目前,钢梁与钢-混凝土柱连接、钢-混凝土梁与钢-混凝土柱连接、钢筋混凝土梁与钢-混凝土柱连接这三种实腹节点类型研究、设计和施工最为成熟,应用最为广泛。
实腹钢-混凝土节点连接构造应满足刚接要求,即在达到极限承载力前应具有足够的刚度以保持被连接梁、柱构件间角度不变,其连接强度不应低于被连接构件的强度。凡抵抗水平力的框架、梁柱弯曲连接均应为刚接。
1.钢筋混凝土柱与钢梁连接
型钢-混凝土柱与各类梁的连接宜采用柱的贯通式钢筋,节点处梁的钢筋(或钢梁)与柱的钢筋宜采用刚接连接(图2),结构应符合钢结构节点连接的构造要求。
柱中钢芯柱截面形状的选择除考虑强度和刚度外,还应便于梁的纵向钢筋穿过钢腹板。柱钢腹板开孔的截面损失率不宜大于25%,若超过,应采取加固措施。在节点处,柱的钢芯柱应在梁的型钢(或钢梁)的上、下翼缘位置或钢筋混凝土梁截面的上、下边缘位置设置水平加劲肋,加劲肋厚度应等于梁端部翼缘厚度,且不小于12mm。
水平加劲肋的构造应便于浇注混凝土,为避免混凝土浇注时空气排出困难而在水平加劲肋的拐角处形成空腔(图1a),需在此位置设置排气孔。当柱内型钢采用圆形或方形钢管时,应在节点处水平加劲肋的中央设置混凝土浇注孔(图1b)。
型钢混凝土柱内型钢段与梁内型钢段或钢梁之间的连接宜为刚接(图2),钢梁翼缘与柱内型钢段翼缘应采用全焊透连接;梁与柱腹板宜采用摩擦型高强螺栓连接,悬臂梁段与柱连接宜采用全焊透连接。
2.型钢混凝土柱与钢筋混凝土梁连接
型钢混凝土柱与钢筋混凝土梁之间的连接可采用下列3种方式,其中,应优先采用梁的上、下部纵筋穿过节点的连接方法。
1.梁纵筋贯通式
当柱内型钢翼缘较窄时,可在钢腹板上开孔,使梁的上、下纵筋从节点处穿过(图3)。此种方式不会削弱型钢翼缘的截面,但能保证梁的纵筋贯穿锚固,施工也较为方便。
2.梁纵筋与短钢梁搭接
在与钢筋混凝土柱连接的梁端部,设置一段钢梁,与梁的主筋搭接。钢梁与柱内型钢段焊接在一起,钢梁上焊有栓钉。保证梁的1/3以上纵筋穿过节点,其余纵筋与短梁搭接(图4)。
短钢梁的高度不应小于梁高的0.8倍,长度不应小于梁截面高的2倍,并应满足梁内主筋搭接长度的要求。钢梁上下翼缘上的栓钉直径不应小于19mm,栓钉间距不应大于200mm,也不应小于100mm,栓钉距型钢截面边缘的距离不应小于50mm。
短钢梁的设置是为了使梁端的塑性铰向外移动,因此,在梁端至短钢梁端外侧,即2倍梁高的范围内,应按梁端密实化区域的要求设置箍筋。
3.梁纵筋与钢支架焊接
在柱内型钢截面上焊接一个工字钢牛腿,钢牛腿截面高度不小于梁截面高度的0.7倍,其长度应满足梁纵筋搭接焊缝长度的要求。梁部分纵筋通过节点连续布置,其余纵筋可靠焊接在牛腿上(图5)。
钢牛腿的设置使梁端塑性铰向外移动,因此,在梁端至钢牛腿端部外侧2倍梁高范围内,应按梁端加密区域要求配置箍筋。
3.钢-混凝土柱与钢-混凝土梁及两侧钢筋混凝土梁的连接
钢筋混凝土梁中的钢筋应伸入相邻跨度的钢筋混凝土梁内,伸入长度不应小于梁跨度的1/4,并在钢筋长度的上下翼缘上设置栓钉。栓钉直径不应小于19mm,栓钉间距不应大于200mm,栓钉距钢筋边缘的距离不应大于50mm。从梁端至钢筋截面,在2倍梁高的范围内,应按梁端箍筋加密区域的规定设置箍筋。(图6)。
4.钢筋混凝土柱与钢筋混凝土梁连接
在与钢筋混凝土梁相对应的上下翼缘处,应沿钢柱高度方向设置水平加劲肋,加劲肋厚度应等于两端钢筋翼缘,且不应小于12mm。钢芯柱的截面形式及柱内纵筋的配置,应便于梁的纵筋穿过节点。设计应减少梁的纵筋穿过柱内钢筋的数量,不得穿过钢筋翼缘,也不得直接与柱内钢筋焊接;当需要在柱内钢筋腹板上预留通孔时,柱钢筋腹板截面的损失率应小于25%。
梁柱节点处型钢连接方式有两种:
现场焊接——梁中的钢翼缘与柱中的钢翼缘采用全熔透焊缝连接,与柱钢翼缘焊接的梁钢腹板与竖板采用摩擦型高强螺栓连接(图7a)。
现场螺栓连接——在工厂中钢结构梁柱连接方式,将一小段钢梁(称为悬臂梁段)采用满焊缝焊接到柱的型钢段上;在施工现场,采用高强度螺栓将梁的型钢段与悬臂梁段连接起来(图7b)。这种连接方式不需要现场焊接,从而避免了现场焊接可能带来的焊缝质量不稳定的问题。
当内型钢核心柱为十字形截面时,梁内型钢与柱内型钢的连接方式有四种(图8)。
(1)水平加劲肋(图8a)——这是最常用的钢结构节点形式,优点是应力传递简单、合理,但水平加劲肋会阻碍混凝土的浇筑。
(2)三角形水平加劲肋(图8b)——改善了前种形式混凝土浇筑条件钢结构梁柱连接方式,但应力传递效果较差,且三角形加劲肋造成柱钢筋腹板处有较大的应力集中,需要进行强度校核。
(3)垂直加劲肋(图8c)--优点是混凝土容易浇注,缺点是应力传递不直接,梁翼缘应力需通过柱翼缘和垂直加劲肋进行二次传递。
(4)梁翼缘贯通式(图8d)——施工时将上下钢翼缘切断,焊接于贯通梁翼缘上。此形式传力性能好,但浇筑混凝土困难,钢筋拼接较复杂。
当内型钢核心柱为方柱或圆钢管时,梁内型钢与柱内型钢的连接方式有四种(图9)。
(1)外隔板(图9a)——在梁内型钢截面的上下翼缘处焊接加宽的水平外隔板。方钢管内部无连接件,在钢管内部浇注混凝土较方便,但在管外浇注混凝土较困难。当设计允许时,最好在水平隔板处开孔,以保证混凝土的浇注质量。
(2)内隔板(图9b)——在梁中型钢上、下翼缘位置,方钢管内部焊接设有大孔的水平内隔板。此种梁型钢翼缘应力传递较为合理,但管内浇筑混凝土较困难。
(3)加劲环(图9c)——在梁内侧型钢截面的上下翼缘位置,在圆钢管内侧焊接带有大孔的内加劲环;或者圆钢管外侧不焊加劲环,而是直接焊接在钢梁的上下翼缘上。
(4)贯通式横隔板(图9d)——在梁内型钢截面上下翼缘位置,在方钢管内部设置贯通式横隔板。