約束混凝土柱-組合梁混合結構應用研究

□文/王玉良 于慶榮

□于慶榮/天津大學建筑工程學院。

約束混凝土柱-組合梁混合結構應用研究

□文/王玉良 于慶榮

由約束混凝土柱和組合梁組成的混合結構能夠克服鋼筋混凝土梁、柱的截面大、自重大、抗震不利、施工麻煩的缺點。該結構的特點在于約束混凝土柱的箍筋直徑、間距、配箍特征值、平均約束應力和軸壓比限值等。梁和柱的節點是該結構體系的核心問題，比較端板螺栓連接節點、鋼筋連接節點、角鋼桁架節點的試驗，以端板螺栓連接節點和角鋼桁架節點為好。通過約束混凝土柱-組合梁混合結構體系與異形柱結構體系實際工程設計用材對比，該結構能夠節省混凝土、鋼材用量。

約束混凝土柱；組合梁；混合結構

隨著我國建筑產業的發展，高層建筑、大跨度建筑中單純采用鋼筋混凝土結構會增加構件截面和自重，已不甚合理；由于混凝土的抗拉強度微小到可以忽略，因此對于多拉區的結構、構件采用混凝土也是不合理的。鋼和混凝土各有自身的優點和缺點，鋼結構的優點是強度高、自重輕，其缺點是受壓失穩和不耐火，適用于抗拉、超高層、大跨度。混凝土構件的剛度大、耐火，適用于抗壓而不適于抗拉，缺點是自重很大。如果將兩種結構混合使用將會揚長避短，是節能減排、減輕自重的有效途徑。高強箍筋約束高強混凝土柱和鋼與混凝土組合梁的混合結構就是一種充分發揮混凝土結構和鋼結構各自的優點、避免其各自缺點的結構形式。

約束混凝土柱的構造特點

高強箍筋約束高強混凝土柱（見圖1）采用高強箍筋（fyv≥1100MPa）、小肢距的連續復合螺旋箍對高強混凝土形成有效約束，提高構件的承載力，增強其抗變形能力。

約束混凝土柱的構造特點在于箍筋直徑、間距、配箍特征值、平均約束應力和軸壓比限值等。

（1）框架柱和框支柱上下兩端箍筋應加密，加密區的箍筋最大間距和箍筋最小直徑見表1。

表1 柱端箍筋加密區的構造要求 mm

（2）框架柱的箍筋加密區長度應取柱截面長邊尺寸、柱凈高的1/6和500mm中的最大值。一、二級抗震等級的角柱應沿柱全高加密箍筋。高強箍筋約束混凝土柱能在很大范圍內變小偏壓為大偏壓，見圖2。增加塑性變形能力，可以提高軸壓比限值，見表2。

表2 約束混凝土框架柱軸壓比限值

（3）柱采用高強箍筋時，加密區箍筋的體積配筋率應符合式（1）規定

表3 柱箍筋加密區的箍筋最小配箍特征值

框架柱應采用復合高強箍或井字復合箍，其最小配箍特征值應按表中的數值增加0.02取用且體積配筋率≮1.5%。

當剪跨比λ≤2時，一、二、三級抗震等級的柱應采用復合高強箍或井字復合箍，其箍筋體積配筋率≮1.2%。

在柱箍筋加密區外，箍筋的體積配筋率不宜小于加密區配箍率的一半。

高強箍筋加密區內平均約束應力σr=pwfvv應滿足表4要求。

表4 箍筋加密區的最小平均約束應力 MPa

框架柱的箍筋加密區長度應取柱截面長邊尺寸（或圓形截面直徑）、柱凈高的1/6和500mm中的最大值；框支柱和角柱以及剪跨比＜2的框架柱應在柱全高范圍內加密箍筋且箍筋間距≯50mm；長柱在柱端加密區以外箍筋間距≯100mm。

梁、柱配置連續螺旋箍，在中部搭接時，長度宜超過兩個轉角，在端部錨固長度宜大于一圈，末端均設有135°彎鉤加10d直線段，錨固在核心混凝土內。

梁、柱節點

約束混凝土柱-組合梁混合結構梁、柱節點在日本進行過將近50種不同構造的節點試驗，取得大量的成果。以下僅對端板螺栓連接節點（圖3）、鋼筋連接節點（圖4）和角鋼桁架節點（圖5）3種構造節點的試驗進行研究。

試驗結果表明，端板螺栓連接節點與角鋼桁架節點的抗震性能較好。實尺寸模型試驗的滯回曲線見圖6。滯回曲線在大變形時由于鋼板箍或角鋼桁架的約束承載力很少下降，而且滯回環飽滿。它和相同尺寸的方形鋼管混凝土柱鋼梁節點的滯回曲線相比，是比較優越的。

鋼筋連接節點實尺寸模型試驗的滯回曲線見圖7，承載力在峰值后很少下降，只是有鋼筋粘接破壞的滑移現象。

組合梁下部型鋼在約束柱混凝土上，混凝土局部受壓應力集中，混凝土會壓碎而失去承載力。為此節點部位在鋼梁下翼緣下設鋼板箍，鋼板箍本身能承受壓力，同時它約束混凝土增加混凝土局部受壓承載力，鋼板箍尺寸應滿足 tw/hb≥1/33，hw/hb≥1/5，tw/bc≥1/38。

式中：tw——窄鋼板箍厚度；

hw——窄鋼板箍高度；

hb——梁型鋼高度；

bc——柱截面寬度。

節點核心區內部配箍筋施工困難，前兩種節點用寬鋼板箍代替箍筋，施工方便。角鋼桁架節點試驗的滯回曲線見圖8，滯回環十分飽滿。梁I字型鋼可以直通或切斷翼緣。對于邊節點I型鋼伸入節點混凝土內部應設計為機械錨固。角鋼伸出節點外宜取1.5hc，hc為柱截面高度，是加強柱端承載力。

鋼筋連接節點的粘結破壞，形成滯回曲線的滑移現象，克服的辦法是在連接鋼筋上焊機械錨固鋼件。鋼筋連接節點施工比較麻煩。

角鋼桁架節點在角鋼肢內部焊鋼筋（相當于箍筋）。在有垂直梁時則角鋼上焊鋼板，另一端焊于梁工型鋼腹板上。

經濟效益

約束混凝土柱-組合梁混合結構體系減輕了結構自重（特別是梁重）。例如一根6m跨的鋼筋混凝土梁，改用約束混凝土柱組合梁即可以減少自重近20kN，相應的節省水泥。它簡化了梁的配筋，澆筑樓板可以省去支架，鋼筋工與混凝土工都可以加快施工進度；最重要的是由于約束混凝土柱和組合梁的塑性變形能力很好，能確保抗震的安全。

以天津清水家園1號工程為例，設計采用異形柱結構體系和采用約束混凝土柱-組合梁混合結構體系設計2種體系，所需材料見表5。

表5 天津清水家園2種結構體系用材對比

結語

約束混凝土柱-組合梁混合結構體系是一種新興的組合結構體系。約束混凝土柱的性能類似鋼管混凝土柱，由于柱中核心區混凝土受到有效約束，從而提高了柱的強度與延性。為保證結構約束效果，必須滿足相應的箍筋直徑、間距、配箍特征值、平均約束應力和軸壓比限值要求。梁和柱的節點是該結構體系的核心問題，節點采用鋼板箍約束節點區混凝土，承載組合梁對混凝土的剪力、壓力都是十分有效的。比較端板螺栓連接節點、鋼筋連接節點、角鋼桁架節點的試驗，以端板螺栓連接節點和角鋼桁架節點為好。

[1]馬宏偉，姜維山，于慶榮，等.連接鋼筋傳力的組合梁及復合螺旋箍混凝土柱節點的研究[J].東南大學學報（自然科學版）,2002,32（5）：10-13.

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[3]Chin-Tung Cheng,Cheng-Chin Chen．Seismic Behavior of Steel Beamand Reinforced Concrete Column Connections[J]．Journal of Constructional Steel Research,2005，61（9）：587-606．

TU398

C

1008-3197（2010）01-09-04

2010-02-01

王玉良/男，1978年出生，講師，博士，天津城市建設學院土木工程系，主要從事混凝土結構和組合結構方面研究。

□于慶榮/天津大學建筑工程學院。