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【摘 要】在钢管中浇注混凝土形成钢管混凝土构件，充分利用两种材料各自的优点，钢管混凝土结构具有广阔的应用前景，梁柱节点设计的合理与否以及其性能的好坏对结构的影响起着至关重要的作用。文章介绍了钢管混凝土梁柱节点的主要设计类型，并对其性能进行了分析。
【关键词】钢管混凝土结构；节点；性能
Concrete Filled Steel Tubular Structure Design of Beam-Column Joints and Behavior Analysis
Zhao Yan-jun
(School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University Lanzhou Gansu 730070)
【Abstract】Concrete filled steel tubular structure is made in the form of pouring concrete in steel tubular, making full use of the merits of two kinds of materials. Concrete filled steel tubular structure has the broad application prospect. It plays a crucial role for the effect of the structure, the design of beam-column joints of reasonable or not and the performance of the quality. This paper introduces the main design types of the beam-column joints of concrete filled steel tubular structure, and its performance is analyzed.
【Key words】Concrete filled steel tubular structure;Joints;Behavior
1. 引言
钢管混凝土结构［1］是在钢管中浇注混凝土，把两种材料融合在一起而形成的组合构件。钢管混凝土结构充分发挥了混凝土抗压性能和钢材的抗拉性能，达到了两种材料的最佳组合效应。这种新型结构，近年来在高层建筑中得到越来越广泛的应用［2］。梁柱节点是结构的关键部位，国内外对钢管混凝土梁柱节点的研究重点有所不同，国外主要对钢管混凝土柱和钢梁的连接节点进行了大量研究，而国内较多侧重于对钢管混凝土柱与现浇钢筋混凝土梁的连接节点的研究。采用钢管混凝土结构，首先需要解决的是结构的节点设计方案。应从可靠性和便于施工两方面着手考虑，使其在组合效应作用下能有效地传递受力。因此，研究合理的梁柱节点形式成为钢管混凝土结构中有待解决的问题。另外，钢管混凝土的节点构造复杂且种类繁多，对钢管混凝土结构节点的研究还不够深入，还有许多问题有待解决。
图1 加强环式梁柱节点
图2 锚定式梁柱节点
2. 节点类型
钢管混凝土梁柱节点成为了钢管混凝土结构研究的关键，为了满足“强柱、弱梁、节点更强”［3］的设计原则，对节点性能的要求应给予高度重视，并做出合理的设计。根据其受力特点，钢管混凝土梁柱节点主要分为刚接节点、铰接节点和半刚接节点［4］。
梁柱的刚接节点：必须保证在任何荷载作用下，梁柱轴线节点处的夹角基本保持不变，并且把梁的受力全部传给柱子，刚接节点是在我国建筑工程中应用最为广泛的一种节点形式。
梁柱的铰接节点：在荷载作用下，梁柱轴线在节点处的夹角处可以任意改变，只能传递剪力，其构造相对比较简单。对结构整体受力表现的不是很好，应用较少。
梁柱的半钢接节点：介于刚接节点和铰接节点之间，荷载作用下梁柱轴线在节点处的夹角可发生一些改变，能传递部分弯矩，受力比较复杂，会引起结构内力重分布、变形较大，可缓解应力集中现象、降低位移反应，更接近于结构实际工况。
钢管混凝土梁柱刚性节点的类型有加强环式、锚定式、贯通式等［1］；交接节点有交接简支梁与交接连续梁之分；半钢节点形式复杂，还有待研究。
3. 节点设计与分析
节点的设计应遵循节点设计原则。满足强节点、弱构件的原则，节点的刚度和整体性要好，不因连接较弱而破坏；其构造必须符合实际中计算所采用的力学模型；简化节点构造，节点传力简捷、明确。钢管混凝土在荷载作用下共同工作［5］，承载力高，梁柱节点应尽可能地起到传递梁端弯矩、剪力和轴力的作用，使结构整体受力。
加强环式节点在钢管混凝土柱的外表面焊接能与梁的上下翼缘分别对接的上下环板，腹板用连接板和高强螺栓连接，梁端的弯矩通过环板传递给柱子，在上下环板间焊接一块与环板垂直的竖板，使其与钢梁的腹板栓接或者焊接，传递梁端剪力。加强环构造可分为内加强环和外加强环两种，其中外加强环刚度大、节点区应力分布较均匀应用较广。采用分块拼接的环板，为保证加强环形成整体，必须采用熔透焊缝进行拼接。结构承受弯矩作用时，外环的外缘会受较大的拉力，而钢管壁环向受压，紧箍力有所减少。（加强环式梁柱节点见图1）。
图3 贯通式梁柱节点
锚定式节点是在钢管的内部与梁翼缘对应的部位焊上相应的加强部件，埋于管内混凝土中承受拉力。锚定式节点的刚度比加强环式节点的刚度要小，同样满足结构传力的要求，节省材料，用于管径大拉力小的情况。锚定式节点的传力过程为，梁端拉力经过焊缝传给钢管和竖板，在由管内混凝土传给横板和钢管受力截面，承载力决定于钢管的受力截面。（锚定式梁柱节点见图2）。
贯通式节点可分为钢筋混凝土梁纵向主筋贯通式和钢梁贯通式两种。钢梁贯通式节点刚度大、传力明确且安全可靠，但用钢量较大，管径较小时施工较为困难。钢筋混凝土梁纵向主筋贯通式属于两种不同材料间的连接，形式较为复杂，考虑到便于施工和钢管柱的安全可靠，钢管柱可开长孔，并加设加劲肋和上下加强环，开孔要求和加强环的设置都应在规定安全范围内。（贯通式梁柱节点见图3）。
目前，对于钢管混凝土梁柱节点的理论和试验研究中已经取得了一些成果［6］，但仍存在诸多不足，以后的理论与实践中还需更深入地研究相关问题。对节点形式与性能还需进一步研究，不仅要满足节点的强度、刚度和稳定性要求，又要便于施工要求，特别是有关半钢节点的理论研究方面还有待进一步加深。
4. 结论
钢管混凝土结构作为一种良好的组合性能构件，在高层和超高层结构建筑中的应用日趋新高，在未来的发展阶段仍然具有广阔的前景。钢管混凝土结构体系的研究将更加深入，对钢管混凝土梁柱节点的性能与设计方法的研究也将更加深入。本文对现有钢管混凝土理论研究的基础上，总结了钢管混凝土梁柱节点的类型、设计要求以及受力性能。
参考文献
［1］ 钟善桐.钢管混凝土结构［Ｍ］.第三版.北京：清华大学出版社，2003.
［2］ 孙修礼.钢管混凝土梁柱连接形式及性能分析.建筑与结构设计，1007-9467(2008)02-0032-04.
［3］ 钟善桐，白国良.高层建筑组合结构框架梁柱节点分析与设计.北京：人民交通出版社，2006.
［4］ 韩林海，杨有福.现代钢管混凝土结构技术.北京：中国建筑工业出版社，2005.
［5］ 钟善桐.钢管混凝土统一理论研究与应用.北京：清华大学出版社，2006.8.
［6］ 薛玉丽，陈玉泉.钢管混凝土节点的研究现状与展望.建筑技术开发，2005.8，18～21.
［文章编号］1006-7619（2011）10-29-996
［作者简介］ 赵彦军（1985.7-），男，学历：硕士研究生，工程力学专业。
【关键词】钢管混凝土结构；节点；性能
Concrete Filled Steel Tubular Structure Design of Beam-Column Joints and Behavior Analysis
Zhao Yan-jun
(School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University Lanzhou Gansu 730070)
【Abstract】Concrete filled steel tubular structure is made in the form of pouring concrete in steel tubular, making full use of the merits of two kinds of materials. Concrete filled steel tubular structure has the broad application prospect. It plays a crucial role for the effect of the structure, the design of beam-column joints of reasonable or not and the performance of the quality. This paper introduces the main design types of the beam-column joints of concrete filled steel tubular structure, and its performance is analyzed.
【Key words】Concrete filled steel tubular structure;Joints;Behavior
1. 引言
钢管混凝土结构［1］是在钢管中浇注混凝土，把两种材料融合在一起而形成的组合构件。钢管混凝土结构充分发挥了混凝土抗压性能和钢材的抗拉性能，达到了两种材料的最佳组合效应。这种新型结构，近年来在高层建筑中得到越来越广泛的应用［2］。梁柱节点是结构的关键部位，国内外对钢管混凝土梁柱节点的研究重点有所不同，国外主要对钢管混凝土柱和钢梁的连接节点进行了大量研究，而国内较多侧重于对钢管混凝土柱与现浇钢筋混凝土梁的连接节点的研究。采用钢管混凝土结构，首先需要解决的是结构的节点设计方案。应从可靠性和便于施工两方面着手考虑，使其在组合效应作用下能有效地传递受力。因此，研究合理的梁柱节点形式成为钢管混凝土结构中有待解决的问题。另外，钢管混凝土的节点构造复杂且种类繁多，对钢管混凝土结构节点的研究还不够深入，还有许多问题有待解决。
图1 加强环式梁柱节点
图2 锚定式梁柱节点
2. 节点类型
钢管混凝土梁柱节点成为了钢管混凝土结构研究的关键，为了满足“强柱、弱梁、节点更强”［3］的设计原则，对节点性能的要求应给予高度重视，并做出合理的设计。根据其受力特点，钢管混凝土梁柱节点主要分为刚接节点、铰接节点和半刚接节点［4］。
梁柱的刚接节点：必须保证在任何荷载作用下，梁柱轴线节点处的夹角基本保持不变，并且把梁的受力全部传给柱子，刚接节点是在我国建筑工程中应用最为广泛的一种节点形式。
梁柱的铰接节点：在荷载作用下，梁柱轴线在节点处的夹角处可以任意改变，只能传递剪力，其构造相对比较简单。对结构整体受力表现的不是很好，应用较少。
梁柱的半钢接节点：介于刚接节点和铰接节点之间，荷载作用下梁柱轴线在节点处的夹角可发生一些改变，能传递部分弯矩，受力比较复杂，会引起结构内力重分布、变形较大，可缓解应力集中现象、降低位移反应，更接近于结构实际工况。
钢管混凝土梁柱刚性节点的类型有加强环式、锚定式、贯通式等［1］；交接节点有交接简支梁与交接连续梁之分；半钢节点形式复杂，还有待研究。
3. 节点设计与分析
节点的设计应遵循节点设计原则。满足强节点、弱构件的原则，节点的刚度和整体性要好，不因连接较弱而破坏；其构造必须符合实际中计算所采用的力学模型；简化节点构造，节点传力简捷、明确。钢管混凝土在荷载作用下共同工作［5］，承载力高，梁柱节点应尽可能地起到传递梁端弯矩、剪力和轴力的作用，使结构整体受力。
加强环式节点在钢管混凝土柱的外表面焊接能与梁的上下翼缘分别对接的上下环板，腹板用连接板和高强螺栓连接，梁端的弯矩通过环板传递给柱子，在上下环板间焊接一块与环板垂直的竖板，使其与钢梁的腹板栓接或者焊接，传递梁端剪力。加强环构造可分为内加强环和外加强环两种，其中外加强环刚度大、节点区应力分布较均匀应用较广。采用分块拼接的环板，为保证加强环形成整体，必须采用熔透焊缝进行拼接。结构承受弯矩作用时，外环的外缘会受较大的拉力，而钢管壁环向受压，紧箍力有所减少。（加强环式梁柱节点见图1）。
图3 贯通式梁柱节点
锚定式节点是在钢管的内部与梁翼缘对应的部位焊上相应的加强部件，埋于管内混凝土中承受拉力。锚定式节点的刚度比加强环式节点的刚度要小，同样满足结构传力的要求，节省材料，用于管径大拉力小的情况。锚定式节点的传力过程为，梁端拉力经过焊缝传给钢管和竖板，在由管内混凝土传给横板和钢管受力截面，承载力决定于钢管的受力截面。（锚定式梁柱节点见图2）。
贯通式节点可分为钢筋混凝土梁纵向主筋贯通式和钢梁贯通式两种。钢梁贯通式节点刚度大、传力明确且安全可靠，但用钢量较大，管径较小时施工较为困难。钢筋混凝土梁纵向主筋贯通式属于两种不同材料间的连接，形式较为复杂，考虑到便于施工和钢管柱的安全可靠，钢管柱可开长孔，并加设加劲肋和上下加强环，开孔要求和加强环的设置都应在规定安全范围内。（贯通式梁柱节点见图3）。
目前，对于钢管混凝土梁柱节点的理论和试验研究中已经取得了一些成果［6］，但仍存在诸多不足，以后的理论与实践中还需更深入地研究相关问题。对节点形式与性能还需进一步研究，不仅要满足节点的强度、刚度和稳定性要求，又要便于施工要求，特别是有关半钢节点的理论研究方面还有待进一步加深。
4. 结论
钢管混凝土结构作为一种良好的组合性能构件，在高层和超高层结构建筑中的应用日趋新高，在未来的发展阶段仍然具有广阔的前景。钢管混凝土结构体系的研究将更加深入，对钢管混凝土梁柱节点的性能与设计方法的研究也将更加深入。本文对现有钢管混凝土理论研究的基础上，总结了钢管混凝土梁柱节点的类型、设计要求以及受力性能。
参考文献
［1］ 钟善桐.钢管混凝土结构［Ｍ］.第三版.北京：清华大学出版社，2003.
［2］ 孙修礼.钢管混凝土梁柱连接形式及性能分析.建筑与结构设计，1007-9467(2008)02-0032-04.
［3］ 钟善桐，白国良.高层建筑组合结构框架梁柱节点分析与设计.北京：人民交通出版社，2006.
［4］ 韩林海，杨有福.现代钢管混凝土结构技术.北京：中国建筑工业出版社，2005.
［5］ 钟善桐.钢管混凝土统一理论研究与应用.北京：清华大学出版社，2006.8.
［6］ 薛玉丽，陈玉泉.钢管混凝土节点的研究现状与展望.建筑技术开发，2005.8，18～21.
［文章编号］1006-7619（2011）10-29-996
［作者简介］ 赵彦军（1985.7-），男，学历：硕士研究生，工程力学专业。