钢管混凝土柱_RC环梁节点及其应用

1、第33卷第9期建筑结构2003年9月钢管混凝土柱-RC环梁节点及其应用(清华大学土木工程系北京100084)(汕头市建筑设计院515031)提要介绍了钢管混凝土柱-混凝土环梁节点的构造和基本受力机理,以及37个节点模型、1个足尺节点单调加载试验结果和14个节点模型在低周反复荷载作用下的试验结果。试验结果表明,通过合理设计,环梁节点能有效地传递框架梁端的剪力和弯矩,具有良好的变形能力和耗能能力,可以实现强节点、弱构件的抗震概念设计。简要介绍了环梁节点的设计方法及其在房屋建筑中的应用。关键词钢管混凝土柱混凝土环梁节点试验房屋建筑Thedetailsandthebasicmechanicalprop

2、ertiesofthesteeltubeconfinedconcretecolumnandreinforcedconcreteringbeamjointareintroduced.Testresultsof37jointmodelsandonefullscalejointundermonotonicincreasedloadingaswellastestresultsof14jointmodelsundercycliclateralloadingarepresented.Theexperimentalresultsindicatethattheproperdesignedringbeamjoi

3、ntcantransfertheframebeamshearandmomenteffectivelyandthejointhasexce-llentdeformationcapacityandenergydissipationcapacity.Theearthquakeresistancedesignconceptofstrongconnec-tionandweakmembercanbeachieved.Thedesignmethodandtheapplicationofthejointarebrieflyintroduced.Keywords:steeltubeconfinedconcret

4、ecolumn;reinforcedconcreteringbeam;joint;experiment;buildings钱稼茹周栋梁方小丹目前,用于我国房屋建筑中的钢管混凝土柱与混凝土梁连接节点的主要形式有:上下环板牛腿式、双梁式、梁端局部加宽式、对穿暗牛腿式、穿心钢筋暗牛腿式、暗牛腿-环梁组合节点、钢筋混凝土环梁节点等2-15。这些节点形式各有优越性和不足,都已有一定的试验研究。钢筋混凝土环梁节点的构造如图1所示。在环梁高度范围内,沿钢管周圈贴焊一道(或两道)钢筋作为抗剪环,无需穿心牛腿等构件;钢管内、外不用加劲环,不影响钢管内混凝土浇注;环梁钢筋笼无方向性,在地面绑扎,高空就位方便。一、

5、环梁节点受力机理1梁端剪力传递框架梁梁端剪力传递到钢管混凝土柱,主要通过三个途径。途径之一为通过环梁混凝土与抗剪环之间的局部承压作用力,将剪力由环梁传递到抗剪环上,并通过抗剪环与钢管间的焊缝将剪力传递到钢管上,由于抗剪环钢筋直径一般不大,由剪力引起的对钢管壁的局部弯矩很小;途径之二为环梁混凝土与钢管之间的粘结作用;途径之三为梁端弯矩引起环梁上(或下)端挤压钢管混凝土柱而产生的静摩擦力。一般情况下,静摩擦力很大,可以满足抗剪要求;粘结作用力虽然也很大,但在地震作用下难以保证,一般不予考虑,仅作为安全储备;抗剪环的作用力可以保证,设计时以抗剪环的作用力为主进行抗剪验算。图1钢筋混凝土环梁节点2梁端

6、弯矩传递框架梁端弯矩作用于环梁上,使环梁产生扭矩。当框架梁端为负弯矩时,环梁下端挤压钢管混凝土柱,其反作用力将产生对环梁的抵抗扭矩,这将大大降低对环梁的抗扭要求。楼板在平面内对环梁上部有很大的约束作用,减小了扭转产生的环梁与柱之间的相对脱离,由变形与内力关系可知,环梁的扭矩也会进一步减小。框架梁端为正弯矩时,略为不利,因为没有楼板的约束作用。对环梁传递弯矩的机理更为简明的解释是:框架梁的梁端负弯矩分解为环梁上部和下部的一对拉力和压力,拉力由环梁上部环筋与楼板共同承担,压力由环梁下部的混凝土承担并传递扩散至钢管混凝土柱上。试验证明,这一设想与实际受力情况基本吻合10。二、环梁节点试验研究为了研究

7、环梁节点的受力特性、抗震性能和设计方法,进行了一系列钢管混凝土柱-环梁节点的试验研究。主要研究环梁配筋、框架梁配筋、环梁尺寸、框架梁尺寸以及楼板对节点受力性能的影响。1模型静力试验及足尺节点静力试验先后完成了两批共37个节点试件单调加载试验16,第一批试件的钢管直径以300为主,第二批钢管直径以500为主;结合实际工程,完成了一个足尺节点试验为14图3荷载-位移曲线图4荷载(界面剪力)-环梁与钢管间相对滑移关系曲线17。足尺节点的钢管直径1600mm,壁厚20mm,框架梁截面为600mm800mm(宽高),配筋32;85%的节点试件,其钢管混凝土柱的转角达1/60左右;试件达到最大承载力之前及

8、达到最大承载力时,大部分试件钢管混凝土柱的转角达1/120或更大,滞回环比较饱满,捏拢现象不明显;达到最大承载力后,由于框架梁、楼板、环梁混凝土开裂,钢管与环梁之间局部脱离,出现缝隙,在裂缝闭合前位移增大快而荷载增加慢,滞回曲线出现不同程度的捏拢现象。由于节点具有梁柱相对独立的特点,节点的破坏不影响钢管混凝土柱的完整性,基本不影响钢管混凝土柱的承载力,容易实现强柱弱梁的抗震设计概念。3钢管与环梁界面的抗剪试验足尺节点试件完成静力加载试验后,进行钢管与环梁界面的抗剪试验。千斤顶贴近钢管混凝土柱置于环梁上加载,在环梁上产生近似冲切的作用力。限于千斤顶加载能力,最大荷载加至5300kN,试件仍未破坏

9、(弯曲试验中,在环梁处产生的总剪力最大为2700kN,且此时环梁与钢管混凝土柱之间存在很大的静摩擦力)19。还完成了3个反复加载破坏后试件的钢管与环梁环梁截面尺寸为600mm800mm(宽高),上部配筋为1032。楼板宽4600mm,厚150mm,双向配筋为12150。试验结果表明:钢管混凝土柱-环梁节点的抗弯能力和变形能力与环梁混凝土强度、截面尺寸、配筋量、节点形式、楼板、环梁宽度与外径比等因素有关;环梁的环向钢筋和箍筋对传递框架梁端的弯矩及纵筋的锚固起重要作用,配箍不足可能导致框架梁钢筋锚固失效;环梁环筋对传递框架梁弯矩起重要作用,配筋不足图2裂缝图界面的抗剪试验,图4为其中一个试件的实测

10、荷载(即界面剪力)-环梁与钢管间相对滑移的关系曲线。试验结果表明,即使环梁已经破坏,钢管与环梁之间已有缝隙,由于抗剪环的作用,钢管与环梁的界面有足够大的受剪承载力,通过抗剪环传递剪力是可靠的。即使环梁与钢管之间已有相对滑移,环梁也不会从钢管上滑脱。三、环梁节点的工程应用1设计方法工程中,采用下述方法设计环梁节点:环梁的上表面与框架梁的上表面平,环梁比框架梁高50mm,以便环筋和框架梁钢筋在高度方向的布置;环梁宽度应满可能导致环梁截面开裂较大;框架梁的分布对节点控制截面内力影响较小,这有利于环梁节点与多根任意角度的框架梁连接;现浇楼板能大大提高节点的承载力和刚度,大幅度减小环梁承受的扭矩、剪力以

11、及轴力;节点的破坏形态和框架梁纵筋与环梁环筋的配筋量比值有关,环梁配筋量相对较大时,节点破坏主要发生在框架梁端与环梁交接处,以框架梁破坏为主,环梁配筋量相对较小时,节点破坏主要发生在框架梁端的环梁内,可能形成两条主要裂缝;合理的截面尺寸和配筋可以使破坏发生在环梁范围以外的框架梁端,实现强节点、弱构件的抗震设计概念。图2,3是一个典型试件的框架梁端的裂缝图及荷载-位移曲线。2环梁节点模型低周反复荷载试验为了研究环梁节点的抗震性能,完成了14个钢管-20混凝土柱-环梁节点在反复荷载作用下的试验18。图5是两个试件的水平力-转角滞回曲线。试验结果表明,塑性铰无论是在框架梁端还是在环梁内,节点都有比较

12、大的变形能力,承载力下降至最大承载力的图5水平力-转角滞回曲线足框架梁纵向钢筋的锚固要求;环梁的环筋和箍筋数量根据框架梁纵筋数量确定,且箍筋应满足竖向抗剪的要求,环梁箍筋沿径向放射布置;在环梁底部和中下部各设置一道抗剪环,抗剪环直径以及抗剪环与钢管柱的焊缝高度,可通过混凝土的局部承压以及焊缝强度满足竖向抗剪要求确定,建议抗剪环上下两个角焊缝都施焊。2工程实例环梁节点最早于1997年用于昆明邦克大厦(8度抗震设防),以后陆续用于广东省电信枢纽综合楼、合银广场21等20多幢房屋建筑,取得了良好的经济效益,表1为20幢采用环梁节点的房屋建筑简介。图6和图7分别为广州市中华广场和太原市数码中心的平面图

13、。四、结论(1)梁柱连接方式是钢管混凝土结构的关键,环梁节点具有受力合理明确、构造简单、施工方便、造价低廉等优点。(2)受力机理分析表明,环梁节点满足传递梁端剪力和弯矩的要求,试验结果验证了其受力机理。(3)试验结果表明,环梁节点可以实现强节点、弱构件的抗震设计概念,塑性铰在框架梁端或在环梁内,环梁节点都有比较大的变形能力和良好的滞回特性,通过抗剪环传递剪力是可靠的,即使环梁已局部破坏、钢管与环梁之间有缝隙、环梁与钢管之间已有相对滑移,钢管与环梁的界面仍有足够大的受剪承载力,环梁不会从钢管上滑脱,节点满足抗震要求。(4)环梁节点已经应用于20多幢位于7,8度设防的地震区的房屋建筑,取得了良好的

14、经济效益。(5)整体楼盖结构对节点的影响以及环梁的截面承载力验算方法还需要进一步研究。钢管混凝土柱-环梁节点工程实例建筑物名称广东省电信枢纽综合楼中华广场昆明邦克大厦体育西兴业大厦珠江广场江景阁永福大厦协和新世界花园层数000结构以上高类型度(m)2498239312689989989999839969999989981385906742116120195998148990AAAABBBBABBAABAAABBA钢管混凝土柱层数钢管混凝土柱直径14001000建设地点抗震设防烈度备注表168(6)65(4)36(3)28(2)30(3)30(2)30(1)59(6)50(4)16(3)22(2

15、)4(3)5(2)3(1)2(2)26(3)1(3)1(2)4(1)23(2)6(3)25(1)11(2)56(2)30(2)10(2)28(2)广州7度已封顶首期已竣工1100800广州7度800750,700750900,800800,700900,800400900950,8001600900700650950,8509001500800,10001200700昆明8度已竣工广州7度在建广州7度在建广州7度在建广州7度已竣工广州7度已封顶广州7度在建广州7度已封顶广州7度已竣工珠海7度在建汕头8度在建广州7度已封顶佛山7度在建南海7度已封顶广州7度已封顶广州7度已封顶深圳7度已封顶太原8

16、度在建新世界中心(一期)30(2)广东省中医院门诊综合大楼东山雅筑商住楼翠湖山庄珠海国税大楼星河馆德宝大厦佛山信息大厦信联大厦合银广场新达诚广场雍景台商住楼太原市数码中心29(3)33(3)32(2)34(1)23(2)23(3)29(1)33(2)56(3)30(2)48(2)28(2)注:结构类型A为框架-核心筒结构,B为部分框支-抗震墙结构,其中框支柱为钢管混凝土柱,括号内数字为相应建筑地下的层数。参考文献1蔡绍怀.我国钢管混凝土结构技术的最新进展.土木工程学报,图6广州市中华广场平面图1999,32(4).2龚昌基.高层钢管混凝土柱的推广前景.钢结构,1998,(1).3容柏生,陈宗弼

17、,陈星等.高层建筑钢管混凝土柱节点设计及构造研究(一).建筑结构,1999,(10).4蔡健,黄泰.钢管混凝土柱节点的应用现状和存在问题.建筑结构,2001,31(7).5顾伯禄,朱筱俊,吕清芳等.新型钢管混凝土框架节点试验研究及其应用.东南大学学报,1998,(6).6阎胜魁,周展开,许淑芳等.钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁板节点空间受力试验研究.西北建筑工程学院学报,1999,(1).7欧谨,黄伟淳,韩晓健.新型钢管混凝土柱节点低周反复荷载试验研究.地震工程与工程振动,1999,(3).8陈洪涛等.钢管混凝土框架钢筋贯通式刚性节点的试验研究.哈尔滨建筑大学学报,1999,(2).图7太原市数码

18、中心平面图(下转第72页)土房屋剪力墙的分布钢筋。规程给出了几种常用的焊接网在墙体端部的构造图,对钢筋在端部的构造要求作出了更具体的规定。5焊接箍筋笼焊接箍筋笼主要用于建筑工程中的梁、柱结构构件。生产时是将箍筋用几根较细直径的附加钢筋连接先焊成平面网片,然后用网片弯折机弯成设计尺寸的焊接箍筋骨架。为了提高现场施工速度,根据加工箍筋笼设备的能力及梁(柱)尺寸,可将一根梁(柱)的箍筋做成一段或几段箍筋笼,运至现场后,穿入主筋形成尺寸准确的钢筋骨架,放入模板中浇灌混凝土。为了进一步提高现场效率,新加坡等国将柱的主筋与箍筋笼在焊网厂预先做成整体骨架,运至工地浇筑混凝土。采用箍筋笼的另一优点是可使现场钢

19、筋工种的数量减少。当全部钢筋工程采用焊接网和箍筋笼时,更能充分体现出焊接网的优越性。因此,在焊接网应用普及的国家,箍筋笼的应用也很多,如奥地利的箍筋笼用量占箍筋总量的50%左右。梁、柱的箍筋笼宜采用带肋钢筋制作。柱子的箍筋笼应做成封闭式,在箍筋末端应做成135的弯钩,弯钩末端平直段长度根据抗震要求不同而不同。规程也规定了箍筋最大间距和最小直径。梁的箍筋笼可做成封闭式或开口式。当梁考虑地震作用时,箍筋笼应做成封闭式,箍筋末端应做成135弯钩,且平直段长度不应小于10倍箍筋直径。当梁与(上接第62页)9韩小雷,陈晖,季静等.穿心暗牛腿式钢管混凝土柱节点的试验研究.华南理工大学学报(自然科学版),1

20、999,(10).10方小丹,李少云,陈爱军.新型钢管混凝土柱节点的试验研究.建筑结构学报,1999,(10).11黄汉炎等.钢管混凝土柱、RC梁板节点拟静力三向加载试验研究.建筑结构学报,2001,(6).12黄襄云,周福霖等.钢管混凝土柱结构节点抗震性能研究.建筑结构,2001,31(7).13杨光,黄绍成.北京四川大厦高层结构设计.见:第十一届全国高层建筑结构学术交流会论文集,1990.14黄汉炎等.钢管高强混凝土柱在广州好世界广场超高层建筑工程中的应用.建筑结构,1997,(5).15宋荣,张德新,曾繁禹.钢管混凝土在广州冠军大厦中的应用.见:第十五届高层建筑结构学术交流会论文集,19

21、98.16同济大学土木工程防灾国家重点实验室振动台试验室,汕头市建筑设计院咨询设计部.钢管混凝土环梁节点环梁截面强度设计方法试验报告.2000.17李少云,方小丹,杨润强.广州市翠湖山庄工程钢管混凝土柱节点足尺静载试验研究.土木工程学报,2001,34(6).18钱稼茹,方小丹,李少云等.合银广场钢管混凝土柱环梁节点低周反复荷载试验报告.1999.19同济大学土木工程防灾国家重点实验室振动台试验室,汕头市建筑设计院.广东省邮电通讯枢纽综合楼钢管混凝土环梁节点低周反复荷载试验报告.1999.20同济大学土木工程防灾国家重点实验室振动台试验室,汕头市建筑设计院.广州新达诚广场钢管混凝土环梁节点低周反复荷载试验报告.1999.21汤华,王松帆等.广州合银广场结构设计.建筑结构,2001,31(7).板整体浇筑、不考虑地震作用且不需计算要求的受压钢筋亦不需进行受扭计算时,可采用U形开口箍筋笼,且箍筋应尽量靠近构件周边布置,开口箍的顶部应布置通长的焊接网片,以加强顶部的约束作用。箍筋的最大间距和最小直径尚应符合有关规范规定。五、施工1焊接网的检查验收焊接网在现场的检查验收应按批进行,每批应由同一厂家、同一原材料来源、同一生产设备并在同一连续时段内生产的、受力主筋为同一直径的焊接网组