钢管柱-钢筋混凝土框架转换节点设计研究

钢管柱-钢筋混凝土框架转换节点设计研究在航站楼、铁路客运站站房、综合交通枢纽等大型公共建筑中，广泛采用下部为混凝土框架、上部为大跨度钢屋盖的结构形式。

对于此类结构形式，支承钢屋盖的钢管柱与下部混凝土框架柱、框架梁之间内力的可靠传递非常关键。

迄今，国内外学者在钢管混凝土柱与H 型钢梁及钢筋混凝土梁的节点、钢筋混凝土柱与H 型钢梁节点受力性能研究方面取得了一些进展[1－3]，但对钢管柱-钢筋混凝土框架转换节点的相关研究很少。

钢管柱-钢筋混凝土框架转换节点的构造与钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁节点较为接近。

钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁的连接方式包括在钢管外侧设置混凝土环梁、钢管外侧设置混凝土双梁及钢管柱设置连接钢牛腿等形式。

在广州合银广场[4]工程中，在钢管混凝土柱外侧设置钢筋混凝土环梁，钢筋混凝土梁与环梁进行连接；在广州新中国大厦[5]工程中，采用钢管混凝土柱-混凝土双梁节点形式，并通过在节点外侧设置钢牛腿增强抗剪能力与抗弯作用；在重庆“嘉陵帆影”二期[6]中，在钢管混凝土柱设置钢牛腿，混凝土梁上部上排钢筋与牛腿上翼缘焊接，上部下排钢筋通过连接器与钢管柱连接，下部钢筋与牛腿下翼缘焊接。

张世春等[7]进行了钢管混凝土柱-混凝土梁节点缩尺模型低周往复加载试验，梁纵向钢筋分别焊接或搭接在外加强环的牛腿上，试验结果表明，梁在距柱边1 倍～2 倍梁高处形成了X 形塑性铰，滞回曲线饱满，耗能性能良好，钢筋焊接节点的抗震性能优于钢筋搭接节点。

钢管柱-钢筋混凝土框架转换节点与上述钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁节点差异很大，钢管柱与下层钢筋混凝土柱的连接构造复杂。

当上部钢管柱直径小于下部钢筋混凝土柱直径时，可将钢管下插一层，并在钢管外包覆钢筋混凝土，将该型钢混凝土柱作为过渡段层；当钢管柱直径大于下部钢筋混凝土柱直径时，可将钢管作为钢筋混凝土柱的套管，形成钢管-钢筋混凝土柱过渡层[8]。

此外，还可将钢管柱底部视为柱脚，满足埋入式柱脚插入深度要求，实现钢管柱与钢筋混凝土柱内力的传递[9]。

以上钢管柱与钢筋混凝土框架的过渡方式，钢管下插长度较大，钢材用量较多，梁纵向钢筋焊接难度较大。

本文针对前述钢管柱-钢筋混凝土框架过渡方式存在的问题，提出了一种适用性较强的转换节点连接构造形式，并具体给出了转换节点与钢管柱、钢筋混凝土梁及钢筋混凝土柱的连接设计方法。

在清华大学教育部重点实验室进行了4 个转换节点的缩尺模型试验，验证该转换节点抗震性能的可靠性。

采用非线性有限元软件Marc 对该转换节点的受力机理进行深入分析，考察该转换节点在水平往复荷载作用下的Mises 应力、塑性应变以及材料损伤的情况。

1 转换节点设计方法1.1 转换节点的基本形式本文转换节点主要适用于上部为圆钢管柱、下部为钢筋混凝土圆柱的情况。

混凝土柱的纵向受力钢筋与节点域的钢管侧壁焊接，混凝土框架梁的纵向受力钢筋与节点域的H 型钢牛腿焊接。

钢管柱与钢筋混凝土框架转换节点的基本形式见图1。

在设计钢管柱-混凝土框架转换节点时，主要遵循以下原则：1) 混凝土结构能够对顶部钢柱进行可靠锚固，实现悬臂钢管柱底部的嵌固条件；2) 下部混凝土框架能够满足“强节点、弱构件”的抗震性能要求。

与迄今航站楼、铁路客运站站房等工程中采用的钢管柱-混凝土框架转换方式相比，本文转换节点避免采用过渡层的方式，钢管下插长度很小，节约钢材效果明显，适用于一定范围内钢管柱与钢筋混凝土柱直径的相对变化，具有较好的技术经济性。

1.2 钢管柱的连接转换节点的顶部与钢管柱相连，底部与钢筋混凝土柱连接，故此，节点中部为变径钢管，变径段的斜度不宜大于1∶6，变径段应设置在H 型钢牛腿高度范围内。

变径段的壁厚不小于钢管柱的壁厚，当斜度大于1∶6 时，变径段的壁厚应适当加大[10]。

图1 钢管柱与混凝土框架的转换节点Fig.1 Transfer joint between steel tube column and RC frame 在钢牛腿上、下翼缘相应的部位设置内环形水平加劲肋，满足钢牛腿传力及混凝土浇筑的需求。

环形加劲肋的厚度与H 型钢翼缘相等，且不小于12 mm。

变径段与上、下钢管之间、水平加劲肋与钢管内壁之间均采用坡口全熔透焊缝。

为了增强转换节点的强度，提高被连接构件之间传力的可靠性，在上、下环形加劲肋之间设置多个竖向加劲肋。

钢管柱-混凝土框架转换节点的构造见图2。

图2 转换节点的构造Fig.2 Construction details of transfer joint1.3 钢筋混凝土梁的连接钢筋混凝土框架梁主要通过H 型钢牛腿与节点域钢管连接。

此时，转换节点钢牛腿的承载力应不小于混凝土梁端截面内力的设计值。

1.3.1 弯矩传递框架梁梁端弯矩主要通过钢牛腿进行传递，钢牛腿翼缘的截面面积应满足框架梁纵向受力钢筋传力的要求：式中：f a为钢材的强度设计值；b f和t f分别为钢牛腿翼缘的宽度和厚度；f y和A bs分别为框架梁纵向钢筋的强度设计值和截面面积。

框架梁纵向受力钢筋与钢牛腿翼缘采用双面角焊缝焊接。

通过牛腿翼缘的叠层式连接构造，既能避免下排钢筋现场仰焊，又可减小牛腿翼缘偏心受力，施工方便，易于保证焊接质量。

故此，牛腿的长度、翼缘板的尺寸应做到构造合理，满足焊接操作的要求。

在钢管表面设置圆头焊钉等措施，增强框架梁混凝土与节点之间的整体性。

框架梁与转换节点的连接构造见图3。

图3 钢筋混凝土梁与转换节点的连接构造Fig.3 Connection details between RC beam and transfer joint1.3.2 剪力传递框架梁端部剪力全部由钢牛腿的腹板承担，钢牛腿腹板的截面面积应满足框架梁受剪承载力的要求：式中：f v为钢材的抗剪强度设计值；h w和t w分别为钢牛腿腹板的高度和厚度；V b为按《混凝土结构设计规范》(GB 50010－2010)[11]调整后框架梁受剪承载力的设计值。

1.3.3 构造钢筋在中国，虽然道德问题一直是学界关注的焦点，但是在道德价值方面的探讨才刚刚起步。

从广义上说，道德是文化的一部分，道德价值是道德体系的核心要素之一。

道德价值在不同领域有着不同的表现形式，道德的文化价值是道德的价值在文化领域的表现形式。

由于H 型钢牛腿范围内的承载力与刚度均明显大于钢筋混凝土框架梁，梁端塑性铰外移。

故此，框架梁端部箍筋加密区的长度应从H 型钢牛腿外侧起算。

1.4 钢筋混凝土柱的连接钢筋混凝土柱的纵向钢筋与钢管管壁焊接，双面角焊缝的长度应不小于5 倍钢筋直径。

钢筋混凝土柱与转换节点钢管之间内力的传递，除纵向钢筋可以直接与钢管管壁传力外，内部混凝土的竖向力主要通过钢管内侧的水平与竖向加劲肋、钢管内壁与混凝土之间的摩阻力，对于大直径钢管，可以考虑在钢管内壁设置栓钉。

为了偏于安全起见，忽略管壁底面对混凝土柱局部压力的贡献。

此时，转换节点应满足式(3)要求：式中：V vs为管内竖向加劲肋抗剪承载力设计值；V f为钢管内壁和混凝土之间粘结力与抗剪栓钉承载力的较大值；N c为混凝土柱轴力设计值；f y和A cs分别为框架柱纵向受力钢筋的强度设计值和截面面积。

钢筋混凝土柱与转换节点的连接构造见图4(a)。

图4 钢筋混凝土柱与转换节点的连接构造Fig.4 Connection details between RC column and transfer joint 假定框架柱顶部混凝土压应力均匀分布，转换节点核芯混凝土的受力情况见图4(b)。

当不考虑钢管内混凝土超灌等有利作用时，转换节点环形加劲肋的宽度尚应避免圆孔范围内素混凝土发生直剪破坏，即圆柱体表面的抗剪承载力应大于圆柱体底面的压力：式中：f t为混凝土抗拉强度设计值；d和h分别为环形加劲肋处混凝土圆柱体的直径和高度；σ为框架柱顶部混凝土的压应力。

利用f c和f t与混凝土立方体强度的关系[11]，可以得到h/d与混凝土强度等级、轴压比的关系式：式中：f cu,k和f c分别为混凝土的立方体抗压强度标准值与抗压强度设计值；αc1为混凝土棱柱强度与立方体强度之比。

h/d与混凝土强度等级、轴压比的关系见表1。

从表1中可知，对于强度等级为C40～C80的混凝土，当轴压比为0.4 时，h/d不小于1.60～2.27 即可避免直剪破坏。

在混凝土框架柱顶部纵向钢筋的连接区，采用钢丝网细石混凝土作为保护层，有利于提高钢管混凝土过渡段的防火性能。

表1 h/d与混凝土强度等级和轴压比的关系Table 1 Relationship between h/d and concrete strength grade and axial compression ratio2 转换节点试验研究2.1 试件设计为了验证本文转换节点的合理可靠性，深入考察其抗震性能与破坏形态，在清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室进行了缩尺模型试验。

考虑实验室设备加载能力、加载空间、构件规格等因素，采用1∶2.5 缩尺比。

缩尺后，H 型钢牛腿尺寸为H400 mm×400 mm×12 mm×12 mm，内环板最小宽度为120 mm，厚度同钢牛腿翼缘，竖向加劲肋厚度与钢牛腿腹板相同，节点变径段钢管壁厚与钢管柱相同。

钢材牌号均为Q345B，梁、柱纵向受力钢筋均采用HRB400，箍筋均为HPB300。

抗剪栓钉长度l=50 mm，间距约80 mm。

为了真实模拟钢管柱-混凝土框架转换节点在水平荷载作用下的受力状态，试件选取了钢管柱、混凝土框架柱与框架梁反弯点范围内的部分。

此类工程中钢柱的轴压比均较小，经统计，最大轴压比为0.32。

在验证转换节点安全性时，为了考虑轴压比对受力性能的影响，并考虑钢管柱与钢筋混凝土柱直径的相对关系，设计制作了JD-1～JD-4 共4 个试件，钢管柱的轴压比分为0.32 与0.16 两种。

缩尺模型的基本信息见表2，试件基本尺寸及配筋见图5。

表2 试件的基本信息Table 2 Basic information of specimens图5 试件尺寸及配筋图/mmFig.5 Dimensions of specimens and reinforcement configuration 框架梁与框架柱混凝土强度等级均为C40，试件浇筑混凝土时制作6 组尺寸为150 mm×150 mm×150 mm 的标准试件，与节点试件在相同条件下养护28 d，实测立方体抗压强度f cu=46.7 MPa，弹性模量E c=32.5 GPa。

钢板与钢筋的实测屈服强度f yk及抗拉强度f stk见表3。

表3 钢材及钢筋材性结果Table 3 Mechanical properties of steel and reinforcement2.2 试验装置与加载制度为了模拟转换节点的实际受力情况，采用500 t千斤顶在钢管柱顶部施加恒定竖向轴力，采用100 t作动器在钢柱顶部侧向施加水平往复荷载，梁端设置滑动铰支座模拟框架梁反弯点处的边界条件，在混凝土柱底部设置销轴模拟钢筋混凝土柱的反弯点。