混凝土梁與鋼骨柱連接節(jié)點(diǎn)研究

馬智英

（建研航規(guī)北工（北京）工程咨詢有限公司，北京 100013）

對于鋼結(jié)構(gòu)工程而言，混凝土地下室的剛度較大，地下室的頂板可以作為上部鋼結(jié)構(gòu)的嵌固端，這樣，鋼結(jié)構(gòu)的柱子只需深入到地下一層，并且采用鉸接的方式固定在地下一層的底板上。在這點(diǎn)上，設(shè)計(jì)和施工都不會(huì)存在太大的問題。問題的難點(diǎn)在于地下室頂板的梁與地下室柱的連接。鋼柱伸入到地下一層的混凝土柱中，實(shí)際上成為鋼骨混凝土柱，鋼骨的存在，給框架的節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與施工帶來不少的麻煩。鋼骨混凝土的相關(guān)圖集《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)造》（04SG523）推薦了兩種較好的做法，其中一種做法用得較多，以下對此進(jìn)行簡單說明，并提出一些個(gè)人建議。

1 鋼骨混凝土的梁柱節(jié)點(diǎn)的常用做法

圖集中的第一種做法是采用在勁性鋼骨表面焊鋼套筒的方式。鋼套筒有內(nèi)螺紋，現(xiàn)場施工時(shí)把鋼筋的端部套扣并擰入鋼套筒。鋼套筒與勁性柱的焊縫強(qiáng)度不小于與該鋼套筒連接的鋼筋的強(qiáng)度。該做法的優(yōu)點(diǎn)是連接整潔，操作也比較簡單，是我們推薦的做法。但是在和幾家施工單位合作中發(fā)現(xiàn)他們都不愿意采用該方案，因?yàn)殇撎坠艿某杀据^高，鋼筋兩端擰入鋼套筒的操作難度較大，速度也比較慢。

圖集中第二種做法是采用牛腿的方式。其中還有搭接和焊接兩種方式。

采用搭接的方法時(shí)，牛腿實(shí)際為一個(gè)與柱內(nèi)鋼骨等強(qiáng)焊接的一個(gè)懸臂短梁。短梁的高度可取框架梁高的0.8倍，長度不小于2倍的框架梁高及梁的鋼筋的搭接長度二者的較大值。短梁的上、下翼緣需要焊抗剪栓釘，栓釘?shù)闹睆酵ǔ?9mm，間距不得大于200mm，栓釘?shù)揭砭夁吘壍木嚯x應(yīng)小于50mm。牛腿短梁抗拉強(qiáng)度應(yīng)和相應(yīng)的鋼筋的強(qiáng)度相當(dāng)，這樣，在節(jié)點(diǎn)處鋼筋搭接的范圍內(nèi)，鋼筋的應(yīng)力通過鋼筋與牛腿短梁之間的混凝土傳遞到牛腿短梁，進(jìn)而傳到勁性柱上。該方案在施工現(xiàn)場簡單易行，但是牛腿短梁較長，且需在加工廠預(yù)先采用等強(qiáng)焊接的方式與勁性柱焊接完成，所以在運(yùn)輸上有些不便。

采用焊接的方法時(shí)，牛腿短梁比采用搭接的方法要小得多。框架梁內(nèi)的鋼筋焊在牛腿短梁的上下翼緣，焊縫的長度單面焊時(shí)為10d，雙面焊時(shí)為5d，牛腿短梁的長度也就可以根據(jù)這個(gè)原則確定。該方案運(yùn)輸較為方便，但是當(dāng)梁內(nèi)配筋較多需要布置滿兩排鋼筋時(shí)，現(xiàn)場施工會(huì)遇到不便之處。由于鋼骨柱的鋼骨的保護(hù)層的厚度不得小于200mm，所以第二排鋼筋的邊緣鋼筋可以直接貫通鋼骨混凝土柱，但是中部的幾個(gè)鋼筋就必須與牛腿短梁的翼緣焊接。由于第一排鋼筋已經(jīng)和翼緣焊接了，所以第二排鋼筋只能與翼緣的另一側(cè)焊接，勢必有些鋼筋在現(xiàn)場時(shí)需要仰焊。為了避免仰焊，我們曾經(jīng)建議在加工廠就在牛腿短梁上焊上短鋼筋，現(xiàn)場只需進(jìn)行鋼筋的搭接就可以了。但是，施工單位的鋼結(jié)構(gòu)加工與鋼筋加工為兩個(gè)分包單位，在實(shí)際操作中會(huì)遇到分工不便的問題。

對此，筆者提出了另一種變通的焊接方案。牛腿短梁做成變截面的形式。但是在根部牛腿短梁翼緣截面應(yīng)該大一些，它的強(qiáng)度等于兩排鋼筋的強(qiáng)度。在上排鋼筋焊接長度的末端開始按1∶3變截面，截面降至與第二排鋼筋相應(yīng)的高度，第二排鋼筋仍然焊在翼緣的上表面，保持俯焊。這樣，在框架梁端部缺少第二排鋼筋的長度范圍內(nèi)，缺少的鋼筋有牛腿的翼緣補(bǔ)償。該做法牛腿短梁雖然比焊接的方法略長，但遠(yuǎn)小于搭接的方法，且避免了仰焊，是我們在實(shí)踐中探索出來的一種創(chuàng)新的方案。

2 鋼骨混凝土的設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)

（1）框架梁中的鋼筋不得直接焊在鋼骨柱的翼緣上，并且鋼骨柱的翼緣不得開孔，即鋼筋不得穿過翼緣。鋼骨柱的腹板可以開孔，但是開孔率應(yīng)小于腹板面積的20%。

（2）如果框架梁也有鋼骨，或者框架梁的牛腿短梁的長度超出框架柱的截面范圍，就需要設(shè)計(jì)人員認(rèn)真排布梁和柱的主筋，并且在鋼骨梁或牛腿短柱的翼緣上開孔，以便框架柱的主筋通過。由此可見，鋼骨混凝土的設(shè)計(jì)要比單純的混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)繁瑣得多。

近年來我們設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)和鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)較多并且積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，下面以某個(gè)大型鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)為例對鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行論述。

3 某大型型鋼混凝土結(jié)構(gòu)工程的概況

某建筑在結(jié)構(gòu)上的總體特點(diǎn)是具有大跨度、大空間的混凝土結(jié)構(gòu)，建筑的外圍框架柱沿9°的角度向上收進(jìn)直至屋頂。首層的層高為9m，凈高必須高于7m，框架柱的截面尺寸大部分限制在1100mm以內(nèi)。2～6層的層高為4m，凈高不得小于3.1m，框架柱的截面尺寸不得超出800mm。首層、第2層為汽車研發(fā)用的實(shí)驗(yàn)區(qū)，所以包含了各種較大的荷載和較重設(shè)備，其中首層有6臺(tái)10～20t的橋式起重機(jī)和若干臺(tái)3～5t的懸掛起重機(jī)；第2層布置了各種汽車檢測設(shè)備。樓面設(shè)計(jì)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值為4kN/m2。首層空間較大，框架的最大跨度達(dá)到30m，并且為上部結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換梁，承托上部4層的荷載，但最大梁高限制在2m以內(nèi)。第2層框架的最大跨度為15m，梁高限制在0.9m以內(nèi)。3～6層為辦公區(qū)，但由于建筑造型和使用空間的要求，3～6層層層縮進(jìn)，在縮進(jìn)的過程中不斷地變化結(jié)構(gòu)的布局，形成很多局部抽柱的格局，從而許多地方的跨度甚至達(dá)到20m，但梁高限制始終不得超過0.9m。尤其在第5層時(shí)，建筑縮進(jìn)為由一個(gè)跨度為55m的連廊連接起來兩個(gè)獨(dú)立的部分。該建筑的場地土的室外自然地坪比土0.000要低3～4m，這也給設(shè)計(jì)工作增加了不少難度。

由以上的描述可以得出該工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有以下幾點(diǎn)注意事項(xiàng)：

（1）大跨度轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，同時(shí)梁高受到限制，采用普通混凝土結(jié)構(gòu)無法滿足要求，所以采用了鋼骨混凝土加預(yù)應(yīng)力的措施解決大跨度轉(zhuǎn)換梁的承載力和變形的問題。柱截面也有尺寸的限制，所以大跨度框架柱也采用鋼骨混凝土柱的方式。鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)構(gòu)造前面已經(jīng)做了論述，這里說一下采用預(yù)應(yīng)力的問題。30m的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，梁高僅有2m，或15～20m的框架梁，梁高僅為0.9m。采用鋼骨后雖然可以解決承載力的問題，但是撓度和裂縫仍然無法控制，最終我們采用了二級預(yù)應(yīng)力的方法控制大跨度梁的變形問題。之所以采用二級預(yù)應(yīng)力是因?yàn)閺?qiáng)度已經(jīng)由鋼骨解決了，只需控制裂縫就可以了，這樣有利于減少配筋及方便施工。鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)另一個(gè)需要強(qiáng)度的重點(diǎn)是，不論柱或梁，在由鋼骨混凝土向普通混凝土轉(zhuǎn)換的層或跨均需設(shè)過渡層或過渡跨。如下層是鋼骨混凝土柱，上層為普通混凝土柱，第一個(gè)無需鋼骨的樓層應(yīng)為過渡層，過渡層內(nèi)的鋼骨按構(gòu)造配置，同時(shí)設(shè)抗剪栓釘，栓釘?shù)拈g距不得大于200mm，栓釘?shù)倪吘嗖坏么笥?00mm。又如，與鋼骨梁相鄰的第一跨非鋼骨梁，必須在有鋼骨深入該跨1/4跨度，并且在由支座到鋼骨截?cái)嗵幰酝獾?倍梁高范圍內(nèi)均應(yīng)箍筋加密，同時(shí)鋼骨上還要設(shè)置栓釘。

（2）外圍框架柱均沿9°向上傾斜，所以在柱底會(huì)產(chǎn)生水平拉力。與之相連的框架梁的配筋就必須考慮拉力的影響，梁的上鐵鋼筋需要大部分貫通，箍筋沿全長加密。

（3）首層層高大而抽柱較多，在計(jì)算中發(fā)現(xiàn)首層的層間位移達(dá)到了1/430，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到規(guī)范的要求。針對該問題我們在首層的樓梯間兩側(cè)設(shè)置了部分剪力墻，這些剪力墻僅僅用來減少層間位移，并不參與抵抗結(jié)構(gòu)的水平力，所以該剪力墻的抗震等級可以僅按三級設(shè)計(jì)。這就要求框架的配筋不考慮剪力墻的影響，或取帶剪力墻與不帶剪力墻兩種計(jì)算結(jié)構(gòu)的較大值。

（4）在第5層，連接的兩個(gè)部分的大跨橋采用空腹桁架結(jié)構(gòu)。采用空腹桁架結(jié)構(gòu)的原因是建筑對橋的造型有要求，不容許出現(xiàn)斜腹桿?？崭硅旒艿母叨仁墙Y(jié)構(gòu)層的整層高度，要求在空腹桁架部位兩側(cè)的板、梁同時(shí)施工，否則會(huì)使空腹桁架的上弦和豎桿以及上層樓層的荷載作為外荷載全部加到空腹桁架的下弦桿上，最終結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)與設(shè)計(jì)的假定模式不符從而會(huì)導(dǎo)致工程事故的發(fā)生。

（5）該建筑采用條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)的底標(biāo)高為-6.500m。由于沒有地下室，由基礎(chǔ)到土0.000之間按照框架進(jìn)行設(shè)計(jì)而沒有采用傳統(tǒng)的基礎(chǔ)短柱的方案。之所以這樣做是由以下幾個(gè)原因決定的：①室外自然地坪與土0.000的高差多達(dá)3～4m，根據(jù)地勘，持力層基本在-6.5m。②建筑設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的民用部分有一層地下室和地下車庫。整個(gè)建筑的上部雖然由伸縮縫劃分為7個(gè)部分，但是地下部分很難完全分開，為保證地下部分的整體性，我們設(shè)計(jì)的部分也采用整體基礎(chǔ)。所以首先排除了獨(dú)立基礎(chǔ)的方案。但是若采用筏板基礎(chǔ)，在筏板整個(gè)筏板上需要回填厚的填土并夯實(shí)，筏板基礎(chǔ)僅在這些土重的條件下就已經(jīng)把天然持力層的承載力用盡了，在考慮上部結(jié)構(gòu)的傳至基礎(chǔ)的力，地基需要處理到非常高的強(qiáng)度，這幾乎不可行。采用樁基方案會(huì)大大增加了施工的費(fèi)用。經(jīng)過反復(fù)斟酌，最終選用了條形基礎(chǔ)的方案，圓滿地解決了上述的兩個(gè)問題。③我們設(shè)計(jì)的部分雖然沒有地下室，但是局部有非常深的設(shè)備基坑，這些設(shè)備基坑的外圍尺寸往往沿著框架柱的軸線，如果采用基礎(chǔ)短柱的方案，會(huì)因?yàn)槎讨某叽巛^大而擠掉了很多基坑的使用空間，這是工藝絕對不準(zhǔn)許的。④當(dāng)?shù)叵虏糠植捎每蚣茉O(shè)計(jì)時(shí)需要確定結(jié)構(gòu)底部的嵌固的位置。這個(gè)工程由于只有局部地下室，可以直接判斷出地下一層的剛度不會(huì)大于首層剛度的2倍，嵌固端不會(huì)在土0.000。但是我們的判斷還是應(yīng)該基于整體計(jì)算的結(jié)果。⑤處理后的地基承載力為300kPa，相應(yīng)基床反力系數(shù)應(yīng)不小于50000，并且采用考慮上部剛度的方法進(jìn)行計(jì)算，這樣能夠減少一些基礎(chǔ)配筋。

4 結(jié)論

在比較復(fù)雜的工程中采用鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)可以解決許多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的難題，滿足建筑專業(yè)的需求，但是在選擇結(jié)構(gòu)方案的同時(shí)要充分考慮施工的可行性和可靠性，這樣才能使設(shè)計(jì)理念得以充分的實(shí)現(xiàn)。