关于钢构预埋件与混凝土构件连接节点讨论

关于钢构预埋件与混凝土构件连接节点讨论
【摘要】：现今在钢结构设计时钢构件与钢构件的连接计算技术已日趋成熟，
但钢构件与混凝土构件连接节点的设计在实际工程中常常出现问题。工程施工
中，由于各设计单位对于钢构件与混凝土构件连接节点设计时配合不当、考虑不
周，而导致现场难于施工，严重时存在结构安全隐患，钢结构部分和混凝土结构
部分的设计应相互协调，方便施工。本文就某体育馆工程实例所遇见的问题，提
出相关讨论建议。

【关键词】：钢结构；连接节点；预埋件；混凝土构件
1引言
改革开放以来，随着钢产量的提高，国家政策导向也开始转变为鼓励钢结构
应用于建设工程中[1]。 钢结构设计中钢结构节点是钢结构体系的枢纽，节点的
主要作用是连接多个构件和传递杆件内力。因此节点设计是设计中十分重要的环
节[2]。有限元理论和技术的发展以及计算机计算能力的不断提高促进了计算机
辅助技术在钢结构设计中的应用。一些大型结构分析通用软件，如SAP、ANSYS、
ADINA等，可以进行各类钢结构的静动力、弹塑性分析[3]。钢构预埋件与混凝
土构件在前期设计及实际施工十分复杂和困难，需各单位相互配合协调。本文结
合某体育馆工程实例来讨论钢构预埋件与混凝土构件连接节点所存在的问题及
相关建议。

2工程介绍
该工程为东南某省某市体育馆，建筑面积约一万三千平方米左右，顶部为
钢结构网架顶棚，底部为混凝土看台及基础。体育馆设计时涉及混凝土、钢结构、
幕墙等多个结构专项设计。

本工程建筑结构的安全等级为一级，结构设计基准期为50年，结构设计使
用年限为100年。建筑抗震设防类别为乙类。本工程结构承载力按100年重现期
设计，挠度按50年重现期设计。本工程抗震设防类别为重点设防类，工程所在
地区的抗震设防烈度为6度，地震作用计算按7度（0.10g）、抗震构造措施按7
度考虑。钢结构设计时根据《钢结构设计规范》(GB50017-2003)、《冷弯薄壁型
钢结构技术规范》(GB50018-2002)等国家规范。

3钢构件与混凝土构件连接设计问题
混凝土部分设计时，其本身的复杂性，本构关系随受力状态的不同而变化；
加上顶部钢结构对其影响，而变得更加复杂。但通常仅将顶部钢结构的荷载输入
到混凝土结构计算模型中。混凝土核心筒承担主要竖向和水平荷载,支撑上部桁
架钢结构,形成钢-混凝土组合结构 [4]。在现今的体育场馆设计中，由于钢结构
部分与混凝土部分是分别由不同设计人员设计，因而往往在设计时缺乏相互协
调。因此钢构件与混凝土构件连接节点的设计是体育场馆设计上的一个盲区，容
易产生设计问题，存在设计安全隐患。

对于顶部钢结构网架通过钢结构设计软件单独进行受力计算后将其荷载加
载到底部看台混凝土梁柱上，对应的钢构件与混凝土梁柱构件连接节点主要承受
抗拔力，通过设计抗拔预埋件（如图1所示）埋入混凝土中实现抗拔效应（参考
图2）。

图1.预埋件示意图
图2.抗拔效应示意图
3.1预埋件体积对其抗拔能力有削弱影响
预埋件设计体积太大使得混凝土梁柱构件中混凝土用量大幅减少。预埋件所
在位置为混凝土梁柱端部，这些位置均为箍筋加密区且配有较多纵向钢筋。这将
导致混凝土构件内部由大量钢筋及钢预埋件组成而混凝土实际含量变少。根据
《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）[5]中第9.7条对于预埋件及连接件的
规定，未对预埋件体积与混凝土构件的比例进行规定。

参照钢筋抗拔性能的规定，抗拔力主要通过预埋件与混凝土接触面的咬合能
力实现的，形成一种内约束。如果预埋件与混凝土的接触面不足，将对其抗拔能
力有着严重的削弱。在混凝土看台结构设计时，通常未考虑预埋件埋入后对框架
梁受力改变的影响。钢预埋件埋入后（如图3、4所示）等同于增大了梁端部的
实际用钢比率，同时也削减的混凝土用量，并且改变了两端部的受力性能；同时，
巨大预埋件埋入有密集钢筋网的混凝土梁端或柱端后，势必对现场混凝土下料和
工人振捣操作造成困难，容易造成内孔洞。这也将使得预埋件的抗拔能力大大幅
减少，甚至丧失抗拔能力。

因此建议：（1）设计单位在原有钢筋总用量基本不变的情况下，绘制预埋件
安装二次深化图。通过将钢筋的截面面积和间距同时增大等办法来实现较大的空
间，减小密度同时使施工时更为便利。（2）优化基础混凝土的强度设计，以弥补
接触面不足等问题；分批多次浇筑混凝土，使混凝土的收缩在多阶段完成，减少
混凝土的水化热现象，也可以使大体积混凝土的收缩应力和温度应力减少，降低
混凝土收缩开裂的可能性。（3）混凝土浇筑时, 预埋件处混凝土浇筑要对称均匀
下料, 振捣也需对称。振捣棒在预留排气孔内均匀振捣，使混凝土中气泡充分排
除，混凝土高度高出预埋件表面，使混凝土与预埋件充分接触，不发生空鼓。
图3.预埋件置入示意图
图4. 预埋件埋入示意图
3.2钢结构预埋件的埋入势必会对混凝土结构构件产生一定的破坏
目前体育场馆的钢结构顶棚和底部混凝土看台经常分包施工。由于是两个施
工单位分别承包施工，钢结构与混凝土连接节点常常在施工上出现不协调。

由于钢结构预埋件设计时并未考虑混凝土构件中钢筋的分布，使得在实际情
况下大体积钢结构预埋件难以埋入有密集钢筋的梁端和柱顶。施工时为了将预埋
件放到对应位置，往往要大费周章，影响施工进度。当框架梁端部的配筋率太大
时往往使框架梁产生超筋破坏。这种超筋脆性破坏将使得混凝土压碎脱落后钢筋
尚未屈服，丧失结构延性。借鉴混凝土的超筋破坏，大体积钢预埋件埋入混凝土
梁端后，用钢率过大可能产生同混凝土梁超筋破坏相似的脆性破坏。

因此，对于预埋件的设计、施工这一重要环节,需要设计单位间相互协调，
完成埋件件深化设计。将原设计柱顶梁钢筋在设计规范允许的条件下作相应变
更，让出预埋件预埋空间，就配筋率、钢筋的绑扎方式、混凝土的浇筑位置等交
叉设计，在完成施工图确认后，针对预埋件的施工编制作业方案；施工与设计单
位互相合作，予以安装指导和检查，施工单位应严格按照设计图纸内容和相关规
范安装作业。如遇特殊情况需做出变更，应得到设计单位主管的认可。

柱子顶端设置预埋件时，钢结构施工单位为了保证预埋件能够埋入混凝土构
件中，由于柱顶锚固钢筋内弯加上梁顶部有纵向钢筋通过（如图5所示），现场
施工时往往通过减少柱子纵筋锚固长度和撬动梁两端箍筋与纵向钢筋来埋入柱
顶预埋件，使得梁端箍筋间距与设计不符，更有甚者会剪短梁端箍筋，这也从某
种程度上降低混凝土柱节点的受力性能。框架梁端部箍筋加密区是梁主要受剪部
位，混凝土梁柱节点是结构抗震的重要部位，是混凝土结构概念设计中要重点加
强的位置。变大箍筋间距或者裁断箍筋使得其受剪承载力大幅降低。梁端预埋件
与混凝土交界处是受剪斜裂缝最常出现的部位。如果此处缺乏箍筋起到的抗剪切
能力将会严重影响结构的承载能力，存在严重的工程结构的安全隐患。

因此建议：（1）应与设计单位设计人员协调,解决前期图纸中梁顶部所出现
的纵向钢筋和柱端内弯钢筋影响预埋件安装做出调整，绘制预埋件安装二次深化
图。梁顶部的纵向钢筋由原来的单排布筋更改为双排布筋；也可将原有的梁主筋
过柱面的通长筋，变更为梁主筋在柱面处断开，锚入框架柱内。将柱端少量影响
到预埋件安装的内弯钢筋更改为直接通过柱面锚入预埋件内部的加长筋，为预埋
件提供埋设空间。但上述方案必须经过设计单位主设计人的同意。（2）预埋件的
施工属于隐蔽工程，预埋件在完成埋设后，混凝土浇注前，须派人在现场对其进
行监测检查，如发现问题应及时汇报并解决。
图5.纵向钢筋通过柱顶示意图
4 总结
对于以上几点钢构件与混凝土构件连接节点的问题，无论是理论分析还是试
验研究都还处于空白阶段。因此有必要针对钢构件和混凝土构件的连接节点进行
实验研究和理论分析。同时规范应提出关于预埋件的构造规定与实际破坏情况相
符合的计算公式。设计上应对钢构件和混凝土构件的连接节点进行有针对交叉设
计。钢结构部分和混凝土结构部分的设计应相互协调，方便施工。设计时要避免
由于预埋件的埋入对混凝土构件产生的不利影响。施工时要保证混凝土构件中钢
筋不受破坏等要求。本文以工程实例简述建议，仅供参考。

参 考 文 献
[1]上官磊. 基于Java3D的钢结构节点的虚拟装配 [D]. 武汉科技大学硕士
论文.2010：1.

[2]赵卫东，孙浩波，卫刚，等．三维钢结构CAD软件中的节点设计[J]．计
算机工程，2003，29(7)：33-34．

[3]杨武. 基于面向对象技术的钢结构节点设计系统的研究与开发 [D]. 武汉
科技大学硕士论文.2010：3.

[4]王煦,陈国栋,等；广东省博物馆新馆钢结构工程施工技术[J]. 施工技
术.2006.12，12：74-77.

[5]GB50010-2010, 混凝土结构设计规范 [S].北京：中国建筑工业出版社，
2010. P137-140.