陳 林，劉春艷

（廣東省建科建筑設計院有限公司 廣州 510010）

0 引言

隨著社會經濟水平的提高，人們對建筑空間的舒適性及合理性要求越來越高，建筑體型越來越復雜，功能越來越多樣化。為了滿足建筑功能的要求，結構有時必須與常規(guī)方式相反進行布置，上部小空間，布置剛度大的剪力墻，下部大空間，布置剛度小的框架柱，必須在結構轉換的樓層設置轉換層，稱結構轉換層［1］。

轉換層采用的形式主要有梁式轉換，梁式、桁架式、空腹桁架式、箱形和板式轉換層等。目前，國內用得最多的是梁式轉換層［2-5］，其設計和施工簡單，受力明確，一般用于底部大空間剪力墻結構。對于部分梁式結構轉換，存在主次梁轉換，同時主框支梁上不滿跨布置剪力墻等原因造成框支梁端部剪力較大，此時，按通常設計需增大梁截面、混凝土強度或采用型鋼混凝土截面才能滿足文獻［6-8］規(guī)定的剪壓比要求，但綜合各方面因素，存在以下不足：

⑴增大梁截面，使底部大空間凈空減小，影響建筑功能使用，自重增大，吸收的地震力增大，且對于部分框支梁往往端部受力鋼筋為構造配筋，增大梁截面無疑增加框支梁受力鋼筋，造成浪費；

⑵采用高標號混凝土等級施工難以保證；

⑶如采用型鋼混凝土梁，施工復雜，需專業(yè)施工隊伍施工，增加工期。

1 節(jié)點設計思路

佛山某商業(yè)綜合體總建筑面積約60 萬m2，其中一區(qū)1D棟、2D棟，二區(qū)2A棟采用框支剪力墻結構，地下3 層，地上29～32 層，建筑總高度92.9～101.6 m，7 度設防，在建筑3 層通過框支轉換層托換上部剪力墻以更合理地利用建筑空間。

通過與建筑及各專業(yè)協(xié)調，在達到最合理柱網及剪力墻布置的結構方案的同時，轉換梁上基本托換不滿跨剪力墻且大多采用主次梁托換，通過計算分析可知，主轉換梁端部剪力較大造成截面剪壓比嚴重不足，如采用普通鋼筋混凝土結構，主轉換梁端部須加腋處理，大大影響建筑空間的正常使用。若能通過另一種方法加強梁端部的受剪承載力，可以避免采用加腋、混凝土量及混凝土等級強度的增加，由于大多數(shù)主轉換梁端部彎矩不大，加大截面無疑增加構造鋼筋，進而鋼筋用量也相應增加，并且從施工的角度來說，高強度等級混凝土施工質量難以保證。故在轉換梁中引入型鋼可解決此問題，由于型鋼腹板對抗剪的貢獻占主導地位而在本工程設計當中大多數(shù)主轉換梁可不需要翼緣的抗彎作用，故可僅引入型鋼的腹板以承受剪力，即抗剪鋼板，如圖1 所示，在轉換梁中加入抗剪鋼板可以使轉換梁截面的抗剪承載力大大提高，進而滿足規(guī)范對剪壓比的限值要求。

圖1 雙抗剪鋼板節(jié)點示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Double Shear Steel Plate Joint （mm）

2 分析結果及節(jié)點做法

采用普通混凝土梁及雙抗剪鋼板混凝土梁的經濟性對比如表1所示（以一區(qū)2D主轉換梁為例）：

表1 普通混凝土梁及雙抗剪鋼板混凝土梁綜合對比Tab.1 Comprehensive Comparison between Ordinary Concrete Beam and Double Shear Steel Plate Concrete Beam

可以看出，使用鋼板混凝土梁較普通混凝土梁有以下優(yōu)點：

⑴轉換梁端部加入鋼板（鋼板沿梁跨范圍可根據(jù)剪力包絡圖確定）可大大減小混凝土梁截面，進而提高建筑空間的利用率，減輕結構自重，減小地震效應；

⑵按普通混凝土梁進行設計的轉換梁配筋率較低，構造鋼筋較多，引入鋼板后可使轉換梁達到最經濟配筋率；

⑶降低混凝土強度等級，施工質量得以保證，鋼板構架在工廠加工好，對施工工期影響較小。

通過綜合分析，為了達到最優(yōu)化的經濟效益，并和業(yè)主充分溝通，決定采用雙抗剪板節(jié)點體系，如圖2所示，該節(jié)點可用于轉換結構中，特別適用于轉換梁上不滿跨布置剪力墻的轉換結構中。

圖2 雙抗剪鋼板施工現(xiàn)場Fig.2 Construction Site of Double Shear Steel Plate

3 有限元分析

3.1 有限元模型建立

混凝土本構關系采用Hognestad 建議公式表達應力-應變關系，屈服準則采用Mises準則。混凝土的等效應力-應變曲線在上升段取5個點，下降段取2個點，屈服壓應變ε0取0.002，極限壓應變εu取0.003 8，泊松比ν=0.2。混凝土采用ANSYS 中提供的Solid65 單元來進行模擬，混凝土采用C40 等級?？辜翡摪宀捎肧olid45 單元模擬及Von Mises 屈服條件，本構模型采用三折線模型，鋼材采用Q345B。

節(jié)點模型的有限元網格采用映射網格劃分，網格劃分的大小依據(jù)混凝土單元尺寸不宜小于50 mm 的建議［9-11］（本文取100 mm）。模型節(jié)點的單元網格劃分如圖3所示。

圖3 雙抗剪鋼板節(jié)點有限元模型Fig.3 FEM of Double Shear Steel Plate Joint

3.2 有限元計算結果

3.2.1 位移分析

節(jié)點計算模型變形如圖4 所示，由于轉換結構剛度較大，變形結果較小，不到2 mm?？梢钥闯觯辜翡摪迮c混凝土梁柱協(xié)調工作性能較好。

圖4 雙抗剪鋼板節(jié)點變形Fig.4 Deformation of Double Shear Steel Plate Joint

3.2.2 應力分析

雙抗剪鋼板節(jié)點第一主應力如圖5 所示，由圖5可知，抗剪鋼板上端承受一定的拉應力，即抗剪鋼板承擔了一部分彎矩，但應力水平較低，最大123 MPa，遠小于鋼材屈服值?；炷晾瓚^?。?.77 MPa），低于抗拉強度標準值。結果表明在抗剪鋼板端部上下各設置一塊端板是有效的，未出現(xiàn)抗剪鋼板對混凝土劈裂作用而造成局部混凝土壓應力較大。

圖5 雙抗剪鋼板節(jié)點第一主應力Fig.5 First Principal Stress

由圖6可以看出，抗剪鋼板壓應力較小，壓應力主要由混凝土承擔。由于轉換梁截面較大，壓應力水平較低，基本由抗剪控制。

圖6 雙抗剪鋼板節(jié)點第三主應力Fig.6 Third Principal Stress

由圖7可以看出，梁端混凝土剪應力水平較低，抗剪鋼板剪應力較大，但小于剪應力標準值。由此可知抗剪鋼板節(jié)點協(xié)調性能較好，抗剪鋼板承擔了絕大部分剪力，節(jié)點抗剪性能優(yōu)越。

圖7 雙抗剪鋼板節(jié)點梁端剪應力Fig.7 Shear Stress of Beam End

節(jié)點裂縫發(fā)展如圖8 所示，節(jié)點梁側面出現(xiàn)了細微裂縫，實際設計中對轉換梁配置抗扭腰筋可延緩裂縫發(fā)展及減小其寬度；節(jié)點內部抗剪鋼板上端與混凝土交接處出現(xiàn)較密集裂縫，實際設計中也可參考抗剪鋼板外伸端部設置上下兩塊端板，既可延緩混凝土裂縫的發(fā)展，又可連接部分轉換梁縱筋。

圖8 雙抗剪鋼板節(jié)點裂縫Fig.8 Crack of Double Shear Steel Plate Joint

由有限元分析結果可得出，雙抗剪鋼板梁柱節(jié)點受力可靠，抗剪鋼板雖承擔了一部分彎矩，但仍在可控范圍，抗剪鋼板吸收了梁端大部分剪力，與混凝土能夠協(xié)同工作。在具體設計時，建議在抗剪鋼板兩端上下各焊接一塊綴板，以減小抗剪鋼板對混凝土的劈裂作用。

4 結語

通過對比分析，此工程運用雙抗剪鋼板節(jié)點解決轉換梁截面過大問題，不僅滿足業(yè)主經營需求，同時也提高了材料利用率，并且使工期得到保證。結論及設計建議如下：

⑴采用雙抗剪鋼板梁柱節(jié)點體系用于不滿跨轉換梁結構穩(wěn)定可靠，有較大的經濟效益；

⑵通過有限元分析結果可知，雙抗剪鋼板梁柱節(jié)點體系受力合理，與混凝土能較好地協(xié)同工作；

⑶可根據(jù)轉換梁的剪力包絡圖確定梁端鋼板設置長度，而無需通長布置；

⑷設置兩塊抗剪鋼板通過拉結筋互相連接實現(xiàn)自相平衡穩(wěn)定骨架；抗剪鋼板端部需設置綴板，以減小鋼板對混凝土的劈裂作用；

⑸本節(jié)點將鋼板延伸至柱內，通過各向交叉連接在柱內形成封閉區(qū)域，不僅提高柱內混凝土延性及轉換梁柱核心節(jié)點區(qū)抗震性能，實現(xiàn)強節(jié)點要求，而且從施工角度來說形成更穩(wěn)定鋼骨系統(tǒng)，有利于混凝土澆筑。