鋼筋混凝土柱一組合梁節點的研究進展

任翠玲　胡夏閩　曾波

南京工業大學土木工程學院，江蘇南京210009

引言

    組合結構作為一種比較新的結構形式，在世界各國得到了越來越廣泛的應用。在組合結構的研究和應用基礎上，近年來出現了一種新型的框架結構形式，即鋼筋混凝土柱一組合粱框架結構。鋼筋混凝土柱一組合粱框架結構利用了鋼筋混凝土柱剛度大、耐火性好、耐久性好以及組合粱強度高、質量輕、施工速度快的優點。節約了鋼材、增加了結構的穩定性、減輕了結構自重、降低了基礎造價，還可以減小構件截面尺寸、增大有效使用空間、加快施工進度，充分發揮了不同材料各自的優點，具有優良的性能和技術經濟指標。

    組合節點是組合框架結構中連接與傳力的樞紐，對框架整體受力性能的好壞起著關鍵的作用。組合節點如果按照框架組合情況來分，目前主要有以下幾類：l)由鋼骨混凝土粱和鋼骨混凝土柱所組成的組合結構的節點；2)由鋼筋混凝土柱和鋼粱(或組合粱)所組成的組合結構的節點；3)鋼管混凝土柱一組合梁節點；4)鋼柱一組合粱節點等。本文所介紹的節點屬于第二類節點。

1、國外鋼筋混凝土柱一組合粱節點的研究現狀

    20世紀70年代末。美國的學者率先發明了由鋼筋混凝土柱和鋼梁組成的組合框架結構體系。一開始，美國學者嘗試用鋼筋混凝土柱代替原鋼框架的鋼柱，將它作為傳統的中高層建筑鋼結構的一種改進。日本對于此種框架結構的研究起步較美國稍晚，約始于20世紀80年代，和美國不同，日本學者嘗試用鋼梁代替鋼筋混凝土框架的混凝土粱，將這類框架視為鋼筋混凝土框架結構的一種延伸。在節點構造形式方面，美國多采用粱貫通式，即鋼粱部分連續穿過鋼筋混凝土柱，這樣的設計方案可以避免最大彎矩處焊接或螺栓連接對鋼粱的不利影響。并在粱柱節點處增設補強構件，如面承板或剪力釘等，以增加節點區域的強度，粱柱節點的強度計算也必須依據不同的破壞模式區別對待。而日本多采用柱貫通式節點，即鋼梁不得連續穿過混凝土柱，而是連接在鋼筋混凝土柱節點區域的周邊柱面鋼板上。

    從20世紀80年代到90年代．日本做了超過400個鋼筋混凝土柱一鋼粱節點試驗，美國做了36個該類節點試驗。其中比較重要的是在1989年由美國德克薩斯州立大學 sheikh等人和Deiedein等人做的共15個粱貫通式中節點試驗(7個單謂荷載試件和8個循環荷載試件)，德克薩斯州立大學的試驗結果表明：鋼筋混凝土柱一鋼梁節點有兩種破壞形式，第一種破壞形式是以鋼粱腹板屈服和混凝土受剪破壞為特征的破壞．第二種破壞形式是以鋼梁上下翼緣、柱邊緣混凝土壓碎為標志的破壞：鋼粱貫通型節點的抗剪強度主要由核心區的混凝土和鋼粱腹板提供，面承板對節點抗剪起著重要作用；通過構造措施可增大節點域混凝土抗壓和抗剪能力，從而大幅度提高節點的強度，但對剮度影響不大。在上述兩種破壞模式的基礎上，Schdkh、Deier- lein等人提出了鋼筋混凝土柱一鋼梁節點的設計模型，在已有設計規范的基礎上提出中節點的名義強度計算公式和構造措施。以上研究成果為美國最初的鋼筋混凝土柱一鋼梁節點設計準則(美國土木工程協會l994年)的制訂奠定了基礎。科內爾大學的Kalln0等人在1993年和l997年完成了19個粱貫通式中節點在循環荷載作用下的試驗。試驗表明，鋼筋混凝土柱一鋼粱中節點可用于地震設防烈度較高的地區，并得出鋼筋混凝土柱一鋼梁組合框架的4種基本破壞模式(圖1)，即節點外梁塑性鉸破壞、梁柱節點破壞、粱一節點混合破壞和柱破壞。日本在1994年也頒布了本國的規范一AU(日本建筑協會)的鋼筋混凝土柱一鋼粱節點設計準則。由于節點構造復雜、資金投人大，1997年至2004年，美國和日本合作進行了鋼筋混凝土柱一鋼粱結構的全面研究，其中的大部分試驗都是針對節點的形式及其性能而展開的。

    在對混凝土柱一鋼粱節點進行了大量的研究之后，人們開始把目光轉向混凝土板對節點的貢獻。l999年，德克薩斯A&M大學完成6個2/3比例的梁貫通式壓型鋼板組合粱一混凝土柱空間節點試驗(5個中節點，一個邊節點)嗍，節點采用雙向粱系，壓型鋼板組合板與鋼粱用栓釘連接，研究混凝土板對節點性能的影響。所有6個試件在一個方向上的鋼粱保持貫通，連續穿過混凝土柱；另外一個方向上的鋼粱無法連續穿過節點，所以試驗者采用不同的措施將其連接在節點處。研究表明。在負彎矩區內，組合梁的混凝土板內的鋼筋對抗彎承載力有顯著的貢獻；在正彎矩區內，混凝土板通過承受壓力提高了梁的抗彎強度。試驗還證明，在地震高烈度區中高層鋼筋混凝土柱一組合粱框架比鋼框架更為經濟，而且擁有更好的抗震性能。2004年，美國密歇根大學Xuemei Lian9等人完成4個考慮混凝土板作用的空間節點試驗，采用了兩種節點連接方式。研究內容包括：節點的破壞模式、節點的滯回性能、節點的變形、粱端的轉動、節點各組成部分的應變、樓層側移的組成等。研究表明，試件具有良好的強度、剛度和耗能能力；節點變形對框架的最大層間位移有很大的影響．在分析時如果考慮節點的變形，最多可以使最大層問位移增加35％。

    總之，試驗結果表明，鋼筋混凝土柱一組合粱節點能提供足夠的強度和延性。除了一般意義上內部力傳遞機制的研究和設計模式的確立．上述研究還提供了關于下列構造和設計要點的詳細的結論：l)柱承受軸向壓力可以提高節點性能。因為在柱承受軸向壓力時，混凝土抗彎和抗剪性能提高，從而提高了節點的強度和剛度。2)鋼筋混凝土柱一組合梁的中節點和邊節點之間受力性能的區別沒有鋼筋混凝土節點那樣明顯，但是也有特殊情況，如對于中節點和邊節點的抗剪強度就會有很大的區別，在設計時必須予以考慮。3)組合梁混凝土板的存在極大地提高了節點的極限強度。4)三維節點試驗數據顯示，節點強度對荷載是二維還是三維不是很敏感。5)試驗證明，設計規范(ASCE Cuideline1994)規定的節點處的橫向鋼筋數量偏于保守，尤其是對于上端和下端設置了鋼箍板的節點形式，橫向鋼筋數量可以大大減少。

2、國內鋼筋混凝土柱一組合粱節點的研究現狀

    目前國內對于鋼筋混凝土柱一組合粱節點的研究相對較少。2001年。天津大學的楊建江等人做了鋼梁一鋼筋混凝土柱節點在低周反復荷載作用下的受力性能試驗，共4個試件，分為鋼梁腹板穿過與不穿過節點核心區兩種情況。試驗結果表明：在柱截面尺寸和軸壓比相同的情況下，鋼梁腹板穿過節點核心區的試件的極限轉角和承載力高于腹板不穿過核心區的試件，而且前者比后者具有更好的耗能能力、抗裂度和剛度；隨著水平和豎向配箍率的增加，節點核心區的水平和豎向箍筋對于約束核心區混凝土、控制核心區斜裂縫的產生和發展、提高混凝土斜壓桿承受斜向壓力的能力和節點的延性的作用也相應增大。

    2005年，湖南大學的肖巖等人進行了兩組高強、足尺邊節點試件的模擬地震加載試驗。這一類型連接的特點是直接通過后張拉高強螺栓將鋼粱端板與柱連接起來，其中鋼粱與端板采用全熔透V型對接焊縫。兩組試件的不同點是螺栓規格和端板厚度。試驗結果表明：1)該節點具有較高的承載力、良好的延性和耗能能力，可適用于地震區高層抗彎框架體系中。2)影響其抗震性能的主要因素是高強螺栓的預拉力和端板的厚度。

    以上研究主要針對鋼筋混凝土柱一鋼粱節點，對于鋼筋混凝土柱一組合梁節點。國內學者也做了一些研究。2002年，西安建筑科技大學的馬宏偉等人對一種新的節點形式一連接鋼筋傳力的鋼混凝土組合粱、矩形復合螺旋箍混凝土柱節點進行了試驗，試件為兩個足尺的中節點，具體構造如圖2所示。組合粱混凝土中的負鋼筋貫通節點核心區，而組合梁的鋼粱部分在柱表面斷開，另設貫通核心區的短鋼板與兩側鋼粱的腹板相搭接，節點兩側的鋼粱翼緣用6根短鋼筋相連，4根直通，2根彎成X筋，核心區混凝土用鋼板箍約束。試驗結果表明，該組試件為粱塑性鉸破壞，該類連接鋼筋傳力的組合節點受力合理，構造合理，節點區有較大的承載力。馬宏偉等人認為該類節點的抗剪承載力由節點區混凝土、鋼板箍和X筋提供，柱軸力也有一定貢獻。

    2003年，東南大學的陳林對鋼粱腹板穿過節點核心區并以對拉鋼筋代替翼緣穿過節點核心區的鋼一混凝土組合粱與鋼筋混凝土柱組合結構體系粱柱節點進行了偽靜力試驗研究，做了4個試件，得出如下結論：節點具有較好的抗震性能；在節點區，由腹板、對拉鋼筋及柱邊面承板所組成的“鋼框架”，可與混凝土共同形成為強核心，滿足“強核心，弱構件”的要求；在節點受剪承載力中，混凝土及鋼梁腹板可以承擔絕大部分剪力，內設箍筋亦可以承擔一部分剪力，而鋼梁伸入核心的翼緣或對拉鋼筋與面承板組成的翼緣框所承擔的剪力較小，為安全起見，可以忽略。

    2007年．中南大學的陸鐵堅等人對4個螺栓端板連接的混凝土柱一組合梁邊節點進行了低周反復擬靜力加載試驗，以剪力連接度為影響因素，對節點的破壞形態、應變規律、延性、滯回曲線等抗震性能進行研究。試件的混凝土柱上設置兩塊端板，用高強螺栓對拉，鋼粱則焊接在端板上。試驗結果表明：組合節點的剛度退化隨荷載增加而增大，其延性及耗能能力均隨剪力連接度的減小而減小；節點試件的滯回曲線是明顯的棱形，介于鋼結構節點與混凝土節點之間，且比較豐滿、耗能性能好。

3、結語

    1)RCS組合框架結構是一種良好的結構形式，對承受軸壓力來講，鋼筋混凝土柱要比鋼柱相對經濟得多，而組合梁的使用則可以增加跨度、節省空間，對于這種優良的結構形式，其重點就是開發出好的節點形式并掌握該節點形式的受力性能、設計方法等。

    2)目前國內外對組合節點已經進行了廣泛的研究。但針對鋼筋混凝土柱一組合粱節點的研究還比較少。國外研究的混凝土柱一組合粱節點比國內較多．但節點形式不統一，構造繁復，而且多偏向于中節點的研究；國內研究的節點形式相對較為簡明．但由于研究不充分，目前還沒有形成完整的設計計算體系。

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)