型钢混凝土柱连接圆钢管混凝土柱节点设计

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1、型钢混凝土柱连接圆钢管混凝土柱节点设计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釆用端承式和埋入式。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；ANSYS1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

2、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，

3、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，采用钢管殓柱框架■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，木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

4、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

5、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

6、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

7、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beaml88单元，实体单元与beaml88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

8、规范值295MPao(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27.5MPao(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)