H型钢部分填充混凝土组合柱—钢筋混凝土梁节点

本实用新型涉及土木工程钢结构设计领域，基于钢结构和组合结构基本理论，提出了一种适用于装配式多高层建筑的组合柱-钢筋混凝土梁节点及其设计方法。

背景技术：

在建筑工业化背景下，采用钢-混凝土组合柱和钢筋混凝土梁的多高层建筑结构体系具有很多优点：能更好地实现“强柱弱梁”的抗震设计理念、比钢结构更好的抗火反腐蚀性能、比装配式混凝土结构更好的抗震性能等，但普通的h型钢混凝土柱存在模板用量相对较多(等同钢筋混凝土柱)、预制组合柱和预制混凝土梁之间的连接节点复杂且可靠性相对较差等缺点。

技术实现要素：

本实用新型要克服现有技术的上述缺点，提出一种部分填充式组合柱-钢筋混凝土梁节点。

本实用新型的部分填充组合柱是指在h型钢(或工字钢)的翼缘之间填充混凝土，并在h型钢弱轴方向配有纵向钢筋、h型钢翼缘之间设置连杆(由钢筋制作而成)。对比常规型钢混凝土组合结构，这种部分填充组合结构具有构件可预制化程度高、节点连接方便、模板用量低等优点。本实用新型的梁为端部伸出一段h型钢(有钢端板)的钢筋混凝土梁。本实用新型的装配式梁柱节点是钢筋混凝土梁和组合柱之间通过端板和螺栓连接，其连接性质为典型的钢结构连接，克服了装配式钢筋混凝土结构连接节点复杂、可靠性较差的缺点。

h型钢部分填充混凝土组合柱—钢筋混凝土梁节点，用于多高层装配式建筑结构，其特征在于：包括在h型钢或工字钢的翼缘之间填充混凝土的部分填充式组合柱和端部有钢端板的混凝土梁，组合柱的h型钢强轴方向的混凝土梁通过螺栓和端板连接于组合柱的h型钢翼缘，组合柱的h型钢弱轴方向的混凝土梁通过端板和螺栓连接于柱的节点板，节点板的两边焊接在组合柱的h型钢翼缘、中间通过加劲肋焊接于组合柱的h型钢腹板；混凝土梁的h型钢包括插入混凝土梁h型钢和混凝土梁外部的梁端h型钢，梁端h型钢连接所述的端板，插入混凝土梁h型钢的插入较浅的部分的两翼缘之间设有腹板，插入较深的部分的两翼缘之间不设腹板；所述的混凝土是在混凝土梁和组合柱装配完成后再填充节点域的混凝土。

组合柱的h型钢弱轴方向配有纵筋，组合柱的h型钢翼缘之间设置x形系杆、或连杆。

上述可用于多高层装配建筑的部分填充混凝土组合柱-钢筋混凝土梁连接节点及其设计方法，包括如下步骤：

步骤s1，根据钢结构和混凝土结构基本理论，初选部分填充式组合柱的h型钢截面、钢筋混凝土梁截面，按组合柱-混凝土梁进行整体结构分析计算，根据计算所得的构件内力验算组合柱的稳定性并计算纵向钢筋、设计钢筋混凝土梁的截面尺寸和配筋，梁在端部有一段带有钢端板的h型钢，且h型钢的抗弯屈服承载力设计值msby应大于按实际配筋计算的钢筋混凝土梁抗弯承载力mub，确保梁的破坏发生在钢筋混凝土部分。

步骤s2，根据梁端部的h型钢的全截面屈服弯矩理论值msbu计算确定h型钢上、下翼缘附近的螺栓群所受的总拉力t＝msbu/hb1，根据拉力t设计螺栓直径db、螺栓数量n及其布置，其中hb1为梁端部的h型钢上下翼缘中至中距离。

步骤s3，根据梁和柱装配拧螺栓的所需最小操作空间确定梁的混凝土端到钢端板的距离、以及螺栓中心至梁端h型钢翼缘的距离，根据螺栓布置确定钢端板的长和宽，在钢端板上设置加劲肋，并将钢端板按不同支承条件进行区格划分，根据钢结构理论计算各区格所需的板厚度，取其中最大值为钢端板厚度tp；

步骤s4，加工制作组合柱时，在柱中h型钢的弱轴方向设置带有螺栓孔和加劲肋的节点板用来连接钢筋混凝土梁，节点板的宽度同h型钢柱截面高度，节点板两边焊接在h型钢柱的两个翼缘上、中间通过加劲肋焊接在h型钢的腹板上，节点板除了用来连接弱轴方向的梁外，还起到保证梁柱节点域具有足够的抗剪承载力的作用；组合柱的纵筋根据整体结构分析所得柱的内力图进行计算，连接组合柱中h型钢两个翼缘的横向钢筋采用文献《h型钢翼缘间填充混凝土的部分组合梁抗震性能试验研究》(建筑结构学报2015年9月的增刊330-336页)提出的x形系杆，梁柱连接节点域的混凝土需要在现场完成梁和柱组装后再现浇填充；

步骤s5，加工制作钢筋混凝土梁时，端部埋入混凝土的h型钢上焊有栓钉，栓钉的布置和数量、以及h型钢埋入长度lb3应满足混凝土和型钢之间的剪力充分传递，剪力偏保守地按梁实际纵筋屈服时的拉力fyas计算，从而将混凝土梁所受的弯矩和剪力充分地传递到连接于组合柱的h型钢梁段，此外可考虑将梁按跨度lb0分成约lb0/3和2lb0/3两部分并留有后浇带，如此可更好适应现场装配施工——如高层建筑中的柱竖向倾斜误差带来梁的实际跨度跟设计跨度之间的偏差。

优选地，所述步骤s1中，根据组合柱-钢筋混凝土梁结构计算得到的内力包络图，设计组合柱的h型钢和纵筋、混凝土梁的截面尺寸和配筋，为了方便混凝土梁和组合柱在工地现场装配，梁端部设置带有钢端板的h型钢，h型钢的抗弯屈服承载力设计值msby应大于按实际配筋计算的钢筋混凝土梁抗弯承载力mub，以确保梁的破坏发生在钢筋混凝土部分。

优选地，所述步骤s2中，根据混凝土梁端部h型钢的全截面屈服弯矩理论值msbu计算确定型钢上、下翼缘附近的螺栓群所受的总拉力t＝msbu/hb1，根据t计算确定螺栓直径db和螺栓数量n并进行螺栓布置，其中hb1为h型钢上下翼缘中至中距离。

优选地，所述步骤s3中，根据拧螺栓的扳手放置所需最小空间确定梁的混凝土端到端部的距离、以及螺栓中心至梁端h型钢翼缘的距离，根据螺栓布置确定梁的钢端板的长和宽，在钢端板上设置加劲肋，并将钢端板按不同支承条件分为两边支承区、三边支承区，根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》(gb51022-2015)相关规定计算各个支承格区的端板厚度，如下：

端板外伸时的两边支承区格：

端板平齐时的两边支承区格：

三边支承区格：

式中，f为端板钢材抗拉强度设计值，n1为一个螺栓(或锚栓)受拉承载力设计值，ef为螺栓中心至h型钢翼缘的距离，ew为螺栓中心至h型钢腹板的距离，b和bs分别为端板宽度和加劲肋宽度，端板厚度tep取t1～t3的较大值、且不小于16mm。

优选地，所述步骤s4中，根据梁的位置在组合柱中h型钢的弱轴方向设置带有螺栓孔和加劲肋的节点板用来连接钢筋混凝土梁，节点板的宽度同h型钢柱截面高度，节点板两边焊接在h型钢柱的两个翼缘上、中间通过加劲肋焊接在h型钢的腹板上，节点板除了用来连接弱轴方向的梁外，还起到保证梁柱节点域具有足够的抗剪承载力的作用；组合柱弱轴方向的纵筋按整体结构分析所得柱的内力包络图进行设计计算，连接组合柱中h型钢两个翼缘的横向钢筋采用文献《h型钢翼缘间填充混凝土的部分组合梁抗震性能试验研究》(建筑结构学报2015年9月增刊330-336页)提出的x形系杆，梁柱节点域的混凝土则在现场完成梁和柱组装后再现浇填充；

所述步骤s5中，按混凝土和型钢之间的剪力充分传递的要求—将钢筋混凝土梁所受的弯矩和剪力充分地传递到连接于组合柱的h型钢梁段，确定埋入混凝土梁的h型钢长度、h型钢翼缘上抗剪栓钉的数量n＝q/n^cv，其中q为剪力可按梁实际纵筋拉力极限值fuas计算，n^cv为单个栓钉的受剪承载力设计值，根据《钢结构设计标准》(gb50017-2017)计算如下：

式中，ec为混凝土弹性模量，as为圆柱头焊钉钉杆截面面积，fc为混凝土抗压强度设计值，fu为圆柱头焊钉极限抗拉强度设计值。

此外，可考虑将梁按跨度lb0分成约lb0/3和2lb0/3两部分并留有后浇带，如此可更好适应现场装配施工——如高层建筑中的柱竖向倾斜误差带来梁的实际跨度跟设计跨度之间的偏差。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型应用于装配式多高层建筑结构，提出了一种装配式框架梁柱节点，梁为端部外伸一段h型钢(带有端板)的预制钢筋混凝土梁，柱为在h型钢翼缘之间填充混凝土的预制组合柱，梁和柱通过端板、组合柱的h型钢翼缘(或两边焊接在h型钢翼缘上的带加劲肋的节点板)、螺栓连接，梁柱节点域要填充的混凝土在现场完成梁和柱组装后再现浇。根据组合柱-混凝土梁框架结构体系计算得到的构件内力，进行组合结构的h型钢和纵筋设计、混凝土梁的配筋设计。根据h型钢抗弯屈服承载力设计值msby大于按实际配筋计算的钢筋混凝土梁抗弯承载力mub，进行梁端h型钢的设计。根据梁端部h型钢的全截面屈服弯矩理论值msbu，进行螺栓和端板设计。根据柱中h型钢弱轴方向梁的位置和端板尺寸，在柱中h型钢两翼缘和腹板位置焊接中间带有加劲肋的节点板。本实用新型可提供一种“强柱弱梁”、“强节点”抗震设计理念的装配式框架梁柱节点，并给出节点的设计方法；本实用新型可能较好地解决由于柱的竖向垂直度偏差(梁的实际跨度与设计跨度之间的偏差)而导致传统钢框架螺栓端板梁柱连接节点难以用于高层建筑结构的问题。

附图说明

图1a～图1e是本实用新型节点中的钢筋混凝土梁构造图，其中图1a是本实用新型节点中的钢筋混凝土梁构造图，图1b是图1a的a-a向剖视图，图1c是图1a的b-b向剖视图，图1d是图1a的c-c向剖视图，图1e是图1a的d-d向剖视图。

图2a～图2c是本实用新型节点中的h型钢部分填充混凝土组合柱构造图，其中图2a是本实用新型节点中的h型钢部分填充混凝土组合柱构造图，图2b是图2a的e-e向剖视图，图2c是图2a的f-f向剖视图。

图3a～图3d是本实用新型的部分填充混凝土组合柱-钢筋混凝土梁节点(以角柱位置为例)的示意图，其中：图3a是本实用新型节点的3d示意图；图3b是本实用新型节点的构造示意图；图3c是图3b的a-a向剖视图；图3d是图3b的b-b向剖视图。

图4a～图4c是不同支承条件的端板区格及相关几何尺寸，其中图4a是端板无加劲肋时的区格划分，图4b是端板仅外伸部分设置加劲肋时的区格划分，图4c是端板外伸部分和内部均设置加劲肋时的区格划分。

图5是本实用新型方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型的技术方案。

说明书附图的部件编号：混凝土梁1，混凝土梁的纵筋2，混凝土梁的箍筋3，梁端h型钢4，混凝土梁的端板5，混凝土梁的端板加劲肋6，混凝土梁中的栓钉7，插入混凝土梁的h型钢的翼缘8，h型钢部分填充混凝土组合柱9，组合柱的h型钢10，组合柱的纵筋11，组合柱的x形系杆(横向钢筋)12，焊接在组合柱的h型钢两翼缘的节点板13，组合柱的节点板的加劲肋14，高强螺栓15，端板伸臂格区16，端板两边支承格区17，端板三边支承格区18，端板无肋格区19。

本实用新型的混凝土梁1通过端板5和螺栓15与部分填充式组合柱9连接的组合柱-混凝土梁节点，该节点可用于装配式多高层建筑结构，具有强节点、强柱弱梁、避免现场焊接、施工方便等优点。运用钢结构、混凝土结构、组合结构、结构抗震的基本理论，提出了此类节点的设计计算方法。

h型钢部分填充混凝土组合柱—钢筋混凝土梁节点，用于装配式多高层建筑结构，包括在h型钢10的翼缘之间填充混凝土并配有纵向钢筋11、在弱轴方向梁的位置设有节点板13的部分填充式组合柱9，端部有一段外伸h型钢4的钢筋混凝土梁1并通过螺栓15和端板5与组合柱连接。

钢筋混凝土梁和钢-混凝土组合柱的结构符合“强柱弱梁”抗震设计理念，比钢结构具有更好的防火防腐性能，比混凝土结构具有更好的抗震延性等，通过设计梁端部的端板和外伸h型钢可实现“强节点弱构件(梁)”的抗震设计理念：破坏发生离开梁柱连接位置的混凝土处。

上述可用于多高层装配式建筑结构的h型钢部分填充混凝土组合柱—钢筋混凝土梁节点，其设计计算包括如下步骤：

s1，按组合柱-混凝土梁进行整体结构分析计算，根据计算所得的构件内力验算组合柱的稳定性并计算纵向钢筋、设计钢筋混凝土梁的截面尺寸和配筋，梁在端部有一段带有钢端板的h型钢，且h型钢的抗弯屈服承载力设计值msby应大于按实际配筋计算的钢筋混凝土梁抗弯承载力mub，确保梁的破坏发生在钢筋混凝土部分，本实用新型节点的梁如附图1所示。

s2，根据梁端部的h型钢的全截面屈服弯矩理论值msbu计算确定h型钢上、下翼缘附近的螺栓群所受的总拉力t＝msbu/hb1，根据拉力t设计螺栓直径db、螺栓数量n及其布置，其中hb1为梁端部的h型钢上下翼缘中至中距离。

s3，根据梁和柱装配拧螺栓的所需最小操作空间确定梁的混凝土端到钢端板的距离、以及螺栓中心至梁端h型钢翼缘的距离，根据螺栓布置确定钢端板的长和宽，在钢端板上设置加劲肋，并将钢端板按不同支承条件进行区格划分，根据钢结构理论计算各区格所需的板厚度，取其中最大值为钢端板厚度tp；

步骤s4，加工制作组合柱时，在柱中h型钢的弱轴方向设置带有螺栓孔和加劲肋的节点板用来连接钢筋混凝土梁，节点板的宽度同h型钢柱截面高度，节点板两边焊接在h型钢柱的两个翼缘上、中间通过加劲肋焊接在h型钢的腹板上，节点板除了用来连接弱轴方向的梁外，还起到保证梁柱节点域具有足够的抗剪承载力的作用；组合柱的纵筋根据整体结构分析所得柱的内力图进行计算，连接组合柱中h型钢两个翼缘的横向钢筋采用文献《h型钢翼缘间填充混凝土的部分组合梁抗震性能试验研究》(建筑结构学报2015年9月的增刊330-336页)提出的x形系杆，组合柱构造如附图2所示，梁柱连接节点域的混凝土需要在现场完成梁和柱组装后再现浇填充，梁柱连接节点如附图3所示；

步骤s5，加工制作钢筋混凝土梁时，端部埋入混凝土的h型钢上焊有栓钉，栓钉的布置和数量、以及h型钢埋入长度lb3应满足混凝土和型钢之间的剪力充分传递，剪力偏保守地按梁实际纵筋屈服时的拉力fyas计算，从而将混凝土梁所受的弯矩和剪力充分地传递到连接于组合柱的h型钢梁段，此外可考虑将梁按跨度lb0分成约lb0/3和2lb0/3两部分并留有后浇带，如此可更好适应现场装配施工——如高层建筑中的柱竖向倾斜误差带来梁的实际跨度跟设计跨度之间的偏差。

本实用新型基于钢结构、组合结构、混凝土结构、建筑结构抗震基本理论，通过合理的设计实现“强柱弱梁”、“强节点弱构件(梁)”的抗震设计理念，本实用新型节点的可能破坏模式主要有钢筋混凝土梁受弯破坏、螺栓受拉破坏、端板破坏(塑性铰线模式)、节点区剪切破坏，并按照各种破坏模式设计端板等各个组件。通过合理设计让节点破坏发生在钢筋混凝土梁部分。本实用新型为装配式多高层建筑结构提供一种新型梁柱节点及其设计方法。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本实用新型的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也及于本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。