摘要：提出4种新型钢管混凝土柱-钢梁连接节点。通过对节点刚度、开裂程度、受力性能、经济性、施工质量等方面的对比分析，给出不同情况下适宜采用的节点形式。分析了钢管混凝土柱初始受力状态、混凝土浇筑质量及收缩对节点刚度的影响，结果表明：这些因素对节点刚度的影响可达到20%，在节点设计中必须考虑。

钢管混凝土柱是在钢管中填充混凝土而形成的构件，由于具有承载力高、塑性好、施工方便、耐火性能和经济效益好等优点，在超高层建筑中得到广泛应用。钢管混凝土柱与钢梁的连接节点不仅对结构的强度和刚度有显著影响，还会影响施工质量和经济性。H型钢梁与钢管混凝土柱通常有外环式节点、内环式节点和穿心式节点3种节点形式，但均不同程度存在一些问题：外环式节点用钢量大，一般只适用于直径较小的柱；内环式节点对混凝土浇筑质量影响较大，且用钢量较大；穿心式节点梁与钢管壁传力性能较差，且不适用于两侧钢梁中心线不重合的情况。另外，结构设计师还需清楚节点区混凝土的开裂情况，以了解其传力的机理，判断节点受力的可靠性。

混凝土浇筑质量和钢管的初应力对节点的受力性能有显著影响：振捣不密实及收缩徐变等因素会导致钢管与混凝土之间存在间隙，随着间隙的增加，钢管对混凝土的套箍作用减小，极限承载力降低可达20%；随着轴压比的提高和钢管初应力的增加，节点极限承载力降低幅度逐渐加大，可降低至2%～7%。因此，实际节点设计过程中必须考虑这两个因素的影响。

本文提出了4种钢管混凝土柱-钢梁连接节点，可一定程度上克服现有节点形式的缺点。以下从刚度、混凝土开裂程度、强度、经济性、施工质量等方面对节点进行对比分析，为工程设计提供参考。

我国仅在CECS 506∶2018《矩形钢管混凝土节点技术规程》[6]中参照欧洲EC 3规范给出钢-组合结构梁柱节点刚度分类规定。国外常用节点分类标准为美国的ANSI/AISC 360-10规范(表1)和欧洲的EC 3规范(表2)，二者均有按强度和刚度两种分类规定，但具体取值略有差别，详细对比见表3，本文节点刚度对比过程中均采用EC 3规范的相关规定。

表1 ANSI/AISC 360-10规范节点分类规定

注：Mn为节点极限抗弯承载力；Mp,beam为梁全塑性抗弯承载力；Ks为节点正常使用荷载对应的割线刚度；EI为梁抗弯刚度；L为梁长(净跨)。

表2 EC 3规范节点分类规定

注：Mju为节点极限抗弯承载力；Mbp为梁全塑性弯矩承载力；Kji为节点初始切线刚度；EIb为梁抗弯刚度；Lb为梁跨度。

表3 欧美规范节点分类规定的差异

共对比6种钢管混凝土柱-H型钢梁连接节点，即圆环端板、方环端板、宽翼缘、宽翼缘+小内环、内环+方端板和腹板穿心，其中前4种为专利节点，后2种为对比节点。

分析中所有梁柱截面尺寸均相同：柱为φ2 500×40，层高为6 m，梁为H1 080×500×20×40，净跨L为10 m。

2.1圆环端板节点

圆环端板节点(简称“JD-1”)见图 1。钢梁的腹板和翼缘深入到钢管内，并在翼缘的端部设置竖向圆环形端板，端板与钢梁翼缘及腹板相交位置处可靠焊接。其主要优点在于取消了内外加强环，显著降低了节点钢材用量，混凝土浇筑质量更易保证，通过在钢管内部设圆环形端板，可减小节点区混凝土的拉应力，同时由于端板为圆环形，更适合于梁非对称正交布置的情形。

a—平面；b—竖向剖面。图1 圆环端板节点

2.2方环端板节点

方环端板节点(简称“JD-2”)见图 2。钢梁的腹板和翼缘深入到钢管内，并在翼缘的端部设置方环形端板，端板与钢梁翼缘及腹板相交位置处可靠焊接。其优点与圆环端板类似，受力比圆环板更直接，但对梁的布置有所限制。

a—平面；b—竖向剖面。图2 方环端板节点

2.3 宽翼缘节点

宽翼缘节点(简称“JD-3”)见图 3。在钢梁与钢管交接位置处，梁翼缘局部加宽，钢梁腹板、翼缘与钢管可靠焊接。其主要优点在于既避免了外加强环用钢量过大且可能影响构造和使用的问题，又可有效缓解钢梁翼缘焊缝易撕裂的问题。通过翼缘的局部加宽来提高结构的刚度，钢管内混凝土浇筑质量易于保证，但由梁直接向钢管传递荷载，使得钢管受力较大。

a—平面；b—竖向剖面。图3 宽翼缘节点

2.4 宽翼缘+小内环板节点

宽翼缘+小内环板节点(简称“JD-4”)见图 4。在宽翼缘节点的基础上，在钢管内与钢梁翼缘对应位置处增设小内环，小内环与钢管可靠焊接。除具有宽翼缘节点的优点外，通过增设小内环的方式降低钢管受力、增加节点刚度，可适用于受荷和刚度要求更大的节点，由于小内环尺寸较小，总体用钢量相对于传统内、外环式节点仍然较少，且对钢管内混凝土施工质量影响较小。

a—平面；b—竖向剖面。图4 宽翼缘+小内环板节点

2.5 内环+方端板节点

小内环+方端板节点(简称“JD-5”)见图 5。该节点是某项目实际采用的刚性连接节点，通过深入节点混凝土内的矩形端板向混凝土传递压力来提高节点刚度，使得节点混凝土过早出现受拉裂缝。

a—平面；b—竖向剖面。图5 内环+方端板节点

2.6 腹板穿心节点

腹板穿心节点(简称“JD-6”)见图 6。该节点是规范[2]中穿心式节点的一种改进形式，翼缘在中间部位断开，腹板在中间部位开孔，且为避免刚度突变，腹板开孔和翼缘截断在不同位置处。该节点降低了材料用量，同时减少了钢梁翼缘对混凝土浇筑的不利影响，在基本不影响节点受力性能的基础上，提高了混凝土浇筑质量和经济性。

a—平面；b— 竖向剖面。图6 腹板穿心节点

采用弹塑性分析的方法对前述6种钢管混凝土柱-钢梁节点进行分析，以量化不同方案的差异。

钢管采用壳单元模拟，单元类型为S4R。其余采用实体单元，单元类型为C3D8R。钢与混凝土的接触面均定义接触。梁柱的边界取跨度和层高的一半，即反弯点位置处。具体模型见图 7。

图7 模型示意

3.1 材 料

混凝土强度等级为C60，钢材为Q345。混凝土材料强度及应力-应变关系均按照GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》选取，材料强度选用标准值。

钢筋采用双线性随动硬化材料模型，考虑包辛格效应。混凝土选取混凝土损伤塑性模型，考虑混凝土拉压强度之间的差异、塑性发展以及拉压循环加载时刚度退化等特性。相应参数根据以往研究成果确定，以保证工程设计需要的精度。

3.2 荷载及边界条件

在关于柱对称的一对梁的梁外端施加等值的反向位移，模拟水平地震作用，在其余梁端施加固端约束。柱底施加固端约束，柱顶根据不同的分析方案施加固端约束或者荷载。具体边界及荷载条件见图。

3.3 分析方案

为探究各节点的受力性能、初始受力状态和浇筑质量及收缩的影响，共进行3种方案的分析，详见表4，其中混凝土浇筑质量及收缩的影响主要通过在内环下及钢管与混凝土接触位置处开缝考虑。

表4 分析方案

注：上柱轴压比中“+”和“-”分别表示受拉和受压，且受拉时仅考虑钢管受力，受压时考虑钢管和混凝土共同受力；轴压比为0时，表示为固接。

1)柱的轴压比和钢与混凝土间缝隙对节点的刚度有较大影响，差异达到20%，应引起重视。

2)柱的轴压比和钢与混凝土间缝隙对节点承载力有一定影响，但对极限承载力影响有限，忽略其影响不会带来大的安全性问题。

3)宽翼缘+小内环板节点(JD-4)受力合理、经济性好、混凝土浇筑质量容易保证，建议优先采用。

4)重要节点建议采用圆环端板节点(JD-1)和方环端板节点(JD-2)。

5)宽翼缘(JD-3)节点最经济，混凝土浇筑质量也最容易保证，可以用于不太重要的项目。

6)综合考虑柱轴压比和缝隙影响等因素，JD-1、JD-2和JD-4仍可简化为刚性节点。

来源：付学宝，王昌兴，陈春材. 几种钢管混凝土柱-钢梁节点性能对比研究[J]. 钢结构, 2019, 34(4): 35-39.

DOI: 10.13206/j.gjg201904006