鋼管混凝土框架環(huán)板貫穿節(jié)點(diǎn)抗震性能研究

李成玉 趙 峰

1 概述

鋼管混凝土構(gòu)件由于集合了鋼筋混凝土和鋼結(jié)構(gòu)的諸多優(yōu)點(diǎn)，且克服了二者的很多缺點(diǎn)，近年來在高層及超高層建筑中得到越來越多的應(yīng)用。高層或超高層一般建設(shè)在地震區(qū)，因而面臨著嚴(yán)重的地震災(zāi)害威脅。然而，地震災(zāi)害產(chǎn)生的最主要根源不在于地震本身，而是房屋建筑的倒塌和破壞。謝禮立院士指出，地震災(zāi)害屬于一種典型的土木工程災(zāi)害，即由于土木工程自身不能抵御突發(fā)的地震作用而導(dǎo)致土木工程失效和破壞乃至倒塌而造成的災(zāi)害。因此，為了減少地震災(zāi)害，必須提高結(jié)構(gòu)體系的抗震能力。建筑結(jié)構(gòu)體系作為一個(gè)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體性能取決于構(gòu)件之間的組成方式和構(gòu)件之間的相互作用。采用同樣的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，但按不同方式組成的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其整體性可能表現(xiàn)為截然不同的效果。由此可見，盡管鋼管混凝土構(gòu)件具有優(yōu)良的抗震性能，但節(jié)點(diǎn)方式及其性能在提高鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的整體抗震性能中起著關(guān)鍵性作用。

2 外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)及隔板貫通式節(jié)點(diǎn)的受力特點(diǎn)

鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)的主體一般由鋼管混凝土柱與鋼梁通過節(jié)點(diǎn)連接而成。考慮到管內(nèi)混凝土的澆灌效果以及抗震性能，通常是采用柱貫通而梁從側(cè)面通過節(jié)點(diǎn)與之連接，因此外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)成為一種最普遍的連接方法，世界上很多國家為此開展了相關(guān)研究，取得了一系列成果。

1)加強(qiáng)環(huán)應(yīng)力分布及截面設(shè)計(jì)研究。

日本AIJ在20世紀(jì)60年代做了早期研究，并提出了環(huán)板的設(shè)計(jì)方法。李至鈞(1987年)借鑒日本早期研究結(jié)果，在國內(nèi)最早進(jìn)行了加強(qiáng)環(huán)形式的試驗(yàn)和理論研究，鐘善桐(1999年)等也做了相關(guān)研究。總結(jié)出同心圓弧式、內(nèi)凹圓弧式、直線式和折線式四種形式。與此同時(shí)，他們先后用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法，考慮柱與加強(qiáng)環(huán)共同作用，建立了曲梁模型，以確定加強(qiáng)環(huán)的截面尺寸。申請者(2005年)進(jìn)行了同心圓弧式節(jié)點(diǎn)不同環(huán)寬的試驗(yàn)研究，對節(jié)點(diǎn)域的應(yīng)力分布特征進(jìn)行了測試;另外利用有限元程序?qū)?jié)點(diǎn)受力進(jìn)行了模擬，歸納分析了節(jié)點(diǎn)域應(yīng)力分布規(guī)律。

2)節(jié)點(diǎn)承載力研究。

承載力的研究包括節(jié)點(diǎn)抗剪、抗彎以及剛度三個(gè)方面。國內(nèi)外對這種節(jié)點(diǎn)的承載力進(jìn)行了比較多的研究。加藤勉等(1960年～1965年)提出了受壓混凝土約束構(gòu)成的桁架模型，解釋了梁柱節(jié)點(diǎn)的基本壓力傳遞機(jī)理。李至鈞(1987年)設(shè)計(jì)了12個(gè)加強(qiáng)環(huán)單向拉伸節(jié)點(diǎn)試件，分四組進(jìn)行了內(nèi)凹弧形節(jié)點(diǎn)的抗拉承載力的試驗(yàn)。薛立紅(1994年)、鐘善桐等(1996年)進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)剪力傳遞的試驗(yàn)。申請者(2003年、2005年)設(shè)計(jì)了四組共12個(gè)足尺同心圓弧加強(qiáng)環(huán)式空間梁柱節(jié)點(diǎn)，分別采用平面對稱加載和空間對稱加載，對其進(jìn)行了抗彎極限荷載和剛度等方面的研究，并對節(jié)點(diǎn)的破壞機(jī)理進(jìn)行了分析;利用有限元軟件，用單因素法和正交設(shè)計(jì)法，對節(jié)點(diǎn)剛性進(jìn)行了大量分析，歸納提出了加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)的剛度表達(dá)式。

3)節(jié)點(diǎn)抗震性能研究。近年來，由于對結(jié)構(gòu)的抗震性能越來越重視，不少單位相繼開展了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能的研究，取得了不少成果。李至鈞、閆善章(1991年，1994年)兩次進(jìn)行了鋼管混凝土柱—鋼梁節(jié)點(diǎn)的滯回性能試驗(yàn)研究;Alostaz，Schneider(1996年)設(shè)計(jì)了6種不同柱—梁連接方式的試件，主要進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)細(xì)部改善對節(jié)點(diǎn)抗震性能的研究，與此同時(shí)，他們還在大型有限元ABAQUS平臺上，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)受力性能的模擬;張素梅、張大旭(2000年)進(jìn)行了鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)反復(fù)荷載作用機(jī)理研究;王遠(yuǎn)志(1999年)、鄭錦銅(2003年)等進(jìn)行了梁柱節(jié)點(diǎn)在反復(fù)荷載作用下剪力傳遞機(jī)理的研究;天津大學(xué)的李忠獻(xiàn)、丁陽等(2004年)還進(jìn)行了兩跨三層鋼管混凝土框架模型的抗震試驗(yàn)研究;申請者(2005年)利用ANSYS商用有限元軟件進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)在反復(fù)荷載作用的滯回性能分析，指出研究鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的滯回性能時(shí)應(yīng)首先著重分析節(jié)點(diǎn)域的變形情況，即保證節(jié)點(diǎn)的完整性，其次才是節(jié)點(diǎn)宏觀的延性耗能指標(biāo)。

通過對已有研究成果分析，因?yàn)閼?yīng)力集中的原因，外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)的破壞多發(fā)生在翼緣與環(huán)板接合部位，以及環(huán)板與柱管的環(huán)形連接焊縫上，這些節(jié)點(diǎn)破壞現(xiàn)象一旦發(fā)生，都會引起柱管的爆裂，最終導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的失效(見圖1);另外由于外加強(qiáng)環(huán)對柱管的約束不足，使得柱管在面外彎矩的作用下在節(jié)點(diǎn)域還常常會發(fā)生鼓脹現(xiàn)象，從而使節(jié)點(diǎn)失效(見圖2)。

圖1 梁與環(huán)板接合部位斷裂

圖2 節(jié)點(diǎn)域發(fā)生鼓脹破壞

應(yīng)力集中導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)發(fā)生脆性破壞是一種普遍存在的現(xiàn)象，為此美國學(xué)者提出在鋼結(jié)構(gòu)梁柱連接節(jié)點(diǎn)中考慮延性設(shè)計(jì)。基本思路是通過對離梁柱連接處一定距離的梁翼緣進(jìn)行定向人為削弱，促使塑性屈服在梁的削弱位置出現(xiàn)并擴(kuò)展，其目的是通過控制“弱梁”來實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”，確保節(jié)點(diǎn)的完整性。美國學(xué)者為了將這種節(jié)點(diǎn)應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)做了大量試驗(yàn)和理論研究。目前，我國學(xué)者也開展了在鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)中采用延性設(shè)計(jì)方面的研究。鋼管混凝土外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中產(chǎn)生的原因和鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)基本相同，因此也有研究者著手將這種概念應(yīng)用于鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)做了一些研究，取得了一些成果。

研究結(jié)果還表明，在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中采用柱貫通式連接并沒有達(dá)到預(yù)期的強(qiáng)柱效果。相反由于節(jié)點(diǎn)區(qū)容易鼓脹導(dǎo)致柱壁與混凝土的粘結(jié)失效從而影響承載力。而為了保證節(jié)點(diǎn)足夠的剛度，必須加大外加強(qiáng)環(huán)板的寬度，這又使得節(jié)點(diǎn)區(qū)過于龐大而影響防火及建筑美觀等。因此環(huán)板貫通式連接成了一個(gè)新的研究方向，日本在這個(gè)方面的研究處于領(lǐng)先，我國最近也開始有所研究。

“強(qiáng)柱弱梁”破壞機(jī)制是框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)所希望的，但研究者發(fā)現(xiàn)在汶川地震中幾乎沒有看到框架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”機(jī)制，相反基本都是出現(xiàn)柱鉸機(jī)制。分析者認(rèn)為造成這種不利破壞模式的一個(gè)主要原因是在一般設(shè)計(jì)中只針對裸框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算，沒有將樓板對框架梁的剛度和承載力的貢獻(xiàn)充分考慮進(jìn)去，聶建國等(2006年)，劉洪波等(2008年)對此開展了研究，證明了這一觀點(diǎn)。

3 結(jié)語

環(huán)板貫通式連接可顯著提高節(jié)點(diǎn)剛度，而延性設(shè)計(jì)則可明顯改善環(huán)板區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這些都是保證強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的有效措施。而為了保證“強(qiáng)柱弱梁”機(jī)制的真正實(shí)現(xiàn)，必須考慮樓板對鋼梁的影響，考慮了樓板作用的梁其實(shí)質(zhì)為組合梁。由于基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論已逐漸被應(yīng)用，因此項(xiàng)目將以基于性能理論作為指導(dǎo)，開展鋼管混凝土柱—組合梁框架環(huán)板貫通式延性節(jié)點(diǎn)的研究，對完善節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)理論、提高鋼管混凝土框架的抗震能力，有著重要的理論意義及社會價(jià)值。

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