部分填充式鋼混組合結構研究進展

青島理工大學土木工程學院,山東 青島 266000

部分填充式鋼混組合結構（Partially Encased Steel-concrete Composite Structures，簡稱PECS）是組合結構形式的一種，亦簡稱為“部分填充式組合結構”，它是在工字鋼或H 形鋼構件的翼緣之間設置縱筋、箍筋或翼緣連桿等，并填充混凝土澆筑而成的新型組合結構[1]。

部分填充式組合結構最早是在20 世紀90 年代初，由歐洲標準委員會在歐洲規范4 中提出，并對其一般設計準則和相關的設計方法進行說明。部分填充的混凝土最初設計目的是為了提高鋼構件的抗火能力，因此在設計計算時未考慮混凝土的承載能力。但經過十幾年的研究和發展，研究人員發現部分填充的混凝土不僅具有防火防腐的作用，同時也可提高構件的穩定性、抗屈曲能力、承載能力和剛度等性能；同時，開口型鋼也可抑制混凝土的過早開裂，保證鋼與混凝土共同工作[2,3]。與型鋼混凝土結構和鋼管混凝土結構相比，PECS 具有鋼材利用率高、構件的預制化和裝配化程度高以及防火、防腐等優點[4,5]。PECS 因其良好的承載能力和抗震性能，使其在一些典型的實際工程中得到廣泛應用[6]。

在國家“十三五”時期，裝配式建筑已然成為建筑業發展的熱點，隨著住宅產業化和建筑工業化的發展，部分填充式組合結構必將成為當今裝配式組合結構體系中研究的焦點，并將得到廣泛應用。在此，本文首先對部分填充式鋼-混組合構件、節點以及框架結構的理論、試驗研究及設計方法方面進行梳理，然后總結與歸納國內外關于部分填充式組合構件、節點、框架結構的研究成果與現狀，最后，提出一種適合裝配且高效節能的裝配式部分填充組合節點，通過該新型組合節點可進一步擴展研究由其組成的框架結構，以期為我國裝配式部分填充式組合結構體系的研究和應用提供參考。

1 部分填充式組合構件受力性能研究

在部分填充組合結構中，梁、柱截面可分為一類為厚實工字鋼截面，稱為標準截面；另一類為薄柔工字鋼截面，稱為非標準截面[7]。兩類截面形式如圖1 所示，其中標準截面為歐洲規范4[1]所推薦，其由工字鋼、混凝土、縱筋、箍筋、抗剪鍵5 部分組成，構造較為復雜，施工中通常采用工廠預制、現場裝配的方法。非標準截面是在1997 年由Canam 公司提出[8]，可以不設置縱筋、箍筋、抗剪鍵或其中某些配件，在翼緣間設置連桿以提高翼緣局部屈曲承載力，構造相對簡單，施工方便。

圖1 PEC 構件截面形式Fig.1 Section form of PEC components

1.1 部分填充式組合柱構件受力性能

在國外，許多專家學者對部分填充式組合柱（Partially Encased Composite Column，PEC 柱）構件進行了大量的試驗和理論研究，取得了豐碩的研究成果。如，在1991 年～1994 年之間，英國帝國大學的Elnashai AS 團隊[9-13]通過擬靜力和擬動力試驗，對7 個非標準截面PEC 柱的抗震性能進行研究。通過試驗及分析模型驗證了部分填充式組合梁柱構件的優良性能，并肯定了PEC 構件在多層結構抗震設計中的適用性，相應的研究成果已被歐洲規范4 所采納。之后，Chicoine T 等[14]對7 個帶有橫向加勁連桿的焊接薄壁工字形非標準截面PEC 柱施加150 d 的靜力荷載，研究PEC 柱在長期荷載作用下的力學性能及構件內部應力與加載順序的關系。Begum M 和Driver RG 團隊[15,16]研究了高性能混凝土對薄壁PEC 柱力學性能的影響，并基于文獻[17]建立了一種能夠預測高強混凝土整體應力-應變特性、應變軟化、強度退化的本構模型。2016 年，Hanna EM 等[18]設計了5 根非標準截面的PEC柱，通過試驗研究不同參數對PEC 偏心受壓柱受力性能的影響。結果表明，PEC 柱的承載力幾乎是純鋼試件的三倍；比鋼筋混凝土試件承載力降低22%左右，但鋼筋混凝土構件存在施工周期長、工藝復雜的缺陷，而PEC 構件可以通過采用高強混凝土或薄柔截面鋼來提高22%的承載力。Song YC,Wang RP 等[19]采用有限元技術的動力顯式計算方法，對PEC 柱中鋼構件的局部屈曲和后屈曲性能進行了有限元建模和參數化研究。通過引入OR 模型和SP 模型分別用于分析整個柱的受力變形和柱翼緣局部屈曲與局部后曲屈性能，通過將有限元分析的結果與相關文獻中的試驗結果進行比較，驗證了模型的正確性。基于寬厚比、橫向連桿間距、材料屈服應力、殘余應力和幾何缺陷等因素的研究，提出了PEC 柱翼緣臨界屈曲強度和后屈曲強度的預測公式，并與加拿大鋼結構設計規范[20]的公式和已有的試驗結果[9,14,16]進行比較，得到了有效性驗證。

內蒙古科技大學的趙根田課題組[21,22]對采用非標準截面構造的焊接H 型鋼PEC 柱進行了軸心受壓、偏心受壓的試驗研究。考慮的主要因素有含鋼率、偏心距、配箍率、鋼系桿間距和翼緣寬厚比等，分析了不同影響因素對PEC 柱的極限承載力、破壞形態及延性性能的影響規律。蘇州科技大學的方有珍課題組[23,24]通過在恒定軸壓下的低周往復加載試驗和數值分析，對非標準截面的PEC 柱在強軸、弱軸兩個方向的滯回性能進行研究。其中PEC 柱分為薄板PEC 柱（翼緣之間采用拉結筋連接）和新型卷邊PEC 柱（翼緣之間采用拉結箍板連接）。試驗中以混凝土強度、拉結筋間距為主要分析因素，從承載力、抗側剛度、延性與耗能、破壞模式等方面，對PEC 柱的力學性能和抗震性能進行評價。同濟大學的陳以一課題組[25]，對非標準截面PEC 柱構件的受壓、壓彎等不同荷載作用下的穩定性、滯回性能、局部屈曲與后曲屈性能進行了試驗和數值模擬研究，分析不同影響因素對構件的破壞模式、承載力、延性變形的影響規律。最后提出了關于軸心受壓、偏心受壓穩定設計公式、屈曲后強度與整體應力-應變關系的預測公式，以及橫向系桿、抗剪栓釘及縱筋設置的構造措施。此外，研究者通過假定計算條件，利用ANSYS 有限元軟件進行分析并提出了一種簡化的分析模型。

1.2 部分填充式組合梁構件受力性能

在部分填充式組合梁（Partially Encased Composite Beam，PEC 梁）構件受力性能方面，國內外學者從不同研究角度進行了一系列試驗和理論研究。在歐洲規范4 最初的幾個版本中，通常不考慮鋼梁翼緣之間的鋼筋混凝土對PEC 梁構件承載能力和撓度計算的影響，只是假定鋼筋混凝土僅對局部屈曲或側扭屈曲的抗力起作用。但Kindmann R,Bergmann R 等[2]認為這種規定是過于保守的，之后通過對13 個試件進行受彎性能試驗，研究結果表明：鋼梁翼緣之間嵌入的鋼筋混凝土對構件的極限抗彎、抗剪承載力和變形均有明顯改善。從試驗結果中推導出了考慮鋼筋混凝土引起的承載力和剛度增加的計算方法，研究成果為編寫新版歐洲規范4 提供了重要數據源。此外，Lindner Joachim等[26]在考慮混凝土扭轉剛度的基礎上，提出了一種新的側向扭轉屈曲設計方法；Maquoi R,Heck C等[27]基于試驗和數值驗證，針對現行標準中與PEC 梁的彈性臨界力矩和極限側向扭轉屈曲力矩設計不合理的地方進行了修正和改進。

在考慮火災影響方面，Ahn JK 等[28]針對帶樓板的標準截面PEC 組合梁的抗火災性能進行了試驗和仿真分析。結果表明，在荷載比為0.3 時的PEC 組合梁的耐火性能能夠達到規范標準的2 h 甚至更長時間的要求；現有規范中耐火等級的評價標準已不適用于該類型組合梁，主要是因為部分填充的鋼筋混凝土對腹板具有一定的保護性，提高了PEC 梁構件在火災下的抗彎能力；最后建議應盡快提出一種適合該類型組合梁防火性能的簡化設計方法。為進一步研究PEC 組合梁耐火性能，通過ABAQUS 開展了對帶樓板的標準截面PEC 組合梁的熱應力耦合分析，結果表明，PEC 組合梁的耐火性能僅由彎矩承載力來評定不夠合理，應同時考慮撓度相關準則。此外，Piloto PAG[29]、Hosser D等[30]對火災條件下的PEC 梁橫截面不同位置處的溫度變化及受力性能也進行了試驗研究。

基于不同的試驗變量或構造方式，如混凝土強度或類型[31]、縱向受力鋼筋或箍筋的數量與間距[32-34]、栓釘布置[35]、含鋼率[36]、是否考慮帶樓板的組合作用[37]等，國內外學者也進行了相關的試驗或理論研究。其中，Konstantinos Daniel Tsavdaridis 等[38]、Samer Ahmad[39]等針對腹板開孔式PEC 梁進行了試驗和計算研究。結果表明，腹板開孔鋼梁的抗彎承載力會有所降低，但通過在開孔PEC 梁翼緣之間填充混凝土可使其抗彎承載力提高108%，且裂縫開裂控制、剛度和能量吸收能力效果顯著，可防止腹板開孔PEC 梁的局部屈曲，同時也增加了試件的延性，降低了結構的自重及節約鋼材用量；在沒有抗剪鍵的條件下，腹板開孔式PEC 梁的抗剪承載力主要由約束混凝土和鋼梁翼緣厚度提供；填充混凝土支柱作用的水平分量取決于摩擦力、抗剪粘結阻力和腹板開口區域的承載強度。通過ABAQUS、ANSYS 有限元軟件建立了腹板開孔式PEC 梁的有限元模型，仿真結果表明有限元模擬結果與試驗結果吻合良好。

在國內，西安建筑科技大學的郝際平、趙橋榮等[40]對非標準截面的部分填充式組合受彎構件的力學性能進行了研究。同濟大學的李煒、陳以一等[41]以系桿形式為變量，研究非標準截面的PEC 梁構件在純彎與剪彎受力狀態下的力學性能。南京工業大學的胡夏閩課題組對標準截面PEC 梁構件的撓度計算與分析[42]、受彎承載力與抗彎剛度[35]、粘結滑移性能[43]、受剪承載力[44,45]以及PEC 梁負彎矩區翼緣開裂彎矩和裂縫寬度[46]等進行了一系列試驗研究和理論分析。研究結果表明：①PEC 梁具有良好的抗彎承載能力和抵抗變形的能力；②混凝土強度、接觸面狀態及接觸長度是影響型鋼與混凝土間黏結滑移性能及PEC 梁受彎承載力和剛度的關鍵因素；引入考慮滑移的剛度折減系數法更加符合PEC 梁構件的實際撓度計算；③受剪承載力受栓釘（數量、直徑、布置方向）、型鋼翼緣寬度、黏結長度的影響較大，當栓釘數量由2 根或4 根連接時，受剪承載力分別可提高近100%和250%；而腹部箍筋的布置方式對極限荷載的影響較小；④在理論計算方面，提出了PEC 梁塑性受彎承載力的計算公式、縱向受剪承載力公式、黏結-滑移公式以及PEC 梁負彎矩區混凝土板開裂彎矩和裂縫寬度的計算公式。

2 部分填充式組合節點受力性能

相對于部分填充式組合構件的研究，部分填充組合節點（Partially Encased Composite Joints，PEC節點）、框架的研究則相對較少。在PEC 節點方面，比薩大學的Walter Salvatore[47]等對高延性的局部加強鋼-混凝土組合梁柱平面節點（邊節點、中節點）進行了設計、試驗及理論分析。該類型組合節點由PEC 柱、鋼梁（S 梁）及組合樓板組成，PEC 柱采用歐洲規范4 所推薦的標準截面構造，并通過文獻[48]中相關設計要求對節點抗力進行設計。在兩種假定的破壞機制條件下，通過靜力試驗分析得出，平面節點在強度和延性方面性能良好。在試驗研究的基礎上，Walter Salvatore 分別通過ABAQUS 軟件[49]和ADINA8.0.2 軟件[50]建立了PEC-S 組合節點的三維有限元模型，進一步對組合節點進行參數化分析。此外，該團隊提出一種基于“組件法”的力學分析模型[49]，通過該模型分析得到的力位移關系與歐洲標準比較，驗證了該力學模型的可靠性。米蘭理工大學的Vasdravellis G[51]通過試驗研究了在循環載荷下4 個足尺半剛性部分強度鋼混凝土組合節點的抗震性能。結果表明，4 個組合節點均具有較高的穩定性、延性及耗能性能，并達到了EC8 對高延性框架非彈性轉角的限值要求；填充混凝土內的箍筋可有效提高節點延性變形并避免發生脆性破壞；柱腹板對整個節點轉動的貢獻顯著；在考慮混凝土板作用下的節點區傳力機制、桿系模型得到了驗證。

內蒙古科技大學趙根田課題組[52,53]通過試驗研究，對焊接H 型鋼PEC 柱-鋼梁端板連接的邊節點進行抗震性能試驗研究。柱采用非標準截面構造的PEC 柱，梁為熱軋工型鋼梁，鋼梁與PEC 柱之間的連接形式主要有兩種，一種是鋼梁端板連接，另一種是鋼梁頂底角鋼連接，主要研究變量有節點蓋板厚度、角鋼厚度、螺栓距離（與蓋板相連角鋼短肢上螺栓中心到角鋼肢背的垂直距離）、荷載形式、端板厚度、加勁板、背墊板。系統性的分析了不同影響因素對節點破壞模式、應力應變、滯回性能、剛度、延性耗能和承載力的影響。結果表明，兩種連接形式的組合節點均有良好的抗震性能且滿足規范要求。蘇州科技學院方有珍教授對PEC 柱與鋼梁通過對拉螺栓連接的邊節點[54,55]、中節點[56-59]抗震性能進行研究，其中，PEC 柱分為薄鋼板PEC 柱或新型卷邊PEC 柱，PEC 柱與鋼梁的連接包括端板對拉螺栓連接和T 型連接件對拉螺栓連接兩類。考慮的影響因素有軸壓力、組合柱布置（強軸、弱軸）、梁端翼緣截面削弱位置變化、梁端T 型件與鋼梁的連接方式（螺栓連接、焊接連接）、T 型件類型（摩擦耗能T 形件、BRS 型T 形件）、是否設置預拉螺桿等作為設計參數，系統性的對節點的破壞模式、承載能力、滯回曲線、強度與轉動剛度退化、延性與耗能能力及節點傳力機理等力學性能進行了研究。結果表明：新型卷邊PEC 柱的卷邊措施、軸壓力、預拉對穿螺栓和預拉桿以及T 形件等均對節點的承載力、延性變形、能量耗散等性能具有重要影響。國內外僅同濟大學的傳光紅、陳以一等[60]對部分填充組合結構框架裝配節點進行了靜力試驗及受剪承載力計算。試件設計的節點域內布置橫向鋼筋和無鋼筋節點兩種，其中柱采用非標準截面構造的PEC 柱、梁為PEC 梁，在梁上下翼緣外側和腹板位置處通過端板與柱翼緣進行螺栓連接，翼緣連桿采用C 形連接方式，PEC 柱內不設置縱筋、箍筋、抗剪鍵等配件。

3 部分填充式組合框架結構抗震性能

基于前期對PEC 構件、節點的試驗和理論研究，以及取得的一些研究成果，研究人員后期對由構件、節點進一步擴展組成的框架結構進行抗震性能研究。如，Braconi A 和Bursi OS 團隊[61]在2010年，對采用標準截面的PEC 柱、鋼梁連接的三榀兩跨二層鋼-混凝土組合框架進行了多級擬動力抗震試驗和仿真分析。結果表明，通過梁端板彎曲屈服、柱腹板區域剪切屈曲實現了框架預期的設計，結構體系的構件和節點在受力、延性方面滿足歐洲規范8 的規定，達到非彈性響應要求。基于增量靜態和動態分析的仿真結果表明，所提出的組合框架體系表現出令人滿意的延性和超強度，并且為歐洲規范8 常規設計提供了安全系數值。在理論研究方面，提出一種基于恢復力面（Restoring Force Surface，簡稱RFS）的計算方法并應用于擬動力試驗數據的對比驗證。

趙根田等[62,63]對通過端板連接和頂底角鋼連接的框架結構進行了擬靜力試驗研究，以柱含鋼率、柱翼緣厚度、端板厚度、角鋼螺栓邊距和軸壓比為參數變量，研究骨架曲線、延性、耗能能力等抗震性能指標。結果表明：兩種連接形式的框架層間屈服機制為先期梁端截面形成塑性鉸，后期柱根部屈服，實現了利用塑性屈服耗能的設計目標；節點域填充混凝土形成斜壓帶傳力模式，滿足了節點域薄腹板的抗剪需求；結構具有良好的屈服機制和抗震性能。基于已研究的不同連接形式的PEC節點，方有珍等[64-71]提出了相應連接形式的框架結構，并對PEC 框架結構的抗震性能進行試驗和理論研究。結果表明：試件結構具有較高的承載力和初始抗側剛度；層間剪切角和節點連接轉角均滿足規范設計要求，具有良好的抗震倒塌性能。

綜上所述，目前國內外針對PEC 梁、柱構件的研究已較為廣泛，但對于PEC 節點及其框架結構的研究涉及較少，尤其是預制裝配式的PEC 節點及其框架結構的研究幾乎處于空白。目前國內外對PEC 節點及其框架結構的研究存在一些不足，如：國內外研究人員對PEC 節點、框架結構的研究尚未考慮組合樓板的作用，PEC 節點形式局限于平面內，對PEC 柱強軸方向的連接構造并不適用于弱軸方向的連接，此外，在已有的文獻中，存在PEC 柱與PEC 梁（S 梁）之間采用端板或角鋼連接的構造形式，該連接構造存在當外部荷載較大時，PEC 柱翼緣易發生嚴重屈曲或斷裂破壞現象，嚴重影響節點的抗震性能。

此外，通過查閱國內外鋼混組合結構設計規范可以發現，僅歐洲規范4 中有針對PEC 構件及節點的相關設計條文。如，EC4 中6.3～6.4 節對PEC 梁構件的應用范圍、受彎、受剪及同時承受彎剪作用時承載力計算，以及對PEC 梁構件側向受扭屈曲的簡化校對進行了規定；6.7 節中對PEC 柱構件的一般規定、一般設計方法、設計簡化方法、剪切連接與荷載介紹以及細部構造等方面，進行了詳細說明。第8 章中對組合框架節點的應用范圍、分析模型、分類、設計方法（基本規定、承載力、轉動剛度、轉動能力）及基本連接組件進行了規定。除上述外，針對組合節點的承載力、轉動剛度、轉動能力等規定，歐洲規范4 均按照歐洲規范3 中鋼結構節點設計相關規定進行計算。

4 裝配式部分填充鋼混組合節點的提出

針對當前國內外對PEC 節點及其框架結構研究存在的不足，結合我國建筑產業化和工業化的快速發展，本文提出一種適合裝配式的部分填充組合節點，它是由部分填充式組合柱（PEC 柱）、鋼扁梁、深肋組合樓板及輔助零部件組成。在裝配式的部分填充組合結構體系中，梁柱節點的連接技術及抗震性能是該新型結構體系研究的關鍵，其節點示意圖如圖2 所示，節點各部件三維拆分示意圖如圖3 所示。其中，柱構件采用PEC 柱，其截面形式既可采用圖1 所示的標準截面也可采用非標準截面，梁構件采用的是H 型鋼扁梁，組合樓板為深肋壓型鋼組合樓板，節點域內待各鋼部件連接好后與混凝土同時澆筑高強灌漿料。

圖2 節點示意圖Fig.2 Node schematic

圖3 節點拆分示意圖Fig.3 Node splitting schematic

本文提出的裝配式部分填充組合節點具有的優勢或特色主要表現在以下幾個方面，①在受力變形方面，通過節點及梁柱連接的構造設置，保證節點具有足夠的承載能力和延性耗能能力，實現梁端塑性鉸外移達到保護節點目的；②在節點及連接構造方面，通過設置上下翼緣環向連接板，保證了強、弱軸方向連接的靈活性；在強、弱軸腹板的焊接段設置開洞構造措施，可防止PEC 柱翼緣及節點域發生嚴重屈曲破壞和失穩現象；在節點域內安裝金屬阻尼器，既可提高節點豎向承載力，又可提高節點的水平剪切耗能性能；上下翼緣環向連接板與H 型鋼扁梁連接位置處腹板連接采用梅花式布置的高強螺栓，中心螺栓直徑尺寸大于其余四個角部螺栓，原因是考慮翼緣屈服后，腹板連接位置將形成轉動塑性鉸，較大直徑的中心螺栓將作為轉動中心，同時也可使其他角部螺栓充分發揮抗剪能力；③在梁板構件組成方面，通過采用H 型鋼扁梁，可使壓型鋼組合樓板支撐在鋼梁下翼緣，可避免房間內部鋼梁的外露；組合樓板自重輕，施工方便快捷；在房屋凈高保持不變的條件下，結構上最大限度的減少結構層高；④在施工與環保方面，PEC 柱、H 型鋼扁梁及深肋壓型鋼組合樓板的預制化程度高，現場裝配化安裝程度高；現場安裝施工簡便，人工需求低，消耗材料少，垃圾產量少，且質量可控，建造效率高，有利于實現裝配式建筑的智能建造，其經濟、社會、環保效益顯著，具有廣泛的推廣價值和應用前景。

5 結論與展望

通過對國內外最新成果的歸納總結發現，經過長期的理論和試驗研究，歐洲規范針對部分填充式鋼混組合結構已經形成了相對完整的設計理論和計算方法，但是近十年來國際上針對部分填充式鋼混組合結構基礎理論的后續研究相對較少。我國則是在近十年才開展對部分填充式鋼混組合構件、節點及框架結構的一系列基礎性研究，且研究人員、研究內容及研究方法相對集中，我國目前也尚未形成一套完整的技術規范或規程，亟需通過大量的試驗和理論研究來完善該類框架結構的設計計算和構造分析，為規范制定提供技術支撐和理論依據。

在PEC 組合構件方面，國內外學者針對不同截面形式、荷載作用、參數變量等影響因素，通過試驗或數值分析的方法，對PEC 構件的局部屈曲分析、抗扭剛度、承載力與撓度變形、防火性能、滯回特性、計算模型及構造措施等方面進行分析。結果表明PEC 構件具有良好的受力性能和抗震性能，肯定了PEC 構件在多高層結構抗震設計中的適用性。

在PEC 節點及其框架結構方面，國內外對PEC 節點及其框架結構的試驗和理論研究主要集中在平面節點、平面框架的層次，研究內容相對集中且不夠深入。針對PEC 節點在考慮組合梁板作用、雙向H 鋼截面的基本構造和設計方法、抗火性能設計、PEC 框架結構側向支撐設計及三維空間節點等方面尚未有涉及，應繼續廣泛深入的開展相關試驗和理論研究。

基于PEC 結構具有良好的裝配性能，可以在建筑工業化方面進行深入研究，對此，文中提出了更加適合預制裝配的部分填充鋼混組合節點，并對裝配式的PEC 節點構造和特點進行了闡述，通過對該新型組合節點的裝配化、產業化及模塊化等方面的研究，將更有利于我國建筑產業化快速發展。