一种改进的钢管混凝土柱-钢梁外加强环式节点

罗江

本文提出了一种改进的钢管混凝土柱-钢梁外加强环式节点，并应用到广州某项目中。该节点的特点是：减小外环板宽度，采用外贴竖环板的方式对节点范围柱钢管进行加强。分析表明，改进的外加强环式节点受力性能良好，同时满足了建筑美观要求，在实际工程应用中产生了良好的社会经济效益。

钢管混凝土柱-钢梁外加强环式节点传力方式明确、构造简单、施工便利，因此被大量应用在实际工程中。《钢管混凝土结构技术规范》（GB50936-2014）中规定外加强环厚度不宜小于钢梁翼缘的厚度，外加强环宽度c不宜小于钢梁翼缘宽度b的0.7倍，如图1所示。

图1 规范外加强环式节点大样

通常情况下，按规范规定构造，环板宽度较大。外环板宽度较大导致钢管壁和建筑外立面有多余空间，该空间较难利用，降低了实用率；
且设备管线不能贴钢管管身布置，若要求贴管身布置，则需外环板开洞，而这又削弱了环板的有效截面。为满足建筑美观及设备安装的要求，本文基于规范外加强环式节点提出了一种改进的外加强环式节点，节点大样如图2所示。新型节点的特点是：减小外环板宽度，采用外贴竖环板的方式对节点范围柱钢管进行加强以保证节点承载力。新型节点主要有以下优点：外环板主要宽度与喷射普通砂浆保护层厚度相同，外环板宽度不会突出砂浆保护层，也不会突出建筑外立面，无需装修或外包处理，设备管线可贴建筑外立面安装，经济效果好。改进节点用于广州某项目中，取得了良好的社会经济效益，受到业主好评。

图2 改进的外加强环式节点

本工程位于广州市白云新城中央商务区，项目占地面积2.33万m2，总建筑面积为19.4万m2。主塔楼高度为150m，外围采用钢管混凝土柱-钢梁框架，内部采用钢板剪力墙核心筒，核心筒与外围框架采用U型梁进行连接。本工程地下4层，地上36层，为一超大型综合建筑，集商业、娱乐、高档办公楼于一体，1～6层裙房为商业、银行、餐厅、会议中心；
7～36层塔楼为写字办公楼。本项目地震设防烈度7度，设计基本地震加速度值0.10g，设计地震分组为第一组，场地类型为Ⅱ类。基本风压值为0.50kN/m2（n=50年）。

本工程与钢管柱刚性连接的钢梁尺寸分别为：H410×220×10×14、H430×300×15×20。按《钢管混凝土结构技术规范》（GB50936-2014）要求，则外环板宽度c=0.7b＝210mm，外环板宽度较大。本工程采用上文提出的改进的外加强环式节点：外环板宽度取防火层厚度为70mm，外环板厚度取梁翼缘厚度，在柱钢管外贴焊30mm厚钢板，钢板上下伸出环板150mm。现场照片如图3所示。

图3 新型节点现场照片

为了验证技术方案的合理性，利用大型非线性有限元软件ABAQUS建立钢管混凝土节点的有限元模型，通过最终破坏形态及最终状态的极限承载力与整体分析的钢梁内力设计值进行比较，分析节点设计合理性。

计算分析分3个模型：（1）按规范构造要求设计的基本节点，环板宽210mm，柱钢管未外贴钢板；
（2）本项目中采用的新型节点，窄外环板宽度c=70mm，管壁外包竖环；
（3）窄外环板宽度c=70mm，管壁外不包竖环，下文称为对比节点。

1. ABAQUS模型及参数

混凝土采用塑性损伤本构，其等效应力-应变关系根据韩林海等定义的约束混凝土本构公式计算得到，其等效峰值应力为31.6MPa。钢材采用双折线的理想弹塑性本构，钢材屈服强度为345MPa。单元选取方面，混凝土采用八节点减缩积分三维实体单元C3D8R，钢管采用四节点壳单元S4R。钢管与混凝土界面法线方向的接触采用硬接触，即垂直于接触面的压力可以完全地在界面间进行传递；
钢管与混凝土界面切线方向采用库伦摩擦模型来模拟。钢管混凝土节点的加载分两个分析步进行，第一个分析步在钢管混凝土柱顶施加恒定轴心压力，第二个分析步分别在各梁端采用位移控制加载。经过试算后发现，模型上下环板间有无加劲肋基本不影响模型的计算结果，为了方便建模以及提高计算速度，以下各模型将不建立环板间加劲肋。

2. 计算结果分析

对按照上述尺寸和构造建立的3个模型进行模拟计算分析，得到模型的应力和变形，通过分析其应力和承载力来对比各种技术方案受力的合理性。

（1）基本节点

按规范构造要求设计的基本节点模型在柱端和梁端荷载作用下的应力云图如图4所示。由图可知，随着梁端位移的增大，当梁端荷载增加到504kN时，钢梁端部上下翼缘的应力首先达到钢材屈服强度；
此时柱钢管的应力最大值为241MPa，环板局部应力最大值为271MPa，均尚未达到钢材屈服强度。随着荷载的进一步增大，梁端进入屈服状态的区域逐渐变大，最终梁端达到全截面屈服状态，梁端达到极限承载力；
此时环板局部应力最大值为330MPa，柱钢管的局部应力最大值为309MPa，均未达到钢材屈服强度。整体模型计算得到的梁端剪力值为336kN，小于504kN，因而基本节点能够满足承载力要求。

图4 基本节点应力云图

（2）新型节点

新型节点应力云图如图5所示。由图可见，随着梁端位移的增大，当梁端荷载增加到500.3kN时，钢梁端部上下翼缘的应力首先达到钢材屈服强度；
此时柱钢管的应力最大值为236MPa，环板局部应力最大值为313MPa，均尚未达到钢材屈服强度。随着荷载的进一步增大，梁端进入屈服状态的区域逐渐变大，最终梁端达到全截面屈服状态，梁端达到极限承载力；
此时环板局部区域达到屈服强度，但柱钢管的应力最大值为297MPa，尚未达到钢材屈服强度。由上述分析可知，新型节点的承载力与基本节点承载力基本相等，且梁端在钢管柱和环板尚未屈服之前达到极限承载力，因此此种节点的受力较为合理且没有削弱节点的强度，满足设计要求。节点的承载力500.3kN大于梁端剪力最大值336kN，因此节点能够满足承载力设计要求。

图5 新型节点应力云图

（3）对比节点

对比外包竖环的窄环板节点进行分析，得到节点在柱端和梁端荷载作用下的应力云图如图6所示。由图可知，简单的缩小环板宽度，但不增加钢管管壁外包竖环，随着加载增加，钢管壁和外环板先于钢梁屈服，不满足“强柱弱梁”的设计原则。节点屈服时梁端的承载力仅为388kN，比基本节点承载力降低23%，所以只缩小环板宽度而不采取局部加强措施会使得节点的受力不合理。

图6 对比节点应力云图

3. 环板宽度与竖环高度关系分析

上述研究表明通过外包竖环可以在不削弱节点承载力的情况下缩小环板的宽度，为了进一步研究外包竖环高度和窄环板宽度之间的关系，以下采用ABAQUS软件分别对环板宽度分别为0mm，30mm，70mm，140mm和210mm的节点进行模拟分析，通过试算得到当各节点屈服承载力与基本节点相同时对应的外包竖环高度值。

假设外包竖环厚度与环板厚度相等，经过试算，得到各节点屈服承载力相等时环板宽度和竖环高度的关系如表1所示。由于节点1环板宽度为0，也即无环板，计算结果表明当钢管沿着柱全高外包竖环时，节点仍然无法达到基本节点的屈服承载力，且此节点的柱钢管比钢梁先屈服，不满足“强柱弱梁”的设计原则。由表1可知，随着环板宽度减小，若外包竖环与环板伸出加强环的长度之和不变且大致等于0.7b时，节点的屈服承载力也基本维持不变。当环板宽度过窄时，若要保持节点承载力不变，则会使得竖环高度大大增加，甚至无法通过增加竖环高度来满足承载力要求；
且若环板过窄，将使得节点柱钢管比梁端先屈服，对节点受力产生不利影响。

表1 环板宽度和竖环高度的关系

（1）本项目外包竖环的窄环板节点的承载力与按构造要求设计的基本节点承载力基本相等，且梁端在钢管柱和环板尚未屈服之前达到极限承载力，因此新型节点的受力较为合理且没有削弱节点的强度，满足设计要求。

（2）在一定范围内，随着环板宽度减小，若外包竖环与环板的长度之和不变且大致等于0.7b时，节点的屈服承载力也基本保持不变，且节点受力合理。若环板过窄时，将使得节点柱钢管比梁端先屈服，对节点受力产生不利影响。

（3）若减少外环板宽度，但不外包竖环，钢管壁和外环板先于钢梁出现屈服，钢梁材料未充分使用，不满足“强柱弱梁”的设计要求；
且节点承载力有较大降低。

（4）本文提出的改进的外加强环式节点在实际工程中运用取得了良好的效果。对该节点受力性能的理论分析及外环板宽度与柱钢管外贴钢板尺寸的关系，仍需进行深入研究以对工程设计提供指导。