 型钢混凝土 柱有很好的抗弯、 抗剪性能， 而且有很好的延性； 但其同等条件 （等面积） 下的受压性能不如圆钢管混凝土柱， 同时建筑立面效 果及空间的使用效果欠佳； 另外， 由于其仍需要每层绑扎柱钢筋 并浇筑混凝土， 其施工便利性一般。而圆钢管混凝土柱， 由于核 心区混凝土为三向受力，在同等条件下有很高的竖向承载力和 很好的延性； 同时其建筑立面、 空间效果均较好， 且施工方便； 但 其受弯、 受剪性能不如型钢混凝土柱。实际工程中是否需要将两 种技术同时使用， 答案是肯定的。富力天盈广场 C1 栋 （地上 39 层， 地下 4 层， 主体高度 175m， 建筑总高度 183.9m， 采用钢管混 凝土柱框架-筒体结构体系， 在 7 层楼面存在局部转换） 就同时 采用了两种技术， 并充分发挥二者的优点 （如图 1 所示） 。这样， 型钢混凝土柱转换成圆钢管混凝土柱的节点成为关键。目前国 内外对这种节点的相关资料较少，本文介绍该节点的设计过程 供同行参考。 2 节点几何与受力情况 下部型钢混凝土转换柱及上部圆钢管混凝土柱尺寸如图 2 所示， 从图 2 中可以看出， 为保证下部型钢与钢管柱受力的连续 性，我们将型钢位于钢管柱投影范围内的十字钢骨在钢管柱内 向上延伸 2m。 由整体模型中提取的钢管柱顶的内力如表 1 所示。 这里需要特别说明一下， 根据文献1的要求， 钢管柱及型钢柱属 于关键构件， 需要达到小震、 中震弹性的相关性能水准， 而大震 下性能水准为中度损坏 （宜抗剪不屈服、 抗弯不屈服） 。故本文仅 列出小、 中震的内力情况 （如图 3） 。 3 钢管混凝土柱与型钢混凝土连接节点计算 3.1 节点形式的选择 现行规范中并未有钢管混凝土柱与型钢混凝土柱的连接节 点做法。但作者认为可将下部型钢混凝土做为钢管混凝土柱的 基础考虑，这样二者连接节点的做法就可以参考钢管混凝土的 柱脚进行设计。钢管混凝土的柱脚根据其受力情况分为端承式 和埋入式，现根据表 1 的内力情况分析钢管混凝土柱脚受力情 况如表 2 所示。 图 1 构件关系构件内型钢与钢管关系 图 2 图 3 表 1 多遇地震设防地震 Nmax N （kN） 5098062505 M （kN m） 16832171 Nmin N （kN） 196628654 M （kN m） 715246 Mmax/Vmax N （kN） 4558858864 M （kN m） 18952983 V （kN） 514810 地震水准 工况内力 规划与设计 118 与 建 材装 饰2016 年 3 月 从表 2 中可以看出， 无论是何种地震水准， 何种工况， 钢管柱 底均未出现拉应力的情况， 故可采用端承式柱脚做法。 3.2 端承式柱脚的受剪验算 受剪验算根据规范2钢管混凝土柱脚受剪计算公式： V0.4NB+1.5ftAcl+0.58fAw 式中若不考虑上下贯通混凝土和柱受压的作用， 仅将十字钢 骨做为抗剪件验算如下： 0.58fAw=0.58155101100=9088.89kNVmax=514kN 可见钢管柱底剪力远小于其内十字钢骨的抗剪承载力。 3.3 端承柱脚的局部受压验算 十字钢骨在节点处上下贯通， 钢管柱脚处有钢管、 混凝土、 十 字型钢组成的组合截面变形协调满足平截面假定，则此 3 部分 的轴压力可按照其各自的轴压刚度来分配： EsAs=2060000.25 （11002-10362） EcAc=36000 （0.2510362-94300） EaAa=20600094300 （1） 钢管轴压力分配比例： s= EsAs EsAs+EcAc+EaAa = 2.2121010 2.2121010+2.6951010+1.9431010 =32% （2） 十字钢骨轴压力分配比例： a= EaAa EsAs+EcAc+EaAa = 1.9431010 2.2121010+2.6951010+1.9431010 =29% （3） 混凝土轴压力分配比例： c= EcAc EsAs+EcAc+EaAa = 2.6951010 2.2121010+2.6951010+1.9431010 =39% 3.3.1 整体局部受压验算 根据 混凝土结构设计规范 36.6.1 条： FL1.35clfcAln =1.350.9331.2327.585555010-3 =36450kN36196kN FL= （0.39+0.32） 50980=36196kN c=0.933fc=27.5N/mm2 l= Ab Al = 0.2513502 0.2511002 =1.23 Aln=Al-Aa=0.2511002-94300=855550mm2 3.3.2 柱脚环板局部受压验算 根据 钢管混凝土结构技术规范 27.4.5 条： N1 （D-2t） （t+3.5h） 2fc N1=19882kN （1100-232） （32+3.532） 227.5 =25777kN 4 钢管混凝土柱与型钢混凝土连接节点的有限 元计算 受力性能的有限元分析采用大型通用有限元程序 ANSYS 进 行数值模拟。 4.1 模型材料参数及结构构造 混凝土采用 C60， 钢管及十字钢骨采用 Q345B， 具体尺寸及 连接关系详图 13。 4.2 单元及模型 模型采用 ANSYS 自带的 SOLID65 实体单元模拟混凝土； 采 用 SOLID45 实体单元模拟型钢及钢管。 模型做适当的简化， 暂不 考虑混凝土与钢管及十字钢骨的接触的滑移。另外， 由于只研究 节点区的应力情况， 故仅节点区域 （约两倍节点构件尺寸） 内采 用实体单元， 其余采用杆 beam188 单元， 实体单元与 beam188 单 元在连接节点的截面上进行全截面节点耦合。 4.3 边界条件及加载方式 将柱底部所有节点施加固定约束， 将节点远端的梁端施加固 定约束。 在柱顶面施加荷载 （荷载值按表 1 小震下 Nmax工况） 。 有 限元模型如图 4 所示。 工况应力小震中震 Nmax N（MPa）60.574.2 max（MPa）75.994.2 min（MPa）45.154.2 Nmin N（MPa）23.310.3 max（MPa）29.912.6 min（MPa）16.78.0 Mmax N（MPa）54.169.9 max（MPa）71.527.3 min（MPa）36.742.6 表 2 注： 表中应力分别按轴压、 压弯计算计算： =N A Max， min=N A M W 模型图 节点区细部型钢及钢管部分细部 图 4 有限元模型 规划与设计 119 与 建 材装 饰2016 年 3 月 4.4 分析结果 按照不同材料分别读取节点区钢（型钢、钢管） 、混凝土的 VonMises 应力， 如图 56 所示。从分析的结果应力可以看出： （1） 钢管及型钢部分， 除了柱脚环板与型钢连接位置有个别 点出现应力集中， 其余位置应力均小于规范值 295MPa。 （2） 混凝土部分， 从型钢混凝土柱内混凝土剖面来看， 柱脚环 板周边一定宽度范围内混凝土的应力较大， 达到 54.3MPa， 但这 个应力未超过上述 3.3.2 节中， 验算环板下的混凝土局部受压应 力 2fc=227.5=55MPa。其余区域的混凝土均未超过混凝土的抗 压强度 27.5MPa。 （3） 根据圣维南原理， 无论是钢还是混凝土， 应力在经过一定 区域的 （大约为 1.5 倍的钢管柱尺寸） 传递扩散以后， 应力分布就 较为均匀， 这说明有限元所取的尺寸较为合适， 能够反映节点区 域全部的应力分布情况。 （4） 有限元计算的结果与手工计算的吻合较好， 但仍存在以 下问题： 钢管柱与型钢柱交接处还存在个别位置的应力集中； 位 于环板下的混凝土局压应力水平较高，个别点位还出现超过限 值的情况。 4.5 修改节点模型有限元计算 为解决上述问题， 尝试采用埋入式节点做法， 并在埋入部分 钢管壁上加环筋以增加钢与混凝土的咬合。以此方式建立有限 元模型计算， 结果如图 6 所示。 （1） 钢管与型钢交接部分， 其应力集中情况有所减小， 峰值应 力相比原来减小 14%。 （2） 混凝土部分的局部压应力有明显减小， 峰值应力相比原 来减小 19%， 所有单元应力均满足规范的限值。 （3） 埋入深度根据规范2采用 1.52 倍钢管柱直径， 模型建 模采用 2 倍， 但从分析结果来看， 大约经过 1 倍钢管柱直径的 深度的扩散传递后， 无论是钢还是混凝土， 二者的应力已较为 均匀。 （4） 埋入式节点， 由于加大了混凝土和钢管之间的接触面， 因 而无论在解决应力集中还是在降低钢、混凝土两种材料的峰值 应力上均较端承式节点有较好的效果。 5 结 论 （1） 钢管混凝土柱与型钢混凝土柱， 做为两种受力性能较好 的竖向结构单元， 二者各有优缺点， 能否在一个项目中充分发挥 二者的优点， 二者连接节点的设计是关键， 目前该方面的研究比 较少。 （2） 二者的连接节点设计可以参考钢管混凝土的柱脚节点进 行设计， 其柱脚节点分为端承式或者埋入式两种。对于端承式节 点连接方式， 通过手工计算， 同时采用通用有限元程序 ANSYS 对 节点区的应力情况进行复核， 其结果基本满足规范要求。对于埋 入式， 采用有限分析结果显示其受力情能要优于端承式节点连接 方式。 （3） 从施工的角度看， 端承式连接方式无论是钢材部分节点 的现场加工， 还是混凝土的现场浇筑， 其施工便利性均优于埋入 式的连接方式。 （4） 在有限元分析中未考虑混凝土与钢材之间的滑移影响， 关于混凝土与钢材之间的接触还有待进一步的研究。 参考文献 1张达明， 林敏波， 等.猎德西区综合发展项目 C 区地块 C1 办公楼建筑 结构超限设计可行性报告.2012， 12. 2 钢管混凝土结构技术规程 （GB50936-2014） S. 3 混凝土结构设计规范 （GB50010-2010） S. 4李 军， 张维锦， 张元凯.基于 ANSYS 的钢管混凝土轴压短柱承载力分 析J.山西建筑， 2