专利名称：型钢混凝土框架－钢支撑结构变截面转换节点的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种型钢混凝土组合建筑中钢支撑与型钢梁柱的节点结构。
背景技术：
国家体育馆是北京2008年奥运会三大主场馆之一，奥运期间将主要进行体操比赛、手球决赛，残奥会进行轮椅篮球比赛。其筑由比赛馆、热身馆组成，比赛馆可容纳观众约1.9万人，总建筑面积80890m2，地下一层、地上四层。屋盖平面投影纵向长195.5m，横向宽114m。
型钢混凝土组合结构(Steel Reinforced Concrete Composite Structure，简称SRC结构)是钢与混凝土组合结构的一种主要形式。型钢混凝土结构的特点是在混凝土中配置型钢，并可配有一定的受力钢筋和构造钢筋。在传统的型钢混凝土组合结构中，主要由型钢柱和型钢梁组成框架结构，钢支撑较少，一般用于高层建筑结构和桥梁结构，主要特点是型钢梁保持等截面，节点区截面与跨中截面力学性能相等，截面面积相等，截面抵抗矩相等，水平刚度不够大，节点区域的受力能力薄弱。钢支撑翼缘板与梁柱翼缘板斜交，型钢梁和钢支撑连接与型钢柱与钢支撑的连接不等强，钢支撑受力不均匀，节点区存在易破坏点；节点区混凝土受约束差，节点区延性与跨中比提高很少。因此抗震性能不佳，截面设计存在弱区，钢筋与型钢协同受力不够直接，型钢的力学效率不明显，钢筋和型钢对混凝土的约束不够强。此外，钢支撑翼缘与梁柱翼缘非正交关系，在施工时支模困难，易跑浆、露浆。
如果所有型钢梁中的主筋均穿型钢柱，型钢柱翼缘被穿孔，柱截面被削弱，型钢与钢筋相互连接不够紧密，节点区的型钢和钢筋协同作用能力差。型钢梁和混凝土梁的主筋锚固困难，钢筋的空间关系复杂，施工麻烦；节点区节点板多，节点区钢筋间距不均匀，混凝土浇注质量难以保证。
发明内容本发明的目的是设计一种型钢混凝土框架钢支撑结构变截面转换节点，主要解决并提高复杂型钢混凝土框架—钢支撑结构体系的节点连接质量、增强节点区域的抗震性能的技术问题；并解决型钢梁和钢支撑、型钢柱与钢支撑的连接不等强，钢支撑受力不均匀、支模困难，易跑浆、露浆的技术问题；还解决三向交叉节点区域型钢与钢筋的空间矛盾、增强型钢和钢筋协同作用能力的技术问题；同时解决用于设计一种可支撑超高、大跨、重荷建筑结构的型钢混凝土框架—钢支撑结构的节点构造问题。
本发明的目的是这样实现的这种型钢混凝土框架钢支撑结构变截面转换节点，由柱中型钢、梁中型钢、钢支撑、柱中钢筋混凝土、梁中钢筋混凝土7相互连接并浇注成一体，钢支撑与柱中型钢和梁中型钢交接，其特征在于柱中型钢外周分布有柱主筋和柱箍筋，梁中型钢外周分布有梁钢筋；梁中型钢在节点交接处的腹板转换为增高变截面腹板，增高变截面腹板的上面与增宽变截面上翼板焊接，增高变截面腹板的下面与增宽变截面下翼板焊接；钢支撑在节点交接处的形状转换为变截面节点转换区结构，变截面转换区结构变截面转换区结构的两个直角边分别与柱中型钢和梁中型钢正交连接，变截面转换区结构的上边缘连接一片与柱中型钢垂直正交的弯弧形上翼板，变截面转换区结构的下边缘连接一片与梁中型钢垂直正交的弯弧形下翼板。
上述柱中型钢、梁中型钢、钢支撑是王字形钢、工字钢、C形钢、槽形钢、H形钢、两正交的工字形钢、方钢或钢板，或上述任意两者以上的组合。
上述柱中型钢、梁中型钢上可连有栓钉。
上述梁中型钢的等截面腹板与增高变截面腹板可以是连为一体或由节点连接板和螺栓连接或焊接。
上述柱主筋可有部分穿过弯弧形上翼板、弯弧形下翼板和增宽变截面上翼板的穿筋孔。
上述梁钢筋可有部分与梁中型钢的增宽变截面上翼板和增宽变截面下翼板焊接。
上述弯弧形上翼板、增宽变截面上翼板和弯弧形下翼板在靠近中型钢处可分别开有振捣孔。
上述增宽变截面上翼板与增宽变截面下翼板之间可垂直连接加劲板。
上述增宽变截面上翼板与增宽变截面下翼板可以是整板结构或由逐渐增宽的过渡板、加宽根板拼接而成。
上述变截面转换区结构可以是整体结构、两段拼接结构或箱形拼接结构。
本发明是一种主要由型钢混凝土框架和依据结构空间受力需要而布置的钢支撑组合而成的一种新型混合结构体系。与现有传统技术相比具有以下优点和有益效果在节点形式上型钢梁变截面高度和宽度，钢支撑在节点区翼缘板与梁柱翼缘板处于正交。截面力学特征为梁和支撑在节点区均得到加强，截面抵抗矩增大，截面面积加大，节点区形成刚域。型钢与钢筋的关系为部分梁钢筋直接焊于型钢上，型钢柱翼缘板不开孔，型钢柱截面无消弱；型钢梁截面开孔后穿柱主筋，但型钢梁截面得以加强；钢支撑截面部分开孔穿型钢梁主筋，但钢支撑截面抗拉压能力没有削弱。梁柱主筋布置均匀有序，节点区混凝土受到很好的约束。
本发明大大提高了节点区域的抗震性能，节点区型钢占据主导地位，但钢筋布置均匀，钢筋通过与型钢的焊接和穿插，钢筋与型钢的协同受力得到加强，钢筋、型钢和混凝土之间的协同作用也得到加强，截面的延性大幅度提高。本发明充分发挥了型钢、混凝土、钢筋几种不同材料的优势，避免了材料的弱点在工程中的出现，使型钢梁柱及支撑形成的节点区抗震性能大幅度提高。
本发明施工简便，钢筋的安装和连接方便，型钢梁柱及钢支撑的截面高度在节点区统一，钢筋直接穿过型钢翼缘或焊于型钢翼缘，十分便于钢筋的下料和安装；节点区无过多的加劲板，便于钢筋的连接和混凝土的浇注，节点区的施工质量易于保证。
本发明通过改变节点区型钢梁和钢支撑截面高度和宽度，使得节点区型钢梁和钢支撑截面得到加强。利用截面几何和物理性能的等效法则对型钢梁柱和钢支撑截面适当开穿钢筋孔，通过合理控制开孔率，让一部分钢筋通过型钢的翼缘板。这样设计一方面加强了节点区域的截面刚度，保证了型钢截面的力学性能，钢筋的相互连接、连续性和锚固同样得到较好的解决。混凝土的模板支设位置和混凝土浇注通道也方便了施工操作。
本发明的节点特征很明显，对型钢柱，自下而上是均匀的和连续的，而型钢梁和型钢柱间支撑的节点区域则要结合钢筋混凝土的情况进行型钢截面的设计和调整。利用截面在力学性能上的等效性和型钢的可塑性，将型钢梁的钢筋收敛于节点区域的型钢梁翼缘板，截面的性质由跨中型钢与钢筋混凝土的二元截面转换为相对比较纯粹的型钢混凝土框架截面，避免节点区域过多钢筋穿插而降低和削弱节点整体性能和型钢的设置目标。通过这样设计，型钢梁的跨中截面和支座截面的力学性能将会有所区别，在跨中是典型的型钢混凝土梁截面，而在支座区域则过渡为以型钢抗力为主，钢筋抗力为辅的截面。特别是在地震作用下的型钢梁支座区域截面延性得以改善，强抗震节点目标得以实现。可以运用于大跨、重荷、及高层、超高层建筑中。
本发明在型钢局部变截面的基础上合理安排了型钢梁、钢支撑、型钢柱的节点区域的空间关系，通过截面变换尽量让型钢在节点区起更大的作用，钢筋与型钢的结合更为紧密，在内力上分配上更协调，截面延性提高。同时钢筋的绑扎和交叉穿插在空间位置上得以预留。
为解决支撑平面外的刚度问题，将H型钢支撑的截面强轴置于平面内，弱轴置于平面外，用较经济的截面获得了设计需要的刚度。但这样设计后，支撑节点区域的支撑节点翼缘和型钢梁节点翼缘相对较宽，达到560mm宽，钢支撑这种宽翼缘构件元素的加入增加了节点的复杂性，节点区域成为三向交叉关系，型钢与钢筋的空间矛盾关系等更加突出，型钢柱的部分主筋必须穿过型钢梁和钢支撑的翼缘板才能保证型钢柱的截面性能，同时型钢梁的部分主筋通道也阻于支撑的翼缘，而在型钢梁和支撑的翼缘上开孔意味着截面的力学性能的部分失去，降低型钢的设置效能；节点设计的目标是找回失去的型钢截面，同时还要相对加强节点区的型钢性能，确保型钢混凝土框架节点在强烈地震作用下的可靠抗力。
与混凝土结构相比，由于截面中配置了型钢，型钢以其固有的强度和延性，以及型钢、钢筋、混凝土三为一体地工作使型钢混凝土组合结构具备了承载力大、刚度大、抗震性能好的优点。结构强度、刚度的显著提高，使其可以运用于大跨、重荷、及高层、超高层建筑中。在大跨、重荷和超高层建筑中若使用钢筋混凝土结构，构件断面很大，其有可能影响工艺布置，或影响使用功能，勉强采用钢筋混凝土结构就显得非常不合理或不可能。而在荷载相同的情况下采用型钢混凝土组合结构，构件的截面尺寸将减小，而建筑使用空间将增大。这对于解决高层建筑结构中因层数增多、高度大，使底层柱、墙内力迅速增大，相应要求混凝土构件截面尺寸加大与使用功能要求的矛盾特别有意义。由于型钢的抗剪能力远大于钢筋混凝土构件中纵筋的销栓力，型钢能抑制构件斜裂缝的开展，受压区型钢骨架还能约束混凝土使其呈三相受压状态，大大改善了受剪破坏时材料的脆性性质，因而型钢混凝土组合结构构件具有良好的延性和耗能性能，从而成为一种抗震性能很好的结构。在高烈度地震区的超高层建筑中若再采用钢筋混凝土结构，整个结构的延性实际上已经达不到“大震不到”的要求了。
与钢结构相比，由于型钢外包混凝土，增加了结构的耐久性和耐火性，这也正是这种结构形式最初被采用的目的。采用型钢混凝土结构节省了大量的钢材，降低了造价，而且克服了钢结构防锈、防腐蚀、防火性能较差，需要经常维修等缺点。外包混凝土可以防止钢构件的局部屈曲，提高了钢构件的整体刚度，显著改善了钢构件出平面扭转屈曲性能，使钢材强度得以充分发挥。另外，被型钢翼缘板包围的核心混凝土因翼缘板的约束作用，而使核心区混凝土的强度得以提高。
本发明的另一优点是施工安装时梁柱型钢骨架本身构成了一个刚度较大的结构体系，可以作为浇筑混凝土时挂模、滑模的骨架，不仅能够大量节省模板支撑，大大简化支模工程，提高了施工工效，使工作面不受梁柱模板支撑的影响，还能够承担施工荷载。
本发明成功应用于国家体育馆工程中，该工程的主体结构采用了型钢混凝土框架剪力墙—钢支撑结构体系，该结构体系是体育馆大跨度钢结构屋面的支承系统，抗震等级按特一级进行设计，它布置在体育馆周边，与看台框架剪力墙结构体系共同组成一个有机的整体，采用此结构体系，解决了结构抗震、防火、截面经济、连接方便等一系列技术问题。一方面可以大大提高结构的抗震性能，保证结构的安全，另一方面又可以解决含有大跨度复杂空间结构的连接和构造等问题。
图1是本发明实施例1的结构示意图。
图2是本发明实施例1的内部结构示意图。
图3是本发明实施例2的结构示意图。
图4是本发明实施例3的结构示意图。
图5是本发明实施例4的结构示意图。
图6是本发明实施例5的结构示意图。
图中1-柱中型钢、2-梁中型钢、3-钢支撑、4-柱中混凝土、5-柱主筋、6-梁钢筋、7-梁中混凝土、8-螺栓、9-变截面转换区结构、10-柱箍筋、11-节点连接板、12-增宽变截面下翼板、13-加劲板、14-梁钢筋中的上铁、15-加宽根板、16-柱主筋中的角筋、17-梁钢筋中的下铁、18-增宽变截面上翼板的穿筋孔、19-增宽变截面上翼板振捣孔、20-梁钢筋中的角筋、21-栓钉、22-增宽变截面上翼板振捣孔、23-弯弧形上翼板振捣孔、24-增高变截面腹板、25-弯弧形上翼板、26-弯弧形下翼板、27-增宽变截面上翼板、28-过渡板。
具体实施方式
实施例1参见图1、图2，这种型钢混凝土框架钢支撑结构变截面转换节点，由柱中型钢1、梁中型钢2、钢支撑3、柱中钢筋混凝土4、梁中钢筋混凝土7交接并浇注成一体，钢支撑3与柱中型钢1和梁中型钢2交接，其特征在于柱中型钢1外周分布有柱主筋5和柱箍筋10，有一部分柱主筋5穿过弯弧形上翼板25、弯弧形下翼板26和增宽变截面上翼板27的穿筋孔18。柱主筋中的角筋16位于角部。
梁中型钢2外周分布有梁钢筋6；梁钢筋中的上铁14与梁中型钢2的增宽变截面上翼板27的上表面焊接，梁钢筋中的下铁17与增宽变截面下翼板12的底面焊接，梁钢筋中的角筋20位于角部。
梁中型钢2在节点交接处的腹板转换为增高变截面腹板24，增高变截面腹板24的上面与增宽变截面上翼板27焊接，增高变截面腹板24的下面与增宽变截面下翼板12焊接；钢支撑3在节点交接处的形状转换为变截面转换区结构9，变截面转换区结构9分为变截面转换区和箱形结构转换区，变截面转换区结构9的两个直角边分别与柱中型钢1和梁中型钢2正交连接，变截面转换区结构9的上边缘连接一片与柱中型钢1垂直正交的弯弧形上翼板25，变截面转换区结构9的下边缘连接一片与梁中型钢2垂直正交的弯弧形下翼板26。
柱中型钢1选择王字形钢，梁中型钢2和钢支撑3选择工字钢，所有型钢可以是轧制的也可以是焊接的。一般在大型建筑中经常配置焊接型钢，可以根据构件截面大小、受力特点，考虑到受力的合理性，灵活地选择焊接型钢各个板件的宽度与厚度。为进一步提高强度，柱中型钢1上连有栓钉21。
梁中型钢2的等截面腹板与增高变截面腹板是连为一体或由节点连接板11和螺栓8连接。
为振捣振实混凝土，弯弧形上翼板25、增宽变截面上翼板27和弯弧形下翼板26在靠近中型钢1处分别开有增宽变截面上翼板振捣孔19、增宽变截面上翼板振捣孔22、弯弧形上翼板振捣孔23。
为增加梁中型钢2在节点区域的强度，上述增宽变截面上翼板27与增宽变截面下翼板12之间垂直连接加劲板13。
上述增宽变截面上翼板27与增宽变截面下翼板12是由逐渐增宽的两块过渡板28、加宽根板15拼接而成。
上述变截面转换区结构9可以是整体结构或两段拼接结构。
实施例2参见图3，与实施例1不同的是在柱中型钢1外周没有柱主筋3和柱箍筋10，梁中型钢2外周也没有梁钢筋6。
实施例3参见图4，与实施例2不同的是柱中型钢1选择两正交的工字钢形，以适合八个方向均可连接钢支撑的需要。
实施例4参见图5，与实施例3不同的是在八个方向均有钢支撑3。
实施例5参见图6，与实施例2不同的是，柱中型钢1选择连排工字形钢的结构，以适合连接并排多组钢支撑的需要。
权利要求
1.一种型钢混凝土框架-钢支撑结构变截面转换节点，由柱中型钢、梁中型钢、钢支撑、柱中钢筋混凝土、梁中钢筋混凝土相互连接并浇注成一体，钢支撑与柱中型钢和梁中型钢交接，其特征在于柱中型钢外周分布有柱主筋和柱箍筋，梁中型钢外周分布有梁钢筋；梁中型钢在节点交接处的腹板转换为增高变截面腹板，增高变截面腹板的上面与增宽变截面上翼板焊接，增高变截面腹板的下面与增宽变截面下翼板焊接；钢支撑在节点交接处的形状转换为变截面节点转换区结构，变截面转换区结构的两个直角边分别与柱中型钢和梁中型钢正交连接，变截面转换区结构的上边缘连接一片与柱中型钢垂直正交的弯弧形上翼板，变截面转换区结构的下边缘连接一片与梁中型钢垂直正交的弯弧形下翼板。
2.根据权利要求1所述的型钢混凝土框架钢支撑结构变截面转换节点，其特征在于上述柱中型钢、梁中型钢、钢支撑是王字形钢、工字钢、C形钢、槽形钢、H形钢、两正交的工字形钢、方钢或钢板，或上述任意两者以上的组合。
3.根据权利要求1或2所述的型钢混凝土框架钢支撑结构变截面转换节点，其特征在于上述柱中型钢、梁中型钢连有栓钉。
4.根据权利要求1或2所述的型钢混凝土框架钢支撑结构变截面转换节点，其特征在于上述梁中型钢的等截面腹板与增高变截面腹板是连为一体或由节点连接板和螺栓连接或焊接。
5.根据权利要求1或2所述的型钢混凝土框架-钢支撑结构变截面转换节点，其特征在于上述柱主筋有部分穿过弯弧形上翼板、弯弧形下翼板和增宽变截面上翼板的穿筋孔。
6.根据权利要求1或2所述的型钢混凝土框架钢支撑结构变截面转换节点，其特征在于上述梁钢筋有部分与梁中型钢的增宽变截面上翼板和增宽变截面下翼板焊接。
7.根据权利要求1或2所述的型钢混凝土框架-钢支撑结构变截面转换节点，其特征在于上述弯弧形上翼板、增宽变截面上翼板和弯弧形下翼板在靠近中型钢处分别开有振捣孔。
8.根据权利要求1或2所述的型钢混凝土框架-钢支撑结构变截面转换节点，其特征在于上述增宽变截面上翼板与增宽变截面下翼板之间垂直连接加劲板。
9.根据权利要求1或2所述的型钢混凝土框架-钢支撑结构变截面转换节点，其特征在于上述增宽变截面上翼板与增宽变截面下翼板是整板结构或由逐渐增宽的过渡板、加宽根部翼板拼接而成。
10.根据权利要求1或2所述的型钢混凝土框架-钢支撑结构变截面转换节点，其特征在于上述变截面转换结构是整体结构、两段拼接结构或箱形拼接结构。
全文摘要
一种型钢混凝土框架－钢支撑结构变截面转换节点，由柱中型钢、梁中型钢、钢支撑、柱中钢筋混凝土、梁中钢筋混凝土相互连接并浇注成一体，钢支撑通过截面转换与柱中型钢和梁中型钢翼缘板正交连接，梁中型钢在节点交接处的腹板转换为增高变截面腹板，增高变截面腹板的上面与增宽变截面上翼板焊接，增高变截面腹板的下面与增宽变截面下翼板焊接；钢支撑在节点交接处的形状转换为变截面节点转换区结构，钢支撑在变截面转换区的两个翼缘板分别与柱中型钢和梁中型钢正交连接。本发明增强了型钢混凝土框架—钢支撑结构节点区域的受力性能和型钢与钢筋混凝土协同作用能力。
文档编号E04B1/58GK101024975SQ20071020029
公开日2007年8月29日 申请日期2007年3月16日 优先权日2007年3月16日
发明者陈金科, 覃阳, 冯阳, 杨铮, 赵伟 申请人:北京城建设计研究总院有限责任公司, 北京市建筑设计研究院