型钢混凝土柱连接圆钢管混凝土柱节点设计

型钢混凝土柱连接圆钢管混凝土柱节点设计

张达明杜嘉斌

广州市住宅建筑设计院有限公司广州510623

摘要：钢管混凝土柱与型钢混凝土柱，能否在同一个项目中使用并充分发挥各自的优点，二者连接节点的设计是关键。其可以参考钢管混凝土柱脚节点采用端承式和埋入式。通过手工计算和ANSYS有限元模拟的方式复核端承式连接方式可满足规范要求；对于埋入式连接方式，采用有限元模拟结果显示其节点受力性能优于前者。在施工上，端承式连接方式优于埋入式。

关键词：钢管混凝土柱；型钢混凝土柱；节点；ANSYS

1引言

型钢混凝土柱与圆钢管混凝土柱，做为两种受力性能较好的竖向结构单元，目前已广泛应用于超高层结构中。两种技术随着时间的推移已日趋成熟。两种技术相比各有优缺点：型钢混凝土柱有很好的抗弯、抗剪性能，而且有很好的延性；但其同等条件（等面积）下的受压性能不如圆钢管混凝土柱，同时建筑立面效果及空间的使用效果欠佳；另外，由于其仍需要每层绑扎柱钢筋并浇筑混凝土，其施工便利性一般。而圆钢管混凝土柱，由于核心区混凝土为三向受力，在同等条件下有很高的竖向承载力和很好的延性；同时其建筑立面、空间效果均较好，且施工方便；但其受弯、受剪性能不如型钢混凝土柱。实际工程中是否需要将两种技术同时使用，答案是肯定的。富力天盈广场C1栋（地上39层，地下4层，主体高度175米，建筑总高度183.9米，采用钢管砼柱框架-筒体结构体系，在7层楼面存在局部转换）就同时采用了这两种结构单元，并充分发挥二者的优点（如图1所示）。这样，型钢混凝土柱转换成圆钢管混凝土柱的节点成为关键。目前国内外对这种节点的相关资料较少，本文介绍该节点的设计过程供同行参考。

2节点几何与受力情况

下部型钢混凝土转换柱及上部圆钢管混凝土柱尺寸及连接关系如图2，3所示，从图中可以看出，为保证下部型钢与上部钢管柱受力的连续性，我们将型钢位于钢管柱投影范围内的十字钢骨在钢管柱内向上延伸2米。由整体模型中提取的钢管柱顶的内力如表1所示。这里需要特别说明一下，根据文献【1】的要求，钢管柱及型钢柱属于关键构件，需要达到小震、中震弹性的相关性能水准，而大震下性能目标为中度损坏（宜抗剪不屈服、抗弯不屈服）。故本文仅列出小、中震的内力情况。

3钢管混凝土柱与型钢混凝土连接节点计算

3.1节点形式的选择

现行规范中并未有钢管混凝土柱与型钢混凝土柱连接节点的做法。笔者认为，可将下部的型钢混凝土柱做为钢管混凝土柱的基础考虑，这样二者连接节点的做法就可以参考钢管混凝土的柱脚进行设计。钢管混凝土的柱脚根据其受力情况分为端承式和埋入式，现根据表1的内力情况分析钢管混凝土柱脚受力情况如表2所示：

注：表中应力分别按轴压、压弯计算：

从表2中可以看出，无论是何种地震水准，何种工况，钢管柱底均未出现拉应力的情况，故可采用端承式柱脚做法。

3.2端承式柱脚的受剪验算

受剪验算根据规范【2】钢管混凝土柱脚受剪计算公式

若不考虑上下贯通混凝土和柱受压的有利作用，仅将十字钢骨做为抗剪件验算如下：

可见钢管柱底剪力远小于其内十字钢骨的抗剪承载力。

3.3端承柱脚的局部受压验算

十字钢骨在节点处上下贯通，钢管柱脚处有钢管、混凝土、十字型钢组成的组合截面变形协调满足平截面假定，则此3种构件的轴压力可按照其各自的轴压刚度来分配：

图4有限元模型

4钢管混凝土柱与型钢混凝土连接节点的有限元计算

受力性能的有限元分析采用大型通用有限元程序ANSYS进行数值模拟。

4.1模型材料参数及结构构造

混凝土采用C60，钢管及十字钢骨采用Q345B，具体尺寸及连接关系详图1，2，3。

4.2单元及模型

模型采用ANSYS自带的SOLID65实体单元模拟混凝土；采用SOLID45实体单元模拟型钢及钢管。模型做适当的简化，暂不考虑混凝土与钢管及十字钢骨的接触滑移。另外，由于只研究节点区的应力情况，故仅节点区域（约两倍节点构件尺寸）内采用实体单元，其余采用杆beam188单元，实体单元与beam188单元在连接节点的截面上进行全截面节点耦合。

4.3边界条件及加载方式

将柱底部以及连接节点远端的梁端施加固定约束。在柱顶面施加荷载（荷载值按表1小震下Nmax工况）。

有限元模型如图4所示。

4.4分析结果

按照不同材料分别读取节点区钢（型钢、钢管）、混凝土的VonMises应力，如图5、6所示。从分析的结果应力可以看出：

（1）、钢管及型钢部分，除了柱脚环板与型钢连接位置有个别点出现应力集中，其余位置应力均小于规范值295MPa。

（2）、混凝土部分，从型钢混凝土柱内混凝土剖面来看，柱脚环板周边一定宽度范围内混凝土的应力较大，达到54.3MPa，但这个应力未超过上述3.3.2节中，验算环板下的混凝土局部受压应力。其余区域的混凝土均未超过C60混凝土的抗压强度27.5MPa。

（3）、根据圣维南原理，无论是钢还是混凝土，应力在经过一定区域的（大约为1.5倍的钢管柱尺寸）传递扩散以后，应力分布就较为均匀，这说明有限元所取的尺寸较为合适，能够反映节点区域全部的应力分布情况。

（4）有限元计算的结果与手工计算的吻合较好，但仍存在以下问题：钢管柱与型钢柱交接位置还存在个别位置的应力集中；位于环板下的混凝土局压应力水平较高，个别点位还出现超过限值的情况。

4.5修改节点模型有限元计算

为解决上述问题，尝试采用埋入式节点做法，并在埋入部分钢管壁上加环筋以增加钢与混凝土的咬合。以此方式建立有限元模型计算，结果如图6所示。

（1）钢管与型钢交接部分，其应力集中情况有所减小，峰值应力相比原来减小14%。

（2）混凝土部分的局部压应力有明显减小，峰值应力相比原来减小19%，所有单元应力均满足规范的限值。

（3）埋入深度根据规范【2】采用1.5~2倍钢管柱直径，模型建模采用2倍，但从分析结果来看，大约经过1倍钢管柱直径深度的扩散传递后，无论是钢还是混凝土，二者的应力已较为均匀。

（4）埋入式节点，由于加大了混凝土和钢管之间的接触面，因而无论在解决应力集中还是在降低钢、混凝土两种材料的峰值应力上均较端承节点有较好的效果。

5结论

（1）钢管混凝土柱与型钢混凝土柱，做为两种受力性能较好的竖向结构单元，二者各有优缺点，能否在一个项目中充分发挥二者的优点，二者连接节点的设计是关键，目前该方面的研究比较少。

（2）二者的连接节点设计可以参考钢管混凝土的柱脚节点进行设计，其柱脚节点分为端承式或埋入式两种。对于端承式节点连接方式，通过手工计算，同时采用通用有限元程序ANSYS对节点区的应力情况进行复核，其结果基本满足规范要求。对于埋入式，采用有限分析结果显示其受力情能要优于端承式节点连接方式。

（3）从施工的角度看，端承式连接方式无论是钢材部分节点的现场加工，还是混凝土的现场浇筑，其施工便利性均优于埋入式的连接方式。

（4）在有限元分析中未考虑混凝土与钢材之间的滑移影响，关于混凝土与钢材之间的接触还有待进一步的研究。

参考文献：

[1]张达明，林敏波等.猎德西区综合发展项目C区地块C1办公楼建筑结构超限设计可行性报告，2012.12.20.

[2]GB50936-2014钢管混凝土结构技术规程[S].

[3]GB50010-2010混凝土结构设计规范[S].

[4]李军，张维锦，张元凯.基于ANSYS的钢管混凝土轴压短柱承载力分析[J].山西建筑，2007，33（10）：104-105.