市政工程中鋼- 混凝土組合結(jié)構(gòu)框架節(jié)點設(shè)計

梁峰

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，武漢 430060）

1 引言

鋼筋-混凝土（以下稱“鋼-混凝土”）結(jié)構(gòu)，是當(dāng)前市政工程建設(shè)的主要組成結(jié)構(gòu)，該模式也可以稱之為混合結(jié)構(gòu)[1]，主要功能是發(fā)揮不同材料的優(yōu)勢，搭建穩(wěn)定性更高的建筑。根據(jù)調(diào)查可知，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)傳力較為復(fù)雜，框架節(jié)點的設(shè)計直接影響了結(jié)構(gòu)的受力性能[2]。因此，市政工程建設(shè)過程中，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)框架節(jié)點設(shè)計成為一項不可或缺的研究內(nèi)容。近年來，多種節(jié)點設(shè)計方法開始應(yīng)用在組成結(jié)構(gòu)工程建設(shè)中，但是設(shè)計結(jié)果難以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。文中以市政工程為研究對象，針對鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的節(jié)點受力進(jìn)行深入分析，并計算節(jié)點核心區(qū)的有效尺寸[3]。運用包含明確物理意義的剪力計算公式獲取節(jié)點核心區(qū)的剪力強度，再結(jié)合BP 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自適應(yīng)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，得到左右框架節(jié)點設(shè)計方案。

2 明確組合框架節(jié)點受力機理

鋼-混凝土組合框架結(jié)構(gòu)內(nèi)節(jié)點的受力機理是影響節(jié)點設(shè)計的主要因素。文中根據(jù)節(jié)點處多種材料的有機聯(lián)系，結(jié)合材料自身的非線性性質(zhì)，得出組合框架的節(jié)點傳力結(jié)構(gòu)主要包括3 部分：鋼梁腹板傳力結(jié)構(gòu)、內(nèi)部混凝土斜壓桿傳力結(jié)構(gòu)、外部混凝土斜壓桿傳力結(jié)構(gòu)。

其中，鋼梁腹板傳力結(jié)構(gòu)指的是節(jié)點區(qū)內(nèi)鋼梁翼緣和柱面位置的面承板組，為了便于分析節(jié)點核心區(qū)鋼梁腹板傳力結(jié)構(gòu)的受力機理，將其看作一面剪力墻，并將二者相接的翼緣框看作框架，鋼梁腹板傳力結(jié)構(gòu)受力分析如圖1 所示。

圖1 鋼梁腹板結(jié)構(gòu)受力分析

組合結(jié)構(gòu)框架中，剪應(yīng)力會在抗側(cè)剛度的影響下，合理分配給鋼框架和剪力墻[4]。此外，考慮到組合結(jié)構(gòu)框架節(jié)點設(shè)計過程中，剪力墻的抗側(cè)剛度總是高于翼緣框架，為了降低計算復(fù)雜度，僅依據(jù)鋼梁腹板的抗剪能力進(jìn)行后續(xù)節(jié)點設(shè)計分析。

除此之外，針對鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)框架中節(jié)點區(qū)域進(jìn)行整體分析，可以將其大概劃分為兩個部分，分別是內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)與外部混凝土結(jié)構(gòu)。

3 獲取節(jié)點區(qū)有效尺寸

通常情況下，組合結(jié)構(gòu)框架受到外力后，只有節(jié)點核心區(qū)參與荷載抵抗工作，其余部分并未發(fā)生應(yīng)力變化。因此，節(jié)點設(shè)計之前，需要先結(jié)合節(jié)點受力機理，確定市政工程的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)節(jié)點區(qū)有效尺寸。由于節(jié)點核心區(qū)的有效寬度會受到細(xì)節(jié)構(gòu)造特征的影響，與單一的混凝土結(jié)構(gòu)有所差異，組合結(jié)構(gòu)框架節(jié)點的構(gòu)造形式多種多樣[5]，不同構(gòu)造形式的約束條件有所差異，使節(jié)點核心區(qū)的有效寬度變化較大。根據(jù)節(jié)點受力機理分析，在計算節(jié)點區(qū)有效寬度過程中，可以疊加內(nèi)部傳力結(jié)構(gòu)的有效寬度和外部傳力結(jié)構(gòu)的有效寬度。

對于節(jié)點核心區(qū)的有效高度的計算，需要考慮到組合結(jié)構(gòu)節(jié)點的延長式面承板，以及豎向加強筋等內(nèi)容。但是，正常情況下，組合結(jié)構(gòu)框架節(jié)點區(qū)的有效高度應(yīng)低于梁高的1.5倍。綜合有效寬度和有效高度，得到節(jié)點區(qū)總體有效尺寸。

4 計算節(jié)點核心區(qū)剪力

組合結(jié)構(gòu)框架節(jié)點設(shè)計的基本要求是滿足市政工程的剪力強度要求。傳統(tǒng)設(shè)計方法均采用相關(guān)部門下發(fā)規(guī)范中包含的基礎(chǔ)剪力計算公式計算節(jié)點核心區(qū)剪力，這種計算方法無法清晰地表達(dá)部分物理意義，使剪力計算結(jié)果相對偏大。

為了提高剪力計算結(jié)果的準(zhǔn)確度，本文參考典型鋼筋-混凝土組合結(jié)構(gòu)節(jié)點試件，根據(jù)大梁截面尺寸、小梁截面高度以及鋼筋配置情況，得到試件框架梁的截面抗彎強度。以框架梁節(jié)點為研究對象，分析梁截面高度變化后，節(jié)點受到的剪力的變化情況，將其以圖像的形式表現(xiàn)出來，得到圖2。

圖2 節(jié)點計算剪力隨小梁截面高度的變化情況

根據(jù)圖2 可知，組合結(jié)構(gòu)框架的節(jié)點剪力與小梁截面高度之間呈反比例關(guān)系。簡單來說，隨著小梁截面高度的不斷降低，組合結(jié)構(gòu)框架內(nèi)的中心節(jié)點會逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檫吘壒?jié)點，表明該節(jié)點的力學(xué)性能也在逐漸變差，與基礎(chǔ)剪力計算公式所表達(dá)內(nèi)容有所差異。

綜上所述，本文提出在節(jié)點剪力計算過程中采用具有明確物理意義的剪力計算公式，實現(xiàn)非規(guī)則節(jié)點剪力準(zhǔn)確計算。所謂的明確物理意義，包括節(jié)點核心區(qū)剪力、左梁拉力、右梁拉力、鋼筋壓力、混凝土壓力以及框架柱的剪力等多項物理數(shù)據(jù)。通過上述計算方法，得到準(zhǔn)確節(jié)點核心區(qū)剪力的計算結(jié)果，以此為依據(jù)，進(jìn)行后續(xù)節(jié)點設(shè)計方案的研究。

5 生成組合結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計方案

本文以BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，進(jìn)行自適應(yīng)學(xué)習(xí)，生成最優(yōu)框架節(jié)點設(shè)計方案。設(shè)置節(jié)點核心區(qū)剪力為固定數(shù)值后，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的節(jié)點設(shè)計方案的形成，需要考慮截面寬度、截面高度等8 項影響因素。將其作為BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入單元。

采集組合結(jié)構(gòu)歷史數(shù)據(jù)，獲取學(xué)習(xí)樣本和測試樣本，通過誤差交叉評價運算，得出BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含層數(shù)。輸入單元傳遞的數(shù)據(jù)，經(jīng)由隱含層進(jìn)行計算和處理，再傳遞至輸出層。

根據(jù)組合結(jié)構(gòu)框架節(jié)點抗剪要求，分析節(jié)點抗剪強度與節(jié)點核心區(qū)總剪力之間的聯(lián)系，以此來判斷節(jié)點的合理性，倘若當(dāng)前BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出的節(jié)點抗剪能力符合要求，則輸出當(dāng)前節(jié)點抗剪承載力，將當(dāng)前節(jié)點設(shè)計方案作為最終組合結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果。

6 應(yīng)用分析

6.1 項目概述

為了驗證文中所提的節(jié)點設(shè)計方法的應(yīng)用效果，以隆昌經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)污水處理廠為研究對象，在該工程建設(shè)過程中，應(yīng)用文中所提組合結(jié)構(gòu)框架節(jié)點設(shè)計方法，明確該方法的可行性。該工程預(yù)期建設(shè)規(guī)模為2.5×104m3，包括生化處理、再生水回用系統(tǒng)、污泥處理等多個相關(guān)建筑物。該工程建設(shè)過程中，污水提升泵房、脫水機房、機修倉庫等多個建筑物的結(jié)構(gòu)形式均為鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)框架。

6.2 選擇節(jié)點類型

考慮到隆昌經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)污水處理廠組合結(jié)構(gòu)建筑物應(yīng)用的大都是截面面積較大的梁柱。文中選定內(nèi)隔板式節(jié)點類型作為主要構(gòu)造結(jié)構(gòu)，設(shè)計鋼管直徑約為1.5 m，內(nèi)隔板式節(jié)點類型結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 內(nèi)隔板式節(jié)點結(jié)構(gòu)

圖3所示的節(jié)點構(gòu)造結(jié)構(gòu)，由于施工便捷且結(jié)構(gòu)性能良好，在組合結(jié)構(gòu)工程施工中得到了廣泛應(yīng)用。內(nèi)隔板式節(jié)點形式的應(yīng)用，使鋼梁上方傳遞的軸力彎矩通過內(nèi)隔板直接傳遞至另一側(cè)。以此為基礎(chǔ)再運用文中提出的設(shè)計方法確定節(jié)點具體位置。

6.3 節(jié)點核心區(qū)抗剪能力分析

采用文中設(shè)計方法完成節(jié)點設(shè)計后，計算節(jié)點核心區(qū)抗剪能力，從而反映設(shè)計方法的有效性。同時，選用文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]提出的方法進(jìn)行框架節(jié)點設(shè)計，并對比不同方法的節(jié)點核心區(qū)抗剪能力（見表1）。

表1 節(jié)點核心區(qū)抗剪能力對比

根據(jù)表1 可知，文中設(shè)計方法的節(jié)點核心區(qū)抗剪能力為1 850.35 kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于預(yù)期設(shè)計值；文獻(xiàn)[5]方法設(shè)計的節(jié)點，核心區(qū)抗剪能力雖然也滿足設(shè)計要求，但相比文中方法設(shè)計結(jié)果，抗剪強度較低；文獻(xiàn)[4]方法得出的節(jié)點設(shè)計結(jié)果，核心區(qū)抗剪強度僅為1 365.74 kN，不滿足預(yù)期設(shè)計值。綜上所述，相比其他方法，文中提出的設(shè)計方法的節(jié)點核心區(qū)抗剪強度有明顯提升。

7 結(jié)語

本文針對鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行分析，以市政工程為主要研究對象，提出一種框架節(jié)點設(shè)計方法。根據(jù)應(yīng)用分析結(jié)果可知，所提方法得出的節(jié)點設(shè)計方案，核心區(qū)抗剪強度更好地滿足了預(yù)期目標(biāo)，加強了建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。所提方法雖然滿足了預(yù)期目標(biāo)，但由于實驗數(shù)量較少，該方法的拓展性還沒有得到驗證，未來還需要進(jìn)一步研究。