方钢柱和混凝土梁的节点连接研究

水利水电技术第50卷2019年增刊1

张晶波.方钢柱和混凝土梁的节点连接研究［

J ］.水利水电技术，2019，50（增刊1）：175-178.ZHANG Jingbo.Ｒesearch on joint connection of square steel column and concrete beam ［J ］.Water Ｒesources and Hydropower Engineering ，2019，50（S1）：175-178.

方钢柱和混凝土梁的节点连接研究

张晶波

（北京市水利规划设计研究院，北京100048）

摘

要：通过对方钢管柱与混凝土梁连接的四种节点方式的分析，对节点施工的利弊与可实施性进行

研究，最终选择钢管柱在梁截面处焊接环梁板的节点处理方式。关键词：方钢柱；焊接环板；穿孔灌浆；焊接牛腿；钢筋连接器

doi ：10.13928/ki.wrahe.2019.S1.032中图分类号：U445.471

文献标识码：A

文章编号：1000-0860（2019）增刊1-0175-04

Ｒesearch on joint connection of square steel column and concrete beam

ZHANG Jingbo

（Beijing Institute of Water ，Beijing 100048，China ）

Abstract ：Through the analysis of the four connection modes between square steel tubular column and concrete beam ，the advan-tages and disadvantages of the joint construction and the feasibility of the joint construction are studied ，and finally the joint treat-ment mode of welded ring beam slab of steel tubular column at beam section is selected.

Keywords ：square steel column ；welded annular plate ；perforated grouting ；welded bracket ；steel connector

收稿日期：2019-03-04

作者简介：张晶波（1971—），女，高级工程师，学士，主要从事水工建筑物及工业建筑研究。E －mail ：shuigong7228@ 1研究背景

国内外的建设经验表明，随着经济的发展，钢结构会逐步代替混凝土结构成为建筑的主要材料。钢结构具有高强度、高韧性、高延性等优点，在地震工况下能够较好吸收和释放地震能，减轻地震反应。钢材自身在潮湿的环境中容易锈蚀，因此地面以上的钢结构通常采用防锈漆保护，而埋置在土中的钢材用混凝土做保护层，以达到防腐蚀的目的。

在地面层，钢筋混凝土结构向钢结构过渡时，节点的处理至关重要。钢结构和钢筋混凝土具有不同的弹性。在节点区，设置合理的节点连接方式，可使钢结构和混凝土结构能够相互作用，完成内力传递。目前国内关于钢筋混凝土结构向钢结构的过渡，多数采

用型钢混凝土与混凝土的连接，其中圆钢管混凝土柱相关节点连接方式和试验数据比较多，而方钢管柱与混凝土梁的连接节点的研究比较少，可依据的规范和公式也不多。因此在实际设计中，在地下结构向地面结构过渡段，方管柱与混凝土梁的节点处理缺乏统一的方法。本文以南水北调通州支线管理设施为例分析方钢管与混凝土梁连接的节点处理方法，对比分析在工程实践中可实施性。

2研究内容

北京市南水北调配套工程通州支线的主副厂房，位于北京市通州区，采用钢框架结构，地上三层，建筑物长度38m ，建筑物高度13.80m 。钢框架的抗震等级为三级。框架柱在地面以上采用方钢管450mm

张晶波∥方钢柱和混凝土梁的节点连接研究

ˑ450mm ˑ16mm ，在地下采用850mm ˑ850mm 的钢筋混凝土柱。为了避免钢柱的混凝土保护层对建筑外立面的影响，在－0.50m 标高处设置钢筋混凝土连系梁。连系梁与首层隔墙位置对应，与地下钢筋混凝土柱偏心连接。钢柱螺栓埋入基础底板中，基础底板埋深3.0m 。钢柱在地下部分为空心。

钢柱基础采用埋入式柱脚，在－0.50m 处钢柱与混凝土梁交接处形成钢柱与混凝土梁的交接节点。在节点处理上参考了组合结构的梁柱节点，本文分别采用环梁板、焊接钢牛腿、钢柱穿孔灌混凝土、钢柱焊接钢套筒四种连接方法进行分析论证，选择一种适合本工程的节点处理方式。

方法一：钢管柱在梁截面处焊接环梁板，厚度与钢柱板厚相当（见图1）。在梁高范围内焊接竖向肋板，同时在钢柱内部设置隔板加强节点刚度。将梁纵筋采用双面焊与环板焊接。环板的宽度150mm ，不超出下部混凝土柱的截面范围。节点的受力原理是钢筋的拉力传递给环板，由梁的纵筋来传递弯矩；竖向肋板的设置增加混凝土和钢柱的粘结力，主要增强剪力的传递，同时减少环形板自由端的长度

。

图1

梁截面处焊接环梁板示意

依据

《矩形钢管混凝土结构技术规程》［1］

，内置隔板能够有效增加节点的承载力和刚度，内隔板的板

厚、开孔率、板焊接质量对结构的承载力有很大的影

响。内隔板越厚，开洞越小，焊接的损失越小，越有利于增强节点的强度。

依据同济大学《模拟方钢管混凝土柱与钢梁受力翼缘的拉伸试验》

中，未填充混凝土的节点相较填充混凝土的节点变形较大，但是整体上，无论节点内部是否填充混凝土，层间剪力和层间转角的滞回曲线都比常规的混凝土结构的延性要好的多。带内隔板的方钢管混凝土柱钢梁框架节点，在强震设计时建议采用削弱梁端的骨形连接，使梁端塑性铰外移，改善连接的抗震性能。

基于以上的试验结论，由于建筑物高度不大，本工程柱在－0.50m 处钢柱增加了内隔板，钢柱外设置环板来保证节点的刚度。钢筋焊接在环形板上，将刚度薄弱区过渡到节点外钢结构和混凝土结构的交接处，通过材料抗拉性能的改变来实现梁端塑性铰外移，改善连接的抗震性能。

这种节点综合了内外隔板有利的一面，施工简单，传力路径直接。不利的是纵筋需要在现场焊接，纵筋较多时，对钢柱壁厚的焊接应力较大，同时环形板因须避免与下部混凝土柱的纵向钢筋冲突而不能太长。在本工程中，连续梁的钢筋比较少，较为适用。

方法二：在钢柱上焊接工字钢牛腿，与混凝土梁形成组合梁结构（见图2）。钢牛腿的长度为500 700mm ，在工字钢的上下翼缘焊接栓钉，直径19mm ，间距150mm 。混凝土梁的纵筋伸到钢柱边，梁焊接在钢牛腿上，焊缝的长度采用单面焊，在钢柱设置内隔板以增加节点的刚度。

在计算中，梁端的内力按照钢筋混凝土梁进行计算，在构造上以组合梁柱节点连接。以牛腿的边界为钢筋锚固段计算边界，钢牛腿的长度满足上部钢筋锚固水平段的0.4La 要求。组合结构中宜采用钢柱和型钢混凝土梁的连接，梁柱连接采用的是在钢柱上焊接牛腿，型钢混凝土梁通过高强螺栓或全对接焊的连

接。在这两种连接方式的对比试验［2］

中显示，梁端采用螺栓连接，在螺栓滑移前和梁端采用焊接的力学

性能相近，在螺栓产生滑移后，节点的屈服荷载比全对接焊的节点低很多。这两种节点的节点域刚度均大

于梁端。针对本工程的特点，钢柱与牛腿的连接选择全对接焊的连接方式。

钢牛腿与钢筋混凝土梁的连接采用将梁纵筋焊接在钢牛腿上，与上一种节点的设计原理相同，通过材料受拉性能的改变，将节点区的薄弱点转移到钢筋与钢牛腿的连接处，避免节点区过早产生破坏。这种节