钢管混凝土柱环梁节点受力性能研究.pdf
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1、 年 月下第 卷 第 期施工技术(中英文):钢管混凝土柱环梁节点受力性能研究郑 茜,王洪欣,王 义,周高照,孙占琦,范林飞(中建科技集团有限公司,广东 深圳)摘要 为得到实际工程中梁顶标高相差较大的钢管混凝土柱环梁节点受力性能,采用有限元软件 对环梁节点进行研究。考虑增加环梁纵筋和减小环梁箍筋间距等影响因素,结果表明:节点主要由钢筋和牛腿传力;增加环梁纵筋,环梁箍筋、拉筋和腰筋应力均大幅下降;减小箍筋间距,环梁纵筋和拉筋应力下降较明显。根据有限元分析结果和节点传力路径分析,提出一种梁顶标高相差过大的环梁节点加强构造措施。关键词 钢管混凝土柱;环梁;节点;受力性能;纵筋;箍筋中图分类号 文献标识
2、码 文章编号(),(,):,:;“十三五”国家重点研发计划:工业化建筑隔震、减震结构施工关键技术与示范工程();中建科技集团有限公司科技研发计划()作者简介 郑 茜,工程师,:收稿日期 引言 钢管混凝土构件具有承载力高、抗震性能好、抗火性能好、施工方便等优点,在国内高层及超高层建筑中应用广泛。此类建筑地下室多为钢筋混凝土梁板结构,钢筋混凝土梁与钢管混凝土柱连接节点形式一般采用现浇 梁外环板式节点、抗剪环环梁节点、穿心钢筋暗牛腿式节点、对穿暗牛腿式节点等。当混凝土梁的顶筋和底筋不超过 排或楼电梯、车道等位置不宜设置环梁节点时,可采用钢牛腿连接方式,即梁纵筋焊接在钢牛腿上,梁的弯矩和剪力通过钢牛腿
3、传递至钢管混凝土柱。当混凝土梁的纵筋超过 排时,如地下室顶板混凝土梁,由于承担覆土和消防车荷载,混凝土梁的配筋量通常较大,一般采用环梁连接,即钢筋混凝土梁与钢管混凝土柱的弯矩通过设置的钢筋混凝土环梁传递,剪力通过环形牛腿传递。环梁节点传力可靠,施工简便,现场焊接量少,有利于梁与柱的任意角度连接,易达到“强柱弱梁”的要求。对于高层及超高层等室外布置各种管道的工 施工技术(中英文)第 卷业厂房建筑,管道铺设需一定坡度,为保证此区域覆土高度,建筑室内外必存在高差。不少学者已通过试验模拟、有限元模拟等方法对梁顶无高差钢管混凝土柱节点进行研究,分析了节点的力学性能和破坏形态,得出环梁连接的 梁钢管混凝土
4、柱框架梁在地震作用下具有良好的抗震性能。但研究的节点类型多为抗剪环环梁节点,且均为无高差环梁节点。对于环梁两侧标高不同,或梁顶标高相差过大节点的(以下简称高差过大节点)相关资料较少,国内规范也无相应介绍。本文依托坪山新能源汽车产业园区 栋项目,以 室 内 外 最 大 高 差 节 点 为 例(室 内 标 高,室外标高),根据 组合结构设计规范对无高差环梁节点进行设计。为使框架梁端弯矩平稳地传递给钢管混凝土柱,并使环梁不先于框架梁端出现塑性铰,钢筋混凝土环梁的配筋由计算确定。环梁上、下环筋的截面积不应小于框架梁上、下纵筋截面积的 倍,环梁腰筋直径不宜小于、间距不宜大于,环梁箍筋直径不宜小于、间距不
5、宜大 于。为了便于钢筋混凝土框架梁纵筋锚入到环梁中,环梁的截面宽度不宜小于框架梁宽度,高度宜比框架梁高。环梁节点中的环形牛腿由均匀分布的肋板和上、下加强环组成,肋板与钢管壁、加强环与钢管壁及肋板与加强环均可采用焊缝连接,加强环应预留直径不小于 的排气孔。环形牛腿的受剪承载力由环形牛腿上的混凝土局部承压强度、肋板抗剪强度、肋板与管壁的焊接强度、环形牛腿上部混凝土直剪强度决定。采用有限元软件 对高差过大环梁进行受力分析。考虑在 标高位置增加环梁纵筋和减小环梁箍筋间距等因素的影响,基于环梁节点有限元结果和节点传力路径分析,得到梁高相差过大时的节点受力加强措施,可为相应工程及研究提供参考。工程概况 坪
6、山新能源汽车产业园区 栋项目总建筑面积 万,包括厂房、研发用房、配套宿舍、配套食堂和配套商业等多种建筑类型。号研发楼为钢管约束混凝土框架梁核心筒结构,地下 层,地上 层,结构高度;号研发楼为钢管约束混凝土框架梁核心筒结构,地下 层,地上 层,结构高度;号厂房分为,座,为钢管混凝土框架梁剪力墙结构,地下 层,地上 层,结构高度。项目建筑效果如图 所示。图 项目效果 根据项目类型,确定本工程抗震设防类别为丙类,抗震设防烈度 度(),设计地震分组第一组,场地类别类。深圳地区 年一遇基本风压为 ,地面粗糙度取 类。项目地下室梁柱节点均采用钢管混凝土柱环梁节点构造,如图 所示。钢牛腿节点施工顺序为先支模
7、,后绑扎框架梁钢筋;钢筋与钢管混凝土柱牛腿通常采用焊接,框架梁下部纵筋施工时需仰焊,因此焊接质量较差。本节点环梁钢筋施工顺序为先绑扎环梁钢筋,后吊装至钢管混凝土柱固定,再绑扎框架梁钢筋,进行支模,便于混凝土浇筑。图 环梁节点构造 项目中采用的环梁节点包括无高差环梁节点(框架梁顶标高相同)和有高差环梁节点(框架梁顶标高不同)两种形式。为验证有高差环梁节点的可行性和安全性,选取梁顶高差最大(高差 )节点进行分析。钢管混凝土柱环梁节点构造如图 所示。钢管混凝土柱为,混凝土强度等级为;钢牛腿尺寸为();钢材均采用 钢。环梁截面尺寸为 ,环梁混凝土强度等级;环梁箍筋为 。节点传力分析 钢管混凝土柱环梁节
8、点中,传力构件主要是钢筋和牛腿。节点受力分析如图 所示。由图 可知,框架梁端承受剪力(,)和弯矩(,)作用时,郑 茜等:钢管混凝土柱环梁节点受力性能研究 图 节点构造 和 梁端部位置下部受压,上部受拉。框架梁下部所受压力首先传递给环梁,在环梁受力一侧对钢管混凝土柱产生压力,。根据环梁节点受力特点,钢管混凝土柱另一侧会形成对应的压力,因此 和,和 形成两组力偶,可抵抗环梁扭转。同时,和 挤压钢管混凝土柱产生静摩擦力,一般情况下,静摩擦力可满足节点抗剪要求。图 结构受力分析 )梁端剪力传递环梁节点中承受剪力的构件主要是框架梁箍筋、环梁箍筋和牛腿。首先剪力从框架梁梁端传递给框架梁和框架梁箍筋;其次通
9、过框架梁埋入环梁中的钢筋将剪力传递给环梁钢筋;然后剪力通过环梁箍筋向下传递给牛腿;最后从牛腿传递给钢管混凝土柱。)梁端弯矩传递环梁节点中承受弯矩的构件主要是框架梁纵筋、环梁纵筋、腰筋和牛腿。弯矩在节点中的传递主要是从框架梁纵筋向环梁传递,通过框架梁纵筋传递给环梁的纵筋和腰筋,在环梁节点中环梁纵筋和腰筋是环状,因此会形成多组力偶来抵抗弯矩,从而将弯矩传递给钢管。有限元模型建立 模型建立及加载 根据 结构计算模型,考虑结构不同荷载组合作用,选取包络工况下环梁节点根部位置最大弯矩值和剪力值,确定最不利环梁节点,如图 所示。环梁宽,高,框架梁尺寸及最不利荷载如表 所示。将梁根部荷载等效到梁端进行加载模
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