劉祥君,白鴻國,施 威

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300142)

1 概述

在工程結構設計中,節(jié)點設計占有很重要的位置。構件雖強,能夠承受很大的內力,但如節(jié)點設計不正確,發(fā)生了節(jié)點先于構件的破壞,則整個結構也必然發(fā)生倒塌。因而節(jié)點設計的準則是：強柱、弱梁、節(jié)點更強。

北京南站軌道層橋梁結構與上、下結構柱的節(jié)點連接面臨一重大難題：軌道層結構上、下結構柱采用大直徑鋼管混凝土柱并貫通,而軌道層結構采用鋼筋混凝土縱、橫梁格構體系,承受列車疲勞荷載,截面尺寸大、配筋率高,節(jié)點連接設計困難。因此,軌道層結構鋼筋混凝土梁與上、下鋼管混凝土柱節(jié)點有效連接成為北京南站整體結構設計成功與否的關鍵技術之一。

2 節(jié)點技術特點

北京南站軌道層橋梁結構承受巨大的列車疲勞荷載,為使結構具有較強的剛度以滿足列車行駛舒適性要求和降低工程造價,設計采用鋼筋混凝土縱、橫梁格構體系。板厚50 cm,縱、橫梁結構采用跨中寬1.8 m×高2.0 m、支點寬1.8 m×高3.0 m為主要構件的鋼筋混凝土梁。9 m高架結構柱根據(jù)受力的需要采用了1.2 m×1.6 m或1.2 m×1.2 m的矩形鋼管混凝土柱和部分圓形鋼管混凝土柱,地下結構柱為了滿足受力需要及與上、下柱剛度匹配的要求,采用φ1.8 m圓鋼管混凝土柱,這決定了北京南站軌道層橋梁結構節(jié)點技術特點：

(1)大截面鋼筋混凝土梁與鋼管混凝土的節(jié)點連接,已經(jīng)超出了常規(guī)建筑結構關于此類問題的處理范圍；

(2)柱截面由方變圓,截面形式不規(guī)則,形成不同截面對接節(jié)點,國內無先例；

(3)縱橫梁因受列車動載,對節(jié)點的疲勞性能要求較高；

(4)縱橫梁的節(jié)點內力較大,梁體配筋復雜,從而造成梁柱連接節(jié)點構造復雜。

3 節(jié)點構造方案研究

3.1 常規(guī)鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁節(jié)點研究[1]

隨著鋼管混凝土結構在我國建筑業(yè)不斷使用,國內眾多學者對其進行大量的研究和試驗。對鋼管混凝土梁柱節(jié)點,不少著作對其處理給出了典型的方案,常用的節(jié)點構造有以下幾種形式。

(1)加強環(huán)式節(jié)點

外加強環(huán)式節(jié)點采用鋼管混凝土柱在梁的上下翼緣位置設上下加強環(huán),與梁內鋼筋焊接后,傳遞梁端彎矩,同時在上下環(huán)間焊一豎板,與梁內斜筋焊接,傳遞梁端剪力,此節(jié)點在工業(yè)與民用建筑中較為常見。但由于北京南站軌道層橋梁結構梁板結構尺寸大、梁端內力大、鋼筋配置復雜,若按此節(jié)點設需設置多層上下加強環(huán)板,供大量受力鋼筋焊接使用,并且加強環(huán)板面積較大,這樣多層加強板和鋼筋層層布置(層距很小),將導致混凝土澆筑不密實,影響鋼筋混凝土梁節(jié)點澆筑質量,并且受力鋼筋和加強板難于焊接施工,不能保證施工質量,存在安全隱患。外加強環(huán)形節(jié)點更適用于小體量、預制梁形結構,對北京南站軌道層橋梁結構不適用。

內加強環(huán)式節(jié)點也存在類似問題,并且北京南站軌道層橋梁結構梁在節(jié)點處有斜向加腋,梁下受力鋼筋與鋼管內加強環(huán)不能軸線對應,因此也不適用于北京南站軌道層橋梁結構。

(2)承重銷式和穿心鋼板(梁)式節(jié)點

承重銷式和穿心鋼板(梁)式節(jié)點采用在鋼管柱上開孔,鋼板穿心,使鋼筋混凝土梁與穿心鋼板連接,由穿心鋼板傳遞梁端彎矩和剪力,此節(jié)點較適用于大鋼管柱、小截面梁的情況。對于北京南站軌道層橋梁結構梁與柱基本同寬,若采用穿心板,基本會使上下鋼管截斷,不能滿足上下結構柱貫通的要求。

(3)鋼筋環(huán)繞式節(jié)點

鋼筋環(huán)繞式節(jié)點適用于梁寬與柱直徑接近的情況,從此點說符合北京南站軌道層橋梁結構節(jié)點尺寸特點,梁上部的受拉主筋環(huán)繞鋼管連續(xù)通過,鋼筋混凝土梁為連續(xù)梁,但此種節(jié)點依靠梁支座傳遞豎向力、依靠鋼管左右混凝土對鋼管的擠壓傳遞部分彎矩。因此此種梁柱節(jié)點屬于鉸接節(jié)點,從此意義講不能滿足軌道層結構縱橫梁格構體系要求的剛性連接要求,并且由于軌道層結構梁板配筋數(shù)量大,梁上部受拉鋼筋也不可能環(huán)繞鋼管柱通過。

(4)雙梁式節(jié)點

雙梁式節(jié)點受力特點與鋼筋環(huán)繞式節(jié)點比較類似,依靠梁支座傳遞豎向力,但由于雙梁連續(xù)貫通,受力鋼筋直通,梁內彎矩由鋼筋直接傳遞,屬于鉸接節(jié)點,不能滿足軌道層結構縱橫梁格構體系要求的剛性連接要求,并且北京南站軌道層橋梁結構若按此節(jié)點設計,必然使軌道層結構節(jié)點龐大,長寬約5.0 m左右,這勢必帶來節(jié)點復雜、施工難度大等困難,也對建筑凈空及綜合管線布置產(chǎn)生影響。

(5)鋼筋混凝土環(huán)梁式節(jié)點

鋼筋混凝土環(huán)梁式節(jié)點受力特點與以上兩種基本相似,為增加梁與柱連接的剛度,在節(jié)點外設置環(huán)梁甚至增設穿心牛腿,以進一步解決梁端彎矩傳遞問題。但是由于北京南站軌道層橋梁結構梁在節(jié)點附件采用斜向加腋,截面尺寸大,因此再在節(jié)點區(qū)增設鋼筋混凝土環(huán)梁,使節(jié)點尺寸更大,并且節(jié)點形式復雜,施工不便。

(6)鋼筋貫通式節(jié)點

鋼筋貫通式節(jié)點對開孔的大小、數(shù)量、角度都有比較嚴格的要求,也就限制了鋼筋貫通的數(shù)量和鋼筋布置位置,因此像大體量、配筋數(shù)量較大、復雜的結構不能適用。由于軌道層結構受力復雜,梁端內力較大,致使配筋較多,并且梁截面與柱截面相同,因此若采用開孔穿筋,全部鋼筋貫通必然大大削減鋼管有效面積,不能滿足上下結構柱貫通剛度匹配的要求,從而降低節(jié)點強度,不利于結構安全。并且軌道層結構每根梁的配筋數(shù)量不同,在鋼管柱上的開孔數(shù)量及個數(shù)也就不同,這很大程度上限制了鋼管柱及節(jié)點(加勁板和加強環(huán)板)在鋼結構加工廠的制作,若采用現(xiàn)場氣割擴孔將難于保證節(jié)點質量,造成應力集中,容易產(chǎn)生安全隱患。

對以上多種常見高層和民用建筑鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁連接節(jié)點方案論證分析,并基于北京南站軌道層橋梁結構節(jié)點的技術特點,以上類型均不能解決北京南站軌道層橋梁結構節(jié)點連接問題,并且以上類型均以高層和民用建筑等小體量的建筑結構為研究出發(fā)點,像類似北京南站軌道層橋梁結構承受列車疲勞荷載的大截面鋼筋混凝土梁均不適用。

3.2 北京南站軌道層橋梁結構節(jié)點構造

結合北京南站結構的特點,節(jié)點設計時根據(jù)以下原則進行節(jié)點設計,以保證結構安全、可靠及制作便捷：必須滿足強柱、弱梁、節(jié)點更強；節(jié)點構造與計算力學模型相一致；梁、柱節(jié)點傳力明確、簡潔；節(jié)點構造簡單,制作方便,便于保證施工質量。

北京南站軌道層橋梁結構節(jié)點設計上以梁柱受力、傳力途徑為基礎,借鑒以往鋼管混凝土梁柱節(jié)點處理方法,結合“型鋼混凝土組合結構技術規(guī)程”的技術要求,并在此基礎上進行創(chuàng)新,即產(chǎn)生在大構件、大截面鋼筋混凝土梁內設置鋼牛腿的技術方案,以連接鋼筋混凝土梁與上、下鋼管混凝土柱。

北京南站軌道層橋梁結構梁柱節(jié)點設計時,上下柱通過貫通的厚鋼板連接,軌道層結構混凝土框架梁和鋼管柱通過設置鋼牛腿連接。下面以軌道層橋梁結構節(jié)點類型中使用最多的節(jié)點說明軌道層橋梁結構節(jié)點構造。

上下柱方接圓節(jié)點對接構造：梁柱節(jié)點中間處設置連接厚鋼板以避開受力最大點,并且為保證上下柱內力直接、可靠的傳遞,在連接厚鋼板至鋼牛腿下翼緣對應的圓鋼管內隔板的連接區(qū)段內,設置與上柱壁板對應的通高加勁肋。此外,在厚鋼板上下均設加勁短肋以加強節(jié)點連接強度。在鋼管內,對應所有鋼牛腿上下翼緣處均設加勁隔板。

鋼筋混凝土梁與鋼管柱的連接：混凝土框架梁通過設置鋼牛腿和鋼管柱連接。鋼牛腿采用雙腹板,上下翼緣與鋼管柱等強連接,在翼緣對應位置,鋼管柱設內隔板。此外,鋼牛腿上翼緣根部加寬并形成環(huán)抱鋼管柱的外加強環(huán)板,以確保梁端彎矩的可靠傳遞。

鋼牛腿內置于鋼筋混凝土梁內,為保證梁端節(jié)點連接的抗震性能,設計時充分利用梁寬大于矩形鋼管柱柱寬的有利條件,部分配筋較大的框架梁按T形截面配筋,如圖1所示。

圖1 框架梁配筋構造(單位：mm)

通過設置鋼牛腿,成功地解決了鋼筋混凝土梁和鋼管混凝土柱的連接問題,為加強節(jié)點連接的可靠性,在鋼牛腿和鋼管柱節(jié)點設置焊釘。使得上部矩形鋼管混凝土柱和下部圓鋼管混凝土柱的連接強度得到進一步加強,又成功地解決了不同截面形式的鋼管混凝土柱的連接問題?？紤]到結構承受較大的受力特點,將橋梁用鋼Q345q-D引入到建筑結構中。

3.3 梁體鋼筋與鋼牛腿連接構造[2～5]

(1)當節(jié)點上部有鋼柱時,節(jié)點范圍梁縱向受力鋼筋與鋼牛腿的連接構造為：雙方向混凝土框架梁的上下最外兩排縱筋設在鋼牛腿翼緣外側,其余設在翼緣內側。同時,在滿足構造要求的前提下(縱筋水平中心距離約為80 mm),梁上部兩排縱筋盡量從鋼管柱外側直通。梁上部兩排縱筋中不能直通的,以及其他各排縱筋,按下述辦法處理：梁上部最外排不能直通的縱筋與鋼牛腿搭接,按圖2(a)實施；其余縱筋的構造要求,按圖2(b)實施。

圖2 梁體受力縱筋與鋼牛腿連接示意(單位：mm)

當鋼牛腿為等截面時,梁下部最外排不能直通且不彎錨的縱筋構造同上部最外排縱筋。此外,當下柱不設外圍φ1 800 mm鋼管時,梁端下部兩排縱筋構造如下：內部鋼管范圍內的縱筋伸至鋼管表面并彎錨15d,其余縱筋中,不能彎折錨入鋼牛腿內的,伸至垂直方向鋼牛腿腹板表面并加標準鉤；當鋼筋錨固與內部鋼柱和垂直方向鋼牛腿不沖突時,錨固構造按一般混凝土梁柱節(jié)點構造處理；當節(jié)點兩側都有鋼牛腿時,兩側的腋下筋貫通設置。

(2)鋼牛腿范圍內的箍筋間距均為100 mm。翼緣縱向開長圓孔范圍內設4肢箍,長圓孔范圍外設外圍封閉箍；此外,橫向翼緣范圍外的其余箍筋照常設置,無法做成封閉箍時可采用豎向拉筋。翼緣寬度范圍內的箍筋可僅在鋼牛腿上下翼緣以外設置,間距按箍筋加密區(qū)要求,做法可參考鋼牛腿范圍內的橫向拉筋構造：在兩側分別設置,采用U形構造,外側開口端勾住縱筋,內側封閉端延伸至腹板表面。此外,在腹板開孔處,均設φ12 mm貫通拉筋。梁柱節(jié)點范圍內,柱縱向附加構造筋也參考上述構造設置φ8 mm橫向拉筋,橫向間距200 mm,豎向間距100 mm。如圖3、圖4所示。

圖3 節(jié)點區(qū)箍筋加密

圖4 上翼緣板開孔

(3)等截面梁段的各排下筋,與梁端腋下筋相互錨固,并使不少于半數(shù)鋼筋錨入牛腿范圍(間隔設置)。

(4)為進一步加強鋼筋混凝土梁與鋼牛腿的有效連接,在節(jié)點范圍內的鋼牛腿和鋼管柱與混凝土的接觸面,設置滿布的焊釘,以保證混凝土和鋼結構的整體性。同時,在鋼牛腿上下翼緣、腹板、鋼管柱的內隔板、加勁肋上均設置一定數(shù)量的混凝土澆筑振搗孔和透氣孔,以方便混凝土澆筑,確?；炷恋拿軐嵭?并且在翼緣根部設置加強環(huán)板、下翼緣開孔圍焊縱向鋼筋等構造措施,確保節(jié)點受力安全及鋼筋與鋼牛腿有效連接。如圖5所示。

3.4 北京南站軌道層橋梁結構節(jié)點類型

北京南站軌道層橋梁結構需要設置鋼牛腿的節(jié)點共計211個,數(shù)量較多,并且由于每個節(jié)點處鋼筋混凝土梁根數(shù)和梁截面尺寸、上下結構柱是否貫通、貫通上下柱結構尺寸和截面類型、尺寸等多種因素的影響,都需要根據(jù)實際情況分別設計。軌道層結構節(jié)點類型多樣、形式各異,經(jīng)設計細化、優(yōu)化后類型共計37種(不區(qū)分平面內梁與梁交匯角度不同情況)。本文僅對上下柱截面尺寸不同節(jié)點列舉示意。如圖6所示。

圖5 下翼緣開孔圍焊縱向鋼筋

由于Ⅱ-1和Ⅱ-3區(qū)列車走行區(qū)與非列車走行區(qū)結構高程不同,采用了結構錯層形式,因而在交界處產(chǎn)生多種組合節(jié)點,如圖7所示。

圖6 上下柱截面尺寸不同節(jié)點示意(單位：mm)

圖7 組合節(jié)點

4 節(jié)點計算分析

4.1 節(jié)點鋼牛腿翼緣面積計算公式

根據(jù)以上設計方法,節(jié)點鋼牛腿翼緣需承擔由于部分鋼筋截斷而分配的負彎矩,因此節(jié)點鋼牛腿翼緣面積計算可簡化以下公式

式中n——框梁內允許截斷鋼筋的根數(shù)；

Af——節(jié)點鋼牛腿翼緣的有效面積；

α1——考慮框架梁有效高度變化的影響系數(shù),對于軌行區(qū)軌道層結構α1取1.1,對于弧頂?shù)绕渌麉^(qū)域α1取1.2；

α2——考慮框架梁鋼筋與鋼牛腿強度差異的影響系數(shù),對于軌行區(qū)軌道層與弧頂,α2均取1.17；

As——框梁內單根鋼筋(φ32 mm)面積,為8.04 cm2。

如：上翼緣寬度800+800=1 600 mm,孔寬度150 mm,上翼緣厚度50 mm,Af=72 500 mm2,α1=1.1,α2=1.17,計算得n=71。經(jīng)與圖紙校核,節(jié)點鋼牛腿上、下翼緣面積均滿足要求。

4.2 節(jié)點鋼牛腿腹板驗算公式

根據(jù)以上設計思路,節(jié)點處豎向剪力完全由節(jié)點鋼牛腿腹板承擔,因此節(jié)點鋼牛腿腹板驗算簡化公式為

式中τ——牛腿腹板剪應力；

V——截面作用的剪力值；

Aw——節(jié)點鋼牛腿腹板的有效面積。

如：剪力最大值V=8 374 kN,腹板高度1 900 mm,腹板厚度40 mm,計算得剪應力τ=55.1 MPa<120 MPa,滿足強度要求。

5 結語

北京南站軌道層橋梁結構節(jié)點根據(jù)北京南站整體結構自身特點,以梁柱受力、傳力途徑為基礎,借鑒以往鋼管混凝土梁柱節(jié)點處理方法,結合“型鋼混凝土組合結構技術規(guī)程”的技術要求,并在此基礎上進行創(chuàng)新,即產(chǎn)生在大構件、大截面鋼筋混凝土梁內設置鋼牛腿的技術方案,首次提出了大承載能力型鋼混凝土聯(lián)結過渡方式節(jié)點概念。以連接鋼筋混凝土梁與上、下鋼管混凝土柱,成功解決了大截面鋼筋混凝土梁與異形鋼管混凝土柱連接問題,為北京南站結構地下結構層、軌道層和9 m高架層有效連接奠定了基礎。此類型的節(jié)點在國內房屋建筑結構和橋梁結構領域尚未使用。

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