装配式型钢混凝土梁柱连接节点设计

装配式型钢混凝土梁柱连接节点设计

钟晨浩

广州大学土木工程学院（广东广州 510006）

摘要：装配式型钢混凝土结构是一种既具备型钢混凝土结构耐火、抗腐蚀性能好、承载力高等特点，又具备装配式结构施工效率高、质量好、建筑能耗低等特点的，具有广阔应用前景的建筑结构。本文对装配式型钢混凝土梁柱节点的连接方式进行了介绍，旨在为相关工程设计提供参考。

关键词：型钢混凝土；装配式结构；节点设计

装配式型钢混凝土结构是一种既具备型钢混凝土结构耐火、抗腐蚀性能好、承载力高等特点，又具备装配式结构施工效率高、质量好、建筑能耗低等特点的，具有广阔应用前景的建筑结构。由于装配式型钢混凝土梁柱连接节点的力学性能对整个装配式结构的受力性能影响很大，且国内尚未出台相关的设计规范，同时也缺乏这种节点的力学性能试验，使得装配式型钢混凝土结构在实际工程中推广遇到了理论上的困难。

一、型钢混凝土结构截面形式

不同截面形式的型钢混凝土结构其力学性能也将有所差异。如图1(a)所示为四种由槽钢或角钢通过缀板焊接连接，再外包混凝土的截面形式，统称为空腹式。采用空腹式的型钢混凝土结构能节约不少钢材，但缀板与槽钢或角钢的焊接费时费力，且留下的焊缝可能导致结构在地震作用下发生脆性破坏，因而在实际工程中应用较少。如图1(b)所示为四种由工字钢或钢管直接外包混凝土，或者其它型钢相互焊接后再外包混凝土的截面形式，统称为实腹式。采用实腹式的型钢混凝土结构施工方便，且具有良好的力学性能，在工程中应用较为广泛。

图1 装配式型钢混凝土结构中常采用的截面形式

二、梁柱节点在装配式型钢混凝土结构中的形式

从结构形式上来看，装配式型钢混凝土结构应保证至少与传统现浇型钢结构发挥相同的作用，但是与其它类型的装配式结构面临的问题一样，作为整个结构体系中最关键的构件，节点直接影响了装配式结构的装配效率以及力学性能，如何才能结合不同的工程实际选用最合适的节点类型需要进行深仔细地研究和分析。装配式型钢混凝土梁柱节点应采取何种连接方式是整个装配式型钢混凝土结构设计中应重点考虑的问题，一般可从焊接、螺栓连接、牛腿连接等三种连接方式入手，选取最符合工程实际的连接方式。

1.焊接连接节点

焊接连接相较于其它连接方式较早地出现在了传统现浇型钢混凝土结构中，在装配式型钢混凝土结构诞生之初，工程中主要是采用焊接的方法将预制的梁柱构件连接起来。采用焊接连接的装配式型钢混凝土梁柱节点如图2(a)所示，一种是往预制的梁柱构件中预先嵌入型钢，并预留一部分外伸型钢在构件端部，然后对梁、柱预制件的预留端进行焊接，最后往焊接的区域再浇筑少量的混凝土来实现连接；另一种是将钢板连接件代替原先的预留型钢来进行焊接的节点，由于钢板连接件焊接后力学性能较好，无需再往焊接区后浇混凝土便可实现装配效果。采用焊接连接的装配式型钢混凝土结构其力学性能在一般情况下等同于现浇结构，且具有施工简便、刚度大的特点，但是此种连接方式受限于实际工程中焊接技术的水平，无法保证焊缝在地震、冲击等极端荷载作用下不发生脆性破坏，因此很难在我国抗震设防烈度较高的地区推广使用。

2.钢板式螺栓连接节点

钢板式螺栓连接由钢结构中的螺栓连接发展而来，最初在装配式型钢混凝土结构中主要是采用普通或者高强螺栓将梁柱预制构件中预留有螺栓孔的钢板连接起来。采用钢板式螺栓连接的装配式型钢混凝土梁柱节点如图2(b)所示，往预制的梁柱构件中预先嵌入钢板，并预留有螺栓孔，使得节点的含钢量提高了，并改善了其力学性能。后来又有学者提出了改进的钢板式螺栓连接方式，一种是将翼缘削弱的狗骨式型钢代替原先的普通钢板，然后对梁柱预制构件外伸的工字钢腹板之间用螺栓进行连接，使得节点区的塑性铰外移，增大了装配式型钢混凝土梁柱节点的抗弯强度比，从而使节点在承受低周反复荷载作用时具有更强的耗能能力；另一种是将不连续的型钢埋入梁柱预制构件中，通过控制节点区塑性铰的位置来使得装配式型钢混凝土结构在地震作用下刚度不发生剧烈变化。采用钢板式螺栓连接的装配式型钢混凝土结构比传统现浇结构具有更好的抗震性能，适用于抗震设防烈度较高的地区以及其它对抗震设防要求较高的建筑物，但是此种连接方式受限于其复杂的制作工艺，对装配结构的安装精度要求较高，且增加了用钢量和施工成本，因此也需结合工程实际来判断是否适合选用。

3.型钢式牛腿连接节点

采用牛腿连接方式的节点最初多用于工业厂房中，安装方便，能提升施工效率，后来与装配技术融合，在装配式结构中也多有应用。采用型钢式牛腿连接的装配式型钢混凝土梁柱节点如图2(c)所示，将型钢预先埋入柱的预制构件中，并预留部分外伸型钢作为节点的暗牛腿，然后再通过焊接或螺栓连接与预制梁构件连接，装配完毕后在接头后浇少量混凝土实现连接。这种连接方式能充分发挥型钢强大的承载能力，并隐藏牛腿外形，适用于对室内美观要求较高的工业厂房，但也存在与牛腿连接的梁端施工比较麻烦、竖向荷载过大时容易发生失稳等问题。当竖向荷载很大时，预制柱内还应预埋插筋并与叠合梁上下钢筋焊接来保护型钢式牛腿，作为牛腿的型钢还应增大截面厚度或者使用加劲肋来增加侧向支撑能力，这样会使得牛腿暴露于室内，并花费较多的钢材，影响室内美观，对室内美观要求不高的但承载力要求较高的建筑如重型钢结构厂房适用这种连接方式。

4.装配式型钢混凝土梁柱节点设计原则

装配式型钢混凝土结构在实际施工时有时会遇到采用上述三种节点的连接方式都无法解决的问题，这时需要结合工程实际情况设计一种新的连接节点，由于新节点对整个装配式型钢混凝土结构的装配过程还有质量影响很大，需要在设计时把握好如下的基本原则。

（1）强柱弱梁原则。在整个装配式型钢混凝土结构中，预制柱构件的截面形式一般采用实腹式，具有良好的承载能力和抗震性能，除非建筑有特别的要求，一般不需要额外增加其截面面积和改变截面形式就能保证柱的强度，而预制梁构件则需要在设计时特别考虑。型钢混凝土梁具有刚度大、防火防腐蚀能力强的特点，但是为了保证整个装配式型钢混凝土结构在地震作用下塑性铰先出现在梁端而需要对其进行削弱，比如梁内型钢采用翼缘削弱的狗骨式型钢或者使用不连续的型钢等，从而增大梁在地震作用时的变形，减少柱的变形，防止结构倒塌。

（2）强节点弱构件原则。装配式型钢混凝土结构梁柱节点所采用的连接方式既要保证装配式型钢混凝土结构的安装效率，又要保证连接节点不在荷载作用下发生脆性破坏，需要在设计时特别注意。由于要保证预制柱的强度，因此构件的弱化应该从预制梁开始考虑。装配式型钢混凝土结构中的型钢混凝土梁含钢率较高，因而有较大的自重，可通过改变梁的截面形式和截面大小来进一步优化。在弱化构件的同时还要注意节点的强化，主要体现在保证节点安装的可靠，比如在节点核心区设加劲肋、后浇混凝土等，从而保证装配式型钢混凝土结构的稳定。

图2 梁柱节点在装配式型钢混凝土结构中的形式

三、结语

本文主要从节点的连接方式的角度对装配式型钢混凝土梁柱连接节点该如何设计进行了研究。介绍了型钢混凝土结构的截面形式，另外还主要介绍了在工程应用中较多的焊接连接、螺栓连接、牛腿连接等连接方式，其中焊接连接随着焊接技术的提高，未来仍然有很大的应用空间；螺栓连接抵御地震作用的能力最强，且形式灵活多变，容易研发出更多符合工程实际的连接方式；牛腿连接应用局限性较大，需要从连接的方式上进行创新以进一步推广。最后还介绍了工程实际情况不宜采用这些节点需另行设计节点时应注意的一些原则，以保证在结构安全的前提下能充分发挥装配式型钢混凝土结构的优势。

参考文献：

[1]刘坚.钢与混凝土组合结构设计原理[M].北京:科学出版社,2010.

[2]张保涛.装配式SRC柱—钢梁节点抗震性能试验研究[D].青岛理工大学,2018.

[3]钱钢.型钢螺栓连接装配式半刚性梁柱节点弯矩与转角关系研究[D].重庆大学,2019.6.

【作者简介】钟晨浩（1996.06-），男，汉族，江西宜春市人，广州大学土木工程学院硕士研究生在读，主要研究方向：钢与混凝土组合结构。