基于鋼管混凝土柱的梁柱混合節點研究進展分析

曹瑞雪 （中鐵四局集團建筑工程有限公司，安徽 合肥 230022）

1 引言

近年來，隨著建筑領域的不斷發展和創新，梁柱節點作為結構設計的關鍵組成部分備受關注。梁柱節點是建筑結構中至關重要的組成部分，承載著連接梁和柱以及傳遞和轉移荷載的重要任務[1]。國內外學者對梁柱節點開展了大量的研究工作，并研發了多種節點連接形式。新材料的應用、優化設計方法的發展和先進的施工技術的引入，都為梁柱節點的開發和應用提供了新的可能性。

鋼管混凝土柱可充分發揮外包鋼管和內填混凝土兩種材料的優勢，具有強度高、塑性好、抗震性能優越和施工便捷等優勢[2-3]，廣泛應用于高層建筑、大跨空間結構、橋梁工程和工業建筑等領域。目前鋼管混凝土柱-鋼梁連接節點在工程領域得到了系統的研究和成熟的應用。然而，隨著結構跨度的增大或者荷載的增加，型鋼混凝土梁、鋼筋混凝土梁及其預應力梁因建造成本較低等原因常與鋼管混凝土柱連接，形成新型結構體系。其梁柱混合連接節點的設計和施工依然存在挑戰，需要設計師和工程師不斷探索和實踐，以確保梁柱節點的可靠性和安全性。為此，本文綜述了此類梁柱混合節點的連接類型、試驗研究、數值模擬、理論分析及其工程應用，并進一步拓展了梁柱混合節點研究內容，為理論研究和工程應用提供技術支撐。

2 基于鋼管混凝土柱的梁柱混合節點

為了使鋼管混凝土組合結構能夠更好地應用于土木工程領域，國內外學者研發了基于鋼管混凝土柱的梁柱混合節點，主要包括三種節點類型，即鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁混合節點、鋼管混凝土柱-型鋼混凝土梁混合節點和鋼管混凝土柱-預應力混凝土梁混合節點。

2.1 鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁混合節點

鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁的連接形式主要分為加強環式節點、鋼筋貫通式節點、環梁式節點、螺栓連接式節點等。目前，針對鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁混合節點的研究已較為成熟，很多學者對該類節點進行了試驗分析與理論計算，同時對該類節點進行了有限元模擬，根據參數分析結果提出了相應承載力簡化計算模型和設計方法。

2.1.1 加強環式混合節點

黃俊等[4]提出了一種外加強環筋式T 形鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁混合節點，如圖1 所示。外加強環筋式混合節點是用環筋取代大尺寸的環板，通過環筋加大牛腿與鋼管焊接處的剛度，提高了節點的抗彎和抗剪能力，保證了鋼管的整體性。并且通過ABAQUS 有限元軟件對節點進行抗震性能分析，結果表明，梁的配筋對節點的承載力和抗震性能影響最大。

圖1 外加強環筋式T形鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁節點[4]

李彥鵬等[5]對兩種鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁節點進行了有限元分析，如圖2 所示。一類為設置了抗剪環的鋼筋焊接節點，另一類為采用了長圓形螺栓孔的螺栓過渡板連接節點，通過對兩種節點承載力、應力分布及耗能能力的研究，給出了相應的節點荷載-位移曲線。

圖2 兩種鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁節點[5]

2.1.2 鋼筋貫通式混合節點

堯國皇等[6]提出了一種鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁的新型混合節點。在鋼筋混凝土梁與鋼管混凝土柱連接區的鋼管局部開矩形孔，使鋼筋混凝土梁中的縱向鋼筋貫穿節點不截斷，從而使節點域混凝土與混凝土梁形成整體，方便施工且保證了節點剛度，如圖3 所示。通過4 個節點試件的試驗研究了節點的破壞過程、破壞形態和耗能性能。結果表明，試件的滯回曲線飽滿，試件達到極限狀態時，節點尚未破壞，僅梁發生了開裂破壞，證實了此類節點的可行性，滿足“強柱弱梁、強節點弱構件”的抗震設計原則。

圖3 鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁的新型節點形式[6]

Han L等[7]對薄壁鋼管混凝土柱-鋼筋混凝梁柱節點進行了循環加載試驗，典型節點如圖4 所示。結果表明，雙向鋼管混凝土節點具有良好的抗震性能，在實際工程中，尤其是在高設防烈度區，具有較好的應用前景。

圖4 薄壁鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁節點[7]

Gan D 等[8]提出了一種方形薄壁鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁的混合節點。節點中混凝土梁的縱向受力鋼筋通過鋼管內的矩形孔連續穿過節點域，以實現梁的荷載直接傳遞和節點的完整性，方形帶孔薄壁鋼管采用內隔板加固，如圖5 所示。試驗結果表明，內隔板有效地提高了節點的強度和延性。

圖5 方形薄壁鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁節點[8]

Wang Qingxiang 等[9]給出了由6 種連接件連接的鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁混合節點在循環往復荷載作用下的試驗結果，節點由鋼管混凝土柱、鋼筋混凝土梁和預制連接鋼筋三部分組成，預制連接鋼筋通過鉆孔穿過鋼管，鋼筋兩頭分別焊有法蘭，梁的鋼筋分別焊接在法蘭頂部和底部的表面上，如圖6 所示。結果表明，節點延性直接依賴于鋼筋混凝土梁，鋼管對連接的強度只起到部分作用。

圖6 鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁節點[9]

Zhang Y F 等[10]提出了一種內外雙層鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁混合節點，節點核心區內部的圓形鋼管貫通核心區，而外部方形鋼管在核心區外打斷。兩層鋼管之間預埋貫通的縱筋，核心區通過箍筋和貫通縱筋進行補強，如圖7所示。共對4 個混合節點進行低周循環加載試驗，均發生了梁端破壞，荷載-位移滯回曲線的捏縮效應較明顯，提高環梁配箍率可提高梁端承載力，使破壞區域靠近節點核心區。

圖7 內外雙層鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁節點[10]

Tang X L 等[11]提出了一種新型鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁混合節點，柱內鋼管在節點域斷開，通過在鋼管內預埋貫通的縱向受力鋼筋保證節點域的連續性，并在節點域內通過箍筋和多層鋼筋網進行補強，如圖8所示。對5個節點構件進行了試驗研究，發現節點核心區與梁的配筋率比值大于0.74，并且當節點核心區橫截面積與柱橫截面積比值大于4 時，可以保證“強柱弱梁”的設計原則。

2.1.3 環梁式混合節點

CHEN Q J 等[12]提出了一種鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁節點，在節點核心區設置環梁，鋼管在節點核心區處開孔，用于通過鋼筋混凝土梁內的縱向受力鋼筋以保證其受力的連續性，如圖9所示。通過6 個該類型節點的低周循環加載試驗，驗證了節點連接方式的可靠性。試驗結果表明環梁式混合節點連接能夠保證“強節點弱構件”的設計原則。精細化有限元分析結果發現高軸壓比可以提高節點承載力，但會降低節點延性。

圖9 鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁環梁節點[12]

Wang W 等[13]進行了4 個圓鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁節點滯回試驗，試件采用環梁連接，鋼管周圍焊有圓形或方形鋼筋作為抗剪肋，鋼筋混凝土框架梁鋼筋不穿過鋼管，通過錨定的方式連接，如圖10 所示。試驗結果表明，環梁處于復雜應力狀態，鋼管直徑和環梁縱筋率對環梁連接受力性能有重要影響。

圖10 圓鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁節點[13]

2.1.4 螺栓連接式混合節點

ZHA X X 等[14]進行了鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁螺栓連接節點試驗研究，該節點通過在節點核心區布置連接器將梁內縱筋與連接器螺栓連接，如圖11 所示。縱筋螺栓連接可以避免施工現場焊接出現明火，也有利于加快施工進度。通過兩個混合螺栓連接節點的低周循環加載試驗，發現承載力的提高對荷載-位移曲線的下降段影響較小，軸壓比越高，下降段剛度越大。

圖11 鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁螺栓連接節點[14]

2.2 鋼管混凝土柱-型鋼混凝土梁混合節點

區別于普通混凝土梁節點，鋼管混凝土柱-型鋼混凝土梁混合節點，是將鋼與混凝土重新進行組合，將型鋼埋入混凝土中，極大地增強了混凝土梁結構的承載能力、剛度及延性。同時型鋼與鋼管有著材料同一性和可塑性的特點，無論是鋼材焊接還是螺栓連接均可以提高安裝效率。為此，學者研發了多種鋼管混凝土柱-型鋼混凝土梁的混合連接節點。

吳詠龍[15]提出了一種方鋼管混凝土柱-型鋼混凝土梁新型節點，節點域沿著主梁方向型鋼不斷開，型鋼貫通鋼管混凝土柱，如圖12 所示。通過有限元軟件建立的精細化分析模型對其進行了抗震分析，新型節點滿足“強柱弱梁，強節點弱構件”的構造要求，并且節點的抗震和承載能力良好。

圖12 方鋼管混凝土柱-型鋼混凝土梁節點[15]

FENG S 等[16]提出了一種連接鋼管混凝土疊合柱與型鋼混凝土梁的新型混合節點，其中部分型鋼埋在預制混土梁中，鋼管混凝土柱外包混凝土，縱筋鋼筋直接焊接至預埋型鋼梁上下翼緣表面，鋼管混凝土疊合柱與型鋼短梁通過焊接形式連接，如圖13 所示。通過試驗研究發現該節點具有較好的延性與耗能能力。

圖13 鋼管混凝土疊合柱-型鋼混凝土節點[16]

MOSHEER K A-M 等[17]針對鋼管混凝土柱-冷彎薄壁型鋼混凝土梁連接節點進行了試驗研究，如圖14 所示。在靜荷載下研究了4 個試樣，結果表明，由于鋼材有效面積的增加，節點承載能力和韌性都得到了提高；由于鋼管和冷成形鋼板段的約束效應，混凝土強度得到了提高；添加鋼板可以控制裂縫寬度、減少裂縫長度。

圖14 鋼管混凝土柱-冷彎薄壁型鋼混凝土梁[17]

XU X 等[18]提出了一種混凝土鋼管柱-U 型鋼混凝土梁連接節點，并且針對該節點開展了循環載荷試驗。該節點鋼管柱上有四個溝槽切口，使得橫梁的主雙C 通道和雙C 通道完全穿過節點，在主雙C 通道上有相同的凹槽切口，以允許橫梁的雙C 通道通過，U 型鋼梁的弧形腹板用鋼板焊接到雙C 通道上，上下尖牙分別焊接在鋼管柱和拱形鋼支架上，如圖15 所示。試驗結果表明，軸向荷載對連接件的承載能力影響較大，且軸向荷載越大，延性越差，可以通過提高節點的配筋率來提高提高節點承載和耗能能力。

圖15 混凝土鋼管柱-U型鋼混凝土梁節點[18]

ZHAO Y C 等[19]和古松等[20]針對鋼管混凝土柱-型鋼混凝土梁節點，通過有限元法的非線性分析，采用循環往復載荷對模型進行加載模擬，探討了節點承載力、耗能能力以及動力響應。

鄧國專[21]對鋼管混凝土柱-型鋼混凝土梁加強環節點進行了試驗研究和分析，節點構造如圖16 所示，鋼管混凝土柱外側焊接加強環板，結果表明，外加強環影響了節點承載力，通過改變節點加強環板的寬度，可以改變節點承載力與梁構件承載力之間的大小關系，從而滿足抗震設計的“節點更強”的原則。

圖16 鋼管混凝土柱-型鋼混凝土梁加強環節點[21]

何樂平等[22]提出了一種適用于快速施工的新型矩形鋼管混凝土柱-型鋼混凝土梁貫通式節點，通過工字鋼穿插形式完成節點貫通及拼接，節點工字鋼穿插示意圖如圖17 所示。對4 個節點進行擬靜力加載試驗，從試件的滯回曲線、剛度、延性等方面探討了節點的抗震性能。結果表明，節點剛度較大，滿足規范設計要求，同時可避免核心混凝土澆筑困難的問題。

圖17 工字鋼穿插示意圖[22]

陳振明等[23]針對超高層鋼結構建筑，提出了一種鋼牛腿式鋼管混凝土柱-型鋼混凝土梁混合節點。該節點應用環梁包覆，鋼管通過焊接鋼牛腿起到連接過渡的作用，梁中焊接型鋼與鋼牛腿以達到節點連接的目的，具體連接方式如圖18所示。

圖18 鋼牛腿式鋼管混凝土柱-型鋼混凝土梁節點[23]

2.3 鋼管混凝土柱-預應力混凝土梁混合節點

鋼管混凝土柱-預應力混凝土梁混合節點，不僅能夠發揮鋼管和混凝土兩種材料高強度、良好延展性、抗疲勞性和抗沖擊性的優勢，同時可以結合預應力梁的超強抗壓、承載力大、性價比高、整體剛性好和抗震性強等多種優勢，彌補其容易開裂、抗拉性能差等缺點，充分利用高強度材料（高強度混凝土、高強度鋼筋），提高結構的安全性和耐久性。但是由于節點的復雜性，針對鋼管混凝土柱和預應力混凝土梁相結合的混合節點形式比較欠缺，僅少數學者進行了相應研究。

方梅等[24]和邱劍等[25]對3 個鋼管混凝土柱-預應力混凝土梁節點試件進行了低周往復加載試驗，該節點在核心區鋼管上留有預應力孔洞，預應力筋穿管而過，如圖19 所示。試驗研究了不同預應力對試件的破壞形態、滯回曲線、剛度、延性及耗能能力等的影響。結果表明，預應力使得梁下部受拉區域的剛度退化加快，耗能性能降低，預應力對節點受力性能影響比較明顯。

圖19 鋼管混凝土柱-預應力混凝土梁節點[24-25]

林聰等[26]采用有限元軟件ABAQUS 對圓鋼管混凝土柱-預應力混凝土梁混合節點在受力過程中混凝土梁的裂縫發展機理以及節點域內鋼筋、環板、牛腿、抗剪環的應力分布情況進行了深入研究，探明了預應力在受力過程中對試件受剪性能的影響規律，并在此基礎上對試件進行了不同預應力的參數分析。結果表明，預應力提高了節點的開裂荷載、屈服荷載和受剪承載力。有限元分析模型如圖20所示。

圖20 圓鋼管混凝土柱-預應力混凝土梁節點[26]

丁陽等[27]對一種新型鋼管混凝土柱-預應力混凝土梁T 形混合節點進行了數值模擬，節點設計如圖21 所示。采取低周往復加載試驗和數值模擬相結合的研究方法，通過對節點破壞形態、剛度、延性、節點承載力以及耗能能力進行分析。結果表明，該節點具有良好的延性、承載力以及耗能能力，滿足規范的大震設計要求，節點域剛度大、剪切變形小。

圖21 鋼管混凝土柱-預應力鋼筋混凝土梁T形混合節點[27]

范業庶[28]針對鋼管混凝土柱與預應力鋼筋混凝土梁相交形成的梁柱節點，通過對5 個試件進行低周反復荷載試驗研究，主要考察其在地震作用下的破壞形態、受力機理、節點強度、剛度、延性、耗能能力來評判其抗震性能，如圖22 所示。結果顯示，預應力很好地減小了結構變形，滿足結構“強柱弱梁”的設計原則。

圖22 鋼管混凝土柱-預應力鋼筋混凝土梁節點[28]

宋曦麟[29]、侯志勇[30]和肖寶第[31]對鋼管混凝土柱-無粘結預應力混凝土框架梁進行了分析研究，水平結構采用無粘結預應力混凝土框架梁，豎向結構采用鋼管混凝土柱，二者有機結合，相較傳統結構梁柱截面變得更小，梁柱承載力得到了大幅提高，具有更大的優勢。同時，無粘結預應力混凝土梁施工工藝簡單、操作方便、可有效利用施工空間。

3 混合節點工程應用

在工程結構中，為了滿足獨特的設計及構造要求，預應力梁柱混合節點能夠很好地解決結構設計遇到的技術難題。

杭州東站站臺層采用了鋼管混凝土柱-預應力混凝土梁結構[32]。站房結構體系受力明確，與建筑形態相契合。通過大量的結構分析和必要的結構和節點試驗，對復雜結構和節點受力進行了理論分析和驗證，在確保結構安全性和經濟性的前提下，結構設計提升了建筑的使用功能和建筑形態，如圖23 和24 所示。

圖23 杭州東站[32]

圖24 節點預應力管道布置圖[32]

田記旺[33]以蘭州中川機場二期擴建航站樓工程為例，如圖25 所示，重點對鋼管混凝土柱-預應力混凝土梁節點施工關鍵技術進行介紹。

圖25 蘭州中川機場二期[33]

貴陽北站[34]高架候車層采用了大跨度預應力混凝土梁，如圖26 所示，鋼管混凝土柱-預應力混凝土梁節點是保證結構承載力和抗震性能的關鍵。該項目節點預應力筋貫穿鋼管混凝土柱，鋼管預留貫穿長圓孔，鋼管內部焊接內隔板，外部焊接外環板用以補強，避免了過度開孔穿筋對鋼管造成過大削弱。節點構造圖如圖27所示。

圖26 貴陽北站[34]

圖27 節點構造圖[34]

高志宏[35]以呼和浩特東站站房為例（圖28），采用ADINA 有限元軟件建立鋼管混凝土柱-預應力型鋼混凝土梁節點模型（圖29），研究了節點區域加強環板設置方式、厚度及預應力截斷位置對節點受力性能的影響。結果表明，預應力筋在2.5 倍型鋼梁高以外截斷對節點的影響不大。

圖28 呼和浩特東站站房[35]

圖29 節點有限元模型圖[35]

4 鋼管混凝土柱-預應力鋼筋混凝土梁（擬開展研究）

4.1 工程概況

廣州至汕尾鐵路新塘站站房位于廣州市增城區新塘鎮站前路以南、環城路以北、規劃一路以東、新源路以西。新塘站建筑規模約為18 萬m2，站房主體為3層，局部為4 層。建筑總高度為33.9m，站臺層到屋面最高點為40.9m，站房分為站臺層、地面候車層、高架進站層和商業夾層。新塘站站房屋蓋為大跨度空間結構，其中南北側區域為網架結構、中間區域為桁架結構，建設中的新塘站如圖30所示。

圖30 廣州新塘站

預應力工程施工范圍為9.75m候車層、16.75m 進站層，框架梁中采用直徑15.2mm 有粘結預應力型式，樓板中采用直徑15.2mm無粘結預應力型式。

4.2 混合節點設計

本工程候車層為圓鋼管混凝土柱-預應力鋼筋混凝土梁混合結構，采用了環梁節點和鋼牛腿設計，如圖31 所示。圓鋼管混凝土柱截面尺寸為鋼管半徑750mm，壁厚40mm，高度12000mm，內灌C40 混凝土；主梁尺寸為1100mm×1600mm，總長18000mm，澆筑C40 混凝土；節點環梁直徑2700mm，高2300mm，澆筑C40 混凝土；采用直徑15.2mm 低松弛鋼絞線作為預應力筋，預應力波紋管貫穿梁柱節點核心區。

圖31 廣州新塘站鋼管混凝土柱-預應力鋼筋混凝土梁節點

為了檢驗應用于該工程的混合節點受力的可靠性和抗震的安全性，并提出相應的抗震設計方法，同時為規范修訂和工程應用提供技術支撐。結合實驗室條件，按照1:5 的相似比原理設計加工了2 個節點試件，其中一個試件與實際工程保持一致，另一個試件去除鋼牛腿形成對比件，未澆筑混凝土的試件如圖32所示。

圖32 縮尺的鋼管混凝土柱-預應力混凝土梁節點試件

4.3 試驗裝置

采用實驗室的MTS 作動器擬開展循環往復加載試驗，分析試件在加載全過程中的承載能力、變形能力、裂縫發展規律、鋼筋屈服順序和傳力分配機理，檢驗混合節點受力的可靠性和安全性。擬采用的加載裝置如圖33 所示，低周反復加載制度如圖34 所示，每級加載位移下進行2～3 個循環。當測得的水平向柱端荷載下降到峰值荷載的85%以下時停止加載。

圖33 試驗裝置

圖34 加載制度

5 結束語

本文通過對基于鋼管混凝土柱的梁柱混合節點的綜述，主要得出以下結論。

綜合國內外研究現狀，鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁連接節點主要分為加強環式、鋼筋貫通式、環梁式和螺栓連接式混合連接節點。

鋼管混凝土柱-型鋼混凝土梁節點構造根據梁柱整體性主要區分為兩大類，一類鋼管柱在節點處斷開，梁貫穿節點，另一類型鋼梁在節點處斷開，鋼管柱貫穿節點。

通過對預應力結構的數值模擬以及試驗研究，試驗結果都表明預應力能夠增大節點承載力及提高結構的耗能能力。

提出的各類基于鋼管混凝土柱的梁柱混合節點基本均滿足“強柱若梁，強節點弱構件”的設計原則。在試驗驗證和理論計算的基礎上，已應用于多個實際工程項目，并帶來了良好的經濟和社會效益。