鋼筋混凝土柱-鋼梁空間組合框架節(jié)點的研究狀況

熊禮全， 門進杰

(西安建筑科技大學，陜西西安710055)

鋼筋混凝土柱-鋼梁組合框架結構(簡稱RCS組合框架)是一種新型結構形式。由于該結構具有充分利用建筑材料、承載力高、施工速度快、節(jié)約資金等優(yōu)點，在美國和日本得到較廣泛的應用[1]。相對鋼框架而言，RCS組合框架具有較大的結構阻尼、層間剛度，且造價較低，耐火性能好；而與混凝土框架相比，RCS組合框架可明顯減輕結構自重，降低結構層高、增大結構跨度，而獲得更大的使用空間。

目前對RCS組合節(jié)點的研究主要集中在平面節(jié)點，即梁、柱構件處于同一個豎向平面內。然而，實際工程中，地震作用和結構的地震反應往往是多維的，梁-柱節(jié)點往往是在彎矩、剪力、軸力等多維復合作用下破壞的。所以，單一的考慮平面內的節(jié)點破壞不能完全地反映梁-柱節(jié)點的實際受力狀態(tài)，需要從空間上更加全面的且符合構件實際受力狀態(tài)進行相應的進行節(jié)點研究。

1 國外RCS空間組合節(jié)點的研究狀況

RCS組合框架體系首先在美國得到廣泛的應用，為了更加全面地了解該體系的受力性能，研究者做了關于RCS空間組合節(jié)點一系列試驗。1999年，美國TexasA&MUniversity[2]完成了六個“梁貫通型”RCS空間組合節(jié)點的研究，重點考慮了反復荷載作用下混凝土樓板和交叉梁對節(jié)點的受力機理、破壞模式、抗震性能等相關受力性能的影響。此試驗為組合節(jié)點在有混凝土樓板作用下對節(jié)點性能的影響提供了有效的試驗數據，同時也驗證了在中低層框架結構體系中加入小型鋼對加快施工的積極作用。同年，Joseph等[3]對RCS組合結構體系的抗震性能進行了研究，為滿足RCS組合框架體系的抗震要求，對RCS空間組合節(jié)點中梁、柱、節(jié)點的構造要求提出相應的建議，從而指導節(jié)點設計。

圖1 空間節(jié)點

2000年，Joseph等[4]完成了六個RCS空間組合節(jié)點在低周反復荷載作用下的試驗，其中有五個中節(jié)點，一個邊節(jié)點。節(jié)點參見圖1(a)所示。試驗主要考慮了不同的構造措施對空間節(jié)點受力性能的影響，研究發(fā)現，只要有適當的構造措施，RCS空間組合構件具有良好的抗剪承載力、延性和耗能能力等。2004年，XuemeiLiang等[5]完成了四個空間節(jié)點試驗，兩個中節(jié)點和兩個邊節(jié)點，考慮了混凝土樓板對節(jié)點受力的影響。該試件以“強柱弱梁”為設計依據，并且以變形控制節(jié)點破壞。研究內容包括節(jié)點變形、破壞形式、滯回性能、型鋼應力、節(jié)點轉動等。試驗表明，帶樓板的RCS空間組合構件具有良好的抗震性能，梁的轉動引起的變形占樓層轉動的60 %左右。2005年，Chin-TungCheng等[6]完成了三個足尺的RCS空間節(jié)點試驗，考慮了混凝土樓板的作用，節(jié)點參見圖1(b)所示。研究內容包括節(jié)點變形、節(jié)點承載力、節(jié)點滯回性能等。研究表明，空間節(jié)點具有良好的滯回性能，有良好的延性；節(jié)點在柱邊緣能夠形成良好的塑性鉸，具有良好變形能力；相對于無樓板的節(jié)點，帶混凝土樓板的空間節(jié)點的極限承載力大約提高25 %左右。

日本在RCS空間組合節(jié)點方面也有許多的研究。1997年，Nishiyama等人[2]完成了四個空間節(jié)點在低周反復荷載作用下的試驗，三個“柱貫通”節(jié)點和一個“梁貫通”，節(jié)點考慮混凝土樓板的作用。研究表明，空間節(jié)點在非貫通平面內的節(jié)點強度和受力性能與平面節(jié)點沒有明顯的區(qū)別，同時平面加載模型也適用于該平面。但是該試驗是否具有普遍性還需要進一步的研究。1998年，日本建筑承包商協(xié)會做了6個“柱貫通型”空間節(jié)點試驗[7]，RCS空間組合節(jié)點考慮了混凝土樓板作用。研究內容包括節(jié)點變形、軸壓比、節(jié)點構造措施等因素對RCS空間組合節(jié)點受力性能的影響。結果表明，在一定范圍內，提高軸壓比能夠提高節(jié)點的強度和剛度，從而提高組合節(jié)點的承載力；在構造措施適當時，RCS空間組合節(jié)點具有良好的滯回性能即良好的抗震性能。

2 國內RCS空間組合節(jié)點的研究狀況

我國關于RCS空間組合構件起步較晚。2003年，馬宏偉[8]進行了六個足尺的RCS空間組合構件進行了低周循環(huán)荷載試驗，其中兩個為端板螺栓連接，四個為連接鋼筋連接，考慮了混凝土樓板對節(jié)點的影響。研究內容包括荷載層間滯回曲線、連接方式不同、軸壓比、節(jié)點承載力等因素。研究表明，端板螺栓連接構件形成了較明顯的梁端塑性鉸，節(jié)點以梁端破壞為標志；樓板的存在能夠明顯地提高節(jié)點承載力；兩類構件都具有較大的層間位移，節(jié)點具有良好的延性和耗能能力，能夠在有抗震要求的地區(qū)使用，并且提出該類節(jié)點相應的設計建議。2006年，趙作周等人[9]完成了三個RCS空間組合節(jié)點在低周反復荷載作用的試驗，分別為一個中節(jié)點、一個邊節(jié)點和一個頂層節(jié)點，構件都考慮了縱橫梁對節(jié)點受力性能的影響。學者主要研究了RCS空間組合節(jié)點在荷載作用下的破壞形式、受力性能、節(jié)點滯回性能等，初步了解該類節(jié)點力學性能。研究表明，RCS組合構件具有良好的延性和耗能能力，節(jié)點的構造措施對節(jié)點受力有很大的影響。根據試驗，作者對該類節(jié)點提出了幾點構造措施的建議，用于指導RCS空間組合節(jié)點的設計。

2008年，陸堅鐵[10]等人完成了7個1/2縮尺的端板螺栓連接的鋼-混凝土柱組合節(jié)點的試驗，考慮了混凝土樓板的作用，參見圖2(a)所示。作者基于端板螺栓連接的鋼-混凝土組合梁與混凝土柱節(jié)點的低周反復荷載試驗，對此類節(jié)點進行了較深入的研究。研究內容包括節(jié)點受力過程、破壞形式、滯回曲線、骨架曲線、延性等抗震性能。研究結果表明:端板螺栓連接的鋼-混凝土組合梁與混凝土柱節(jié)點試件的滯回曲線呈梭形，且較為豐滿，耗能能力強；組合梁橫向配筋率及其配筋形式、組合梁剪力連接度對節(jié)點的承載力影響并不顯著，但對節(jié)點的延性有顯著的影響。橫向配筋率的增大及橫向配筋為封閉式可提高節(jié)點的變形能力，剪力連接度越高變形能力越強。

圖2 RCS空間節(jié)點

2009年，李賢[11]完成了七個端板螺栓邊節(jié)點RCS空間組合節(jié)點的試驗，其中兩個節(jié)點(CEJ4、SEJ3)考慮了樓板作用，參見圖2(b)所示。研究表明，混凝土樓板的存在保證了節(jié)點合理的傳力路徑，明顯提高了節(jié)點承載力，保證了節(jié)點“強柱弱梁，節(jié)點更強”的抗震設計理念，同時指出在設計該類節(jié)點時需要考慮混凝土樓板的組合效應。但是沒有給出具體的設計建議或者是承載力公式的建議。

3 RCS 組合框架節(jié)點研究存在的問題

雖然國內外對型鋼梁-鋼筋混凝土柱空間組合節(jié)點做了大量試驗，但是還是存在許多問題，主要表現如下：

(1)我國對型鋼梁-鋼筋混凝土柱框架結構體系中空間節(jié)點的研究才剛剛起步。如前所述，我國對RCS空間組合節(jié)點的研究節(jié)點數量偏少，在空間節(jié)點受力性能和抗震性能沒有形成系統(tǒng)的理論體系，而且各個試驗構件的試驗方案、環(huán)境、試驗方法等因素各不同，很難形成系統(tǒng)性和統(tǒng)一性。

(2)試驗很難對RCS空間組合節(jié)點進行全面的了解。試驗過程中有許多重要數據很難測到，如節(jié)點各組成部分的應力分布狀態(tài)、應力在試驗過程中變化、各組成部分的抗剪承載力以及各部分抗剪承載力的參與程度等等，再加上RCS空間組合節(jié)點的構造措施選擇形式的多樣性決定了該類節(jié)點受力性能復雜性，要全面了解RCS空間組合節(jié)點的受力性能僅僅通過試驗是不夠的，需要借助有限元軟件進行模擬。所以需要更多的學者從有限元方面對該類節(jié)點進行更加系統(tǒng)的研究。

(3)大部分研究主要集中在梁-柱節(jié)點，對結構體系整體性研究相對較少。在試驗中，往往需要節(jié)點發(fā)生破壞，而這跟實際工程所遵循“強柱弱梁，強節(jié)點弱構件”的原則相違背。所以，根據試驗所得出的結論是否適用于實際節(jié)點設計，還需要進一步的研究。要準確地了解結構體系實際受力狀態(tài)，僅僅對梁-柱節(jié)點研究還遠遠不夠，需要從結構整體上給予考慮。

4 結束語

鋼筋混凝土柱-型鋼梁(RCS)組合框架體系一種比較合理的結構形式，它能充分發(fā)揮混凝土與型鋼這兩種材料各自的優(yōu)點，在美國和日本得到廣泛的應用。美日對這類結構體系研究較早，在節(jié)點設計、節(jié)點抗震、體系整體設計等方面都有一定的研究，但是還不夠成熟。我國對RCS組合框架體系的研究起步較晚，需要大量的工作需要更多的學者對該體系進行研究。

[1] 門進杰, 史慶軒, 周琦. 鋼筋混凝土柱-鋼梁組合框架節(jié)點研究進展[J]. 結構工程師, 2012, 28(1): 153-158

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[4]MiehaelNBugeja,JosephMBracci,WalterPMooreJr.SeismicbehaviorofcompositeRCSframesystems[J].JoumalofStructuralEngineering, 2000, 126(4) : 429-435

[5]XuemeiLiang,GustavoJ,Parra-Moniesinos.Seismicbehaviorofreinforcedconcretecolumn-steelbeamsubassembliesandframesystems[J].JournalofStructuralEngineering, 2004, 130(2) : 310-319

[6 ]Chin-TungCheng,Cheng-ChihChen.Seismicbehaviorofsteelbeamandreinforcedconcretecolumnconnections[J].JournalofConstructionalSteelResearch, 2005, 61: 587-606

[ 7]GregoryG.Deierlein,HiroshiNoguchi.OverviewofU.S.-Japanresearchonseismicdesignofcompositereinforcedconcreteandsteelmomentframe.JournalofStructuralEng-ineering, 130(2):361-367, 2004

[8] 馬宏偉. 組合梁與連續(xù)復合螺旋箍混凝土柱節(jié)點研究[D]. 西安建筑科技大學,2003

[9] 趙作周, 錢稼茹, 楊學斌, 等. 鋼梁-鋼筋混凝土柱連接節(jié)點試驗研究[J]. 建筑結構, 2006,36(8): 69-73

[10] 陸鐵堅, 賀子瑛, 余志武,等. 鋼-混凝土組合梁與混凝土柱節(jié)點的抗震性能試驗研究[J].建筑結構學報, 2008, 29(1):71-74

[11] 李賢. 端板螺栓連接鋼-混凝土組合節(jié)點的抗震性能研究[D]. 湖南大學, 2009