广州新客站钢管混凝土柱混凝土梁节点设计研究

1、广州新客站钢管混凝土柱一混凝土梁赵明甄伟盛平节点设计研究( 1 北京建筑设计研冗院北京1 0 0 0 4 5 )l 提要】广州新客站的钢管混凝土拄节点尺度大、节点构造复杂节点采用了穿心承重销和穿心钢筋相结合的节点形式确定了以钢桁架牛腿抗剪为主进行抗剪验算，综合混凝土梁和钢桁架牛腿的作用进行抗弯验算的设计原则对节点进行有限元分析，研究了节点受力性能、破坏模式和协同工作能力，以及钢桁架牛腿的作用。钢桁架牛腿可以控制节点区塑性铰出现的位置，改善节点的刚度、承载能力和延性，同时还是钢管混凝土柱和混凝土梁之间过渡的重要组成部分对节点区域的应力分布和剪力分布的研究表明，该节点具有较好的整体性能I 关键词】钢管混凝土柱节点有限元分析桁架式承重销S t r u c t u r eD e s i g no fC o n c r e t eF i l l e dS t e e lT u b u l a rC o l u m n - R e i n f o r c e dC o n c r e t eB e a mJ o i n to fN e wG u a n g z h o uR a i l w a y

2、S t a t i o n Z h n oM i n g ，Z h e nW e i ，S h e n gP i n g ( B e i j i n gI 辆s t i t u t eo fA r c h i t e c t u r a lD e s i g n ，B e i j i n g1 0 0 0 4 5 ，C h i n a )A b s t r a c t ：T h ec o n c r e t ef i l i e ds t e e lt u b u l a rc o l u n mj o i n to fN e wG u a n g z h o uR a i l w a yS t a t i o nk a v el a r g ed i m e n s i o na n dc o m p l i c a t ed e t a i lc o n s t r u c t i o n T r u s ss h a p ec o r b e l sa n dp i e r c i n gr e i n f o r c i n gb a r sa r eu s e d T h e

3、d e s i n gp r i n c i p l et h a tt r u s sc o r b e lb e a r i n gs h e a rf o r c ea n dc o n c r e t eb e a mb e a r i n gm o m e n tt o g e t h e rw i t hc o r b e li sd e c i d e d T h r o u g hf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ，t h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r ，t h ef a i l u r ep r i n c i p l e ，t h ec o o r d i n a t e dw o r k i n gl e r f o r m a n c ea n dt h ef u n c t i o no ft r u s ss h a p ec o r b e l sa r es t u d i e d T h et r u s sc o r b e lc a nG e n t r

4、o lt h ep l a s t i ch i n g ed i s t r i b u t i o n ，i m p r o v et h ej o i n ts t i f f n e s sa n dl o a db e a r i n gc a p a c i t y , a sw e l la 6t h ei m p o r t a n tp a r to ft h et r a n s i t i o nb e t w e e nc o n c r e t ef i l l e ds t e e lt u b u l a rc o l u m n r e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a m I ti ss h o w nt h a tt h ej o i n th a sg o o di n t e g r a t ep e r f o r m a n c et h r o u g ht h es t u d yo ns t r e s sa n ds h e a rf o r c ed i s t r i b u t i o no

5、 fj o i n t s 鬣e y w o r d s ：c o n c r e t ef i l l e ds t e e lt u b u l a rc o l u m n ：j o i n t ：f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ：t r u s ss k a p ec o r b e ls0 引言钢管混凝土柱一混凝土梁体系中，解决好钢筋混凝土梁与钢管混凝土柱之间的连接问题是设计的关键问题之一。由于此类型节点构造复杂，目前尚没有一套适用面广的梅造形式和计算方法。目前，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比1 。广州新客站空间关系复杂，结构体系涉及到混凝土结构、钢管混凝土结构、钢结构体系等。竖向贯通的柱在高架候车层楼盖以下一般采用钢管混凝土柱，高架候车层楼3 8 9盖以上至屋顶一般采用钢管柱。高架候车层楼面处的钢管混凝土柱一钢筋混凝土梁连接节点，构造复杂，尺度大，有必要对其受力性能进行深入的研究。1 节点构造高架层局

6、部结构平面布置图如文图7 所示，主轴线上的柱均为钢管混凝土柱，钢管截面D 2 6 0 0 6 0 ，钢材材质Q 3 9 0 G J C ，柱内混凝土标号c 5 0 ，与之相连的混凝土梁有1 5 0 0 3 2 0 0 、1 5 0 0 2 6 0 0 等几种截面规格，梁混凝土标号C 4 0 ，纵筋等级H R B 4 0 0 。相对于常规钢管混凝土柱一混凝土梁节点，广州新客站高架层节点的构件尺度大、梁端内力大、配筋量多、节点构造复杂，在竖向荷载作用下，梁端弯矩可达4 5 1 0 0 k N ，z ，柱内还要预留雨水管通道，以及梁预应力筋穿孔等。为保证混凝土梁与钢管混凝土柱的可靠连接，同时考虑建筑效果要求，采用了穿心承重销和穿心钢筋相结合的节点形式。由于混凝土粱截面高度很大( 最大达到3 2 m ) ，故承重销采用钢桁架牛腿的形式，以节省用钢量、便于混凝土施工和改善节点区整体性能，桁架弦杆一般为H 6 5 0 x 4 0 0 x 6 0 x 4 0 。节点区柱内对应钢桁架翼缘的位置，设置水平环形加劲板，钢牛腿穿心贯通设置，但考虑到环形加劲板的作用，贯通段的宽度减为2 0 0 m m ，以节

7、省材料和便于混凝土浇注。混凝土梁纵筋数量比较多，为4 0 根m 4 0 左右，将约1 3数量的纵筋贯通设置，末贯通纵筋与钢桁架上下弦杆及柱环板焊接。在节点区域，还设置了槽钢抗剪件，以增强混凝土与钢管之间的粘结作用。节点构造如图l 所示。到型睦型蝼ff1 5 |幽 甬寮 f 1 3 0 似2 0 衄3 0 x 加一一一腻么浊(氢励雄量S一肝心缪熊轴!惑一1=铡瞥l 最t 滕一z 寮。量t - - 一：i ，2一-量龋衅奄戮簟t 鼍蔓主羹t 岫1 5 5 0l1 0 0 0f o1 3 C O2 6 n 0，一下tH 6 S O X 4 0 0 X 6 0 X 4 0l 一一一甄苄。鼍 霄穗；= lr-。2一2 ( 铜管j 昆凝土桂一爱节点纵剖面)竺、漶匕庐Z r 0 0l 户峻一董皇懈葺量t 。鼍囊蓊。拳：ol 三蠲l 鲴L 强量i篓置玉曲- i 齄埘Il 勃蹴幽X 篮一l 趟j 盈K Z 四登篮篮1一q垂一I 墅垫l ! 业! Q l 箜，哇 量j 8 二晏星露蓬_ ：。砖相蕾5 I 懂埠掉 ? 一基璺；差复篮皇挂n 呈里I ：莹I 堂41 I-o一1 5 f J 0 卜。口“”。铜管

8、磊凝土拄一秉节点平面圈1 1 ( 铜警混凝土挂一摹节点横音I 酉)图l 钢管混凝十柱一钢筋混凝十梁典型节点示意图2 节点设计原则3 9 0节点的设计思路是力求节点区的施工操作方便，并且具有可靠的传力途径。作为结构体系中的关键梁柱节点，节点承载力应保证中震不屈服，同时应具有较好的延性，满足“强剪弱弯、强节点弱构件”的要求。为此，节点设计时，首先要加强节点区钢管、混凝土、钢牛腿的整体性和协调性，使之能较好地协同工作，同时还要处理好节点区与钢管混凝土柱和普通混凝土梁内力传递的问题。对于梁端剪力传递，此类节点主要有两个途径。一是通过混凝土梁与抗剪牛腿之间的局部承压作用力，将剪力由混凝土梁传递到牛腿上，并通过抗剪牛腿与钢管间的焊缝将剪力传递到钢管上；二是通过混凝土梁与钢管之闻的粘结摩擦作用，包括混凝土与钢管间的直接粘结和通过抗剪件与钢管之间的粘结，以及梁端弯矩引起混凝土梁上( 或下) 端挤压钢管混凝土柱而产生的摩擦作用。根据既有工程的经验，在采用有较强环箍作用的节点时，比如环梁式节点，粘结摩擦作用力很大，可以满足节点区承载需要。本工程从建筑效果和功能方面的需要考虑，未设置很强的环梁，因此，混凝土

9、与钢管之间的粘结摩擦作用仅作为安全储备；牛腿的抗剪作用力可以保证也便于量化计算，故本节点设计时以牛腿的抗剪作用力为主进行抗剪验算，设计剪力全部由牛腿承受。梁端弯矩传递主要有两个途径。一是通过混凝土结构的抗弯作用，即拉力由梁上部纵筋和楼板共同承担，压力由梁下部混凝土承担并传递到钢管混凝土柱上；二是通过钢桁架牛腿的抗弯作用，在牛腿的外伸段，混凝土梁的纵筋与牛腿搭接或者焊接，以及钢牛腿与混凝土之间的粘结握裹作用，使钢桁架牛腿承担了很大一部分弯矩，牛腿的穿心设置方式使得弯矩的传递更为直接。设计时综合考虑两者的作用，进行抗弯验算。由于约有1 3 的纵筋贯通设置，故偏于保守，按1 3 的弯矩通过混凝土结构的抗弯作用传递，其余弯矩由钢桁架牛腿传递来考虑。设桁架悬挑长度为L ，桁架高度为h 。在验算钢桁架牛腿的承载力时，首先明确节点剪力设计值V 和总弯矩设计值M ；然后拟合以上梁端内力，在桁架悬挑端部的上、下弦节点各施加V 2 的节点力，拟合梁端剪力，同时该节点力引起的梁端弯矩为M = V 三；然后通过在悬挑端部的上弦节点、下弦节点施加一对力偶，拟合其余弯矩 M ，= 三M M ，该力偶的力的大小为M ，h 。这样，钢桁架牛腿上承担的设计剪力为V ，。3。， 设计弯矩为兰M ，与上述计算原则吻合。 33 节点有限元分析对于节点的内力，用有限元方法分析，以研究此类型钢管混凝土柱一钢筋混凝土梁的传力机理，验证设计原则的可靠性。3 1 计算模型与参数节点模型按照实际节点与构件的尺寸、构造进行建模，混凝土梁长度取至1 3 位置，即竖向荷载作用下的反弯点处，如图2 。其中梁内钢筋包含纵筋、箍筋、腰筋。纵筋分3 9 1为三类穿钢骨钢筋、焊接在钢骨 的钢筋和不穿筋钢筋。钢管采用四结点厚壳单元，本构关系采用理想弹塑性模型，钢材材质Q 3 9 0 ，计算取屈服强度3 l5 M P a ：混凝土采用八节点实体单元，本构关系按照规范曲线输入，梁混凝土强度等级为C 4 0 ，耿几- 2 68 M P a ，柱内混凝土C 5 0 ，取凡- 3 24 M P a ：钢桁架牛腿采用粱单元，本构蓑系茅用理想弹塑性模型，钮材村质Q 3 9 0

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