閱讀 7551 次 鋼筋混凝土柱一組合梁節(jié)點(diǎn)的研究進(jìn)展

鋼筋混凝土柱一組合梁節(jié)點(diǎn)的研究進(jìn)展

任翠玲　胡夏閩　曾波

南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇南京210009

引言

    組合結(jié)構(gòu)作為一種比較新的結(jié)構(gòu)形式，在世界各國得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在組合結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用基礎(chǔ)上，近年來出現(xiàn)了一種新型的框架結(jié)構(gòu)形式，即鋼筋混凝土柱一組合粱框架結(jié)構(gòu)。鋼筋混凝土柱一組合粱框架結(jié)構(gòu)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(qiáng)度高、質(zhì)量輕、施工速度快的優(yōu)點(diǎn)。節(jié)約了鋼材、增加了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、減輕了結(jié)構(gòu)自重、降低了基礎(chǔ)造價(jià)，還可以減小構(gòu)件截面尺寸、增大有效使用空間、加快施工進(jìn)度，充分發(fā)揮了不同材料各自的優(yōu)點(diǎn)，具有優(yōu)良的性能和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

    組合節(jié)點(diǎn)是組合框架結(jié)構(gòu)中連接與傳力的樞紐，對框架整體受力性能的好壞起著關(guān)鍵的作用。組合節(jié)點(diǎn)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(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)；2)由鋼筋混凝土柱和鋼粱(或組合粱)所組成的組合結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)；3)鋼管混凝土柱一組合梁節(jié)點(diǎn)；4)鋼柱一組合粱節(jié)點(diǎn)等。本文所介紹的節(jié)點(diǎn)屬于第二類節(jié)點(diǎn)。

1、國外鋼筋混凝土柱一組合粱節(jié)點(diǎn)的研究現(xiàn)狀

    20世紀(jì)70年代末。美國的學(xué)者率先發(fā)明了由鋼筋混凝土柱和鋼梁組成的組合框架結(jié)構(gòu)體系。一開始，美國學(xué)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(tǒng)的中高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的一種改進(jìn)。日本對于此種框架結(jié)構(gòu)的研究起步較美國稍晚，約始于20世紀(jì)80年代，和美國不同，日本學(xué)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(jié)構(gòu)的一種延伸。在節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式方面，美國多采用粱貫通式，即鋼粱部分連續(xù)穿過鋼筋混凝土柱，這樣的設(shè)計(jì)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(jié)點(diǎn)處增設(shè)補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)件，如面承板或剪力釘?shù)龋�以增加�?jié)點(diǎn)區(qū)域的強(qiáng)度，粱柱節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度計(jì)算也必須依據(jù)不同的破壞模式區(qū)別對待。而日本多采用柱貫通式節(jié)點(diǎn)，即鋼梁不得連續(xù)穿過混凝土柱，而是連接在鋼筋混凝土柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域的周邊柱面鋼板上。

    從20世紀(jì)80年代到90年代．日本做了超過400個(gè)鋼筋混凝土柱一鋼粱節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)，美國做了36個(gè)該類節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)。其中比較重要的是在1989年由美國德克薩斯州立大學(xué) sheikh等人和Deiedein等人做的共15個(gè)粱貫通式中節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)(7個(gè)單謂荷載試件和8個(gè)循環(huán)荷載試件)，德克薩斯州立大學(xué)的試驗(yàn)結(jié)果表明：鋼筋混凝土柱一鋼梁節(jié)點(diǎn)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(biāo)志的破壞：鋼粱貫通型節(jié)點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度主要由核心區(qū)的混凝土和鋼粱腹板提供，面承板對節(jié)點(diǎn)抗剪起著重要作用；通過構(gòu)造措施可增大節(jié)點(diǎn)域混凝土抗壓和抗剪能力，從而大幅度提高節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度，但對剮度影響不大。在上述兩種破壞模式的基礎(chǔ)上，Schdkh、Deier- lein等人提出了鋼筋混凝土柱一鋼梁節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)模型，在已有設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)上提出中節(jié)點(diǎn)的名義強(qiáng)度計(jì)算公式和構(gòu)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(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則(美國土木工程協(xié)會(huì)l994年)的制訂奠定了基礎(chǔ)。科內(nèi)爾大學(xué)的Kalln0等人在1993年和l997年完成了19個(gè)粱貫通式中節(jié)點(diǎn)在循環(huán)荷載作用下的試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，鋼筋混凝土柱一鋼粱中節(jié)點(diǎn)可用于地震設(shè)防烈度較高的地區(qū)，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(jié)點(diǎn)外梁塑性鉸破壞、梁柱節(jié)點(diǎn)破壞、粱一節(jié)點(diǎn)混合破壞和柱破壞。日本在1994年也頒布了本國的規(guī)范一AU(日本建筑協(xié)會(huì))的鋼筋混凝土柱一鋼粱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。由于節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜、資金投人大，1997年至2004年，美國和日本合作進(jìn)行了鋼筋混凝土柱一鋼粱結(jié)構(gòu)的全面研究，其中的大部分試驗(yàn)都是針對節(jié)點(diǎn)的形式及其性能而展開的。

    在對混凝土柱一鋼粱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了大量的研究之后，人們開始把目光轉(zhuǎn)向混凝土板對節(jié)點(diǎn)的貢獻(xiàn)。l999年，德克薩斯A&M大學(xué)完成6個(gè)2/3比例的梁貫通式壓型鋼板組合粱一混凝土柱空間節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)(5個(gè)中節(jié)點(diǎn)，一個(gè)邊節(jié)點(diǎn))嗍，節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)性能的影響。所有6個(gè)試件在一個(gè)方向上的鋼粱保持貫通，連續(xù)穿過混凝土柱；另外一個(gè)方向上的鋼粱無法連續(xù)穿過節(jié)點(diǎn)，所以試驗(yàn)者采用不同的措施將其連接在節(jié)點(diǎn)處。研究表明。在負(fù)彎矩區(qū)內(nèi)，組合梁的混凝土板內(nèi)的鋼筋對抗彎承載力有顯著的貢獻(xiàn)；在正彎矩區(qū)內(nèi)，混凝土板通過承受壓力提高了梁的抗彎強(qiáng)度。試驗(yàn)還證明，在地震高烈度區(qū)中高層鋼筋混凝土柱一組合粱框架比鋼框架更為經(jīng)濟(jì)，而且擁有更好的抗震性能。2004年，美國密歇根大學(xué)Xuemei Lian9等人完成4個(gè)考慮混凝土板作用的空間節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)，采用了兩種節(jié)點(diǎn)連接方式。研究內(nèi)容包括：節(jié)點(diǎn)的破壞模式、節(jié)點(diǎn)的滯回性能、節(jié)點(diǎn)的變形、粱端的轉(zhuǎn)動(dòng)、節(jié)點(diǎn)各組成部分的應(yīng)變、樓層側(cè)移的組成等。研究表明，試件具有良好的強(qiáng)度、剛度和耗能能力；節(jié)點(diǎn)變形對框架的最大層間位移有很大的影響．在分析時(shí)如果考慮節(jié)點(diǎn)的變形，最多可以使最大層問位移增加35％。

    總之，試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼筋混凝土柱一組合粱節(jié)點(diǎn)能提供足夠的強(qiáng)度和延性。除了一般意義上內(nèi)部力傳遞機(jī)制的研究和設(shè)計(jì)模式的確立．上述研究還提供了關(guān)于下列構(gòu)造和設(shè)計(jì)要點(diǎn)的詳細(xì)的結(jié)論：l)柱承受軸向壓力可以提高節(jié)點(diǎn)性能。因?yàn)樵谥�承受軸向壓力時(shí)，混凝土抗彎和抗剪性能提高，從而提高了節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和剛度。2)鋼筋混凝土柱一組合梁的中節(jié)點(diǎn)和邊節(jié)點(diǎn)之間受力性能的區(qū)別沒有鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)那樣明顯，但是也有特殊情況，如對于中節(jié)點(diǎn)和邊節(jié)點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度就會(huì)有很大的區(qū)別，在設(shè)計(jì)時(shí)必須予以考慮。3)組合梁混凝土板的存在極大地提高了節(jié)點(diǎn)的極限強(qiáng)度。4)三維節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度對荷載是二維還是三維不是很敏感。5)試驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)規(guī)范(ASCE Cuideline1994)規(guī)定的節(jié)點(diǎn)處的橫向鋼筋數(shù)量偏于保守，尤其是對于上端和下端設(shè)置了鋼箍板的節(jié)點(diǎn)形式，橫向鋼筋數(shù)量可以大大減少。

2、國內(nèi)鋼筋混凝土柱一組合粱節(jié)點(diǎn)的研究現(xiàn)狀

    目前國內(nèi)對于鋼筋混凝土柱一組合粱節(jié)點(diǎn)的研究相對較少。2001年。天津大學(xué)的楊建江等人做了鋼梁一鋼筋混凝土柱節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載作用下的受力性能試驗(yàn)，共4個(gè)試件，分為鋼梁腹板穿過與不穿過節(jié)點(diǎn)核心區(qū)兩種情況。試驗(yàn)結(jié)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(jié)點(diǎn)核心區(qū)的試件的極限轉(zhuǎn)角和承載力高于腹板不穿過核心區(qū)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(jié)點(diǎn)核心區(qū)的水平和豎向箍筋對于約束核心區(qū)混凝土、控制核心區(qū)斜裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展、提高混凝土斜壓桿承受斜向壓力的能力和節(jié)點(diǎn)的延性的作用也相應(yīng)增大。

    2005年，湖南大學(xué)的肖巖等人進(jìn)行了兩組高強(qiáng)、足尺邊節(jié)點(diǎn)試件的模擬地震加載試驗(yàn)。這一類型連接的特點(diǎn)是直接通過后張拉高強(qiáng)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(diǎn)是螺栓規(guī)格和端板厚度。試驗(yàn)結(jié)果表明：1)該節(jié)點(diǎn)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(qū)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(qiáng)螺栓的預(yù)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(jié)點(diǎn)，對于鋼筋混凝土柱一組合梁節(jié)點(diǎn)。國內(nèi)學(xué)者也做了一些研究。2002年，西安建筑科技大學(xué)的馬宏偉等人對一種新的節(jié)點(diǎn)形式一連接鋼筋傳力的鋼混凝土組合粱、矩形復(fù)合螺旋箍混凝土柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)，試件為兩個(gè)足尺的中節(jié)點(diǎn)，具體構(gòu)造如圖2所示。組合粱混凝土中的負(fù)鋼筋貫通節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，而組合梁的鋼粱部分在柱表面斷開，另設(shè)貫通核心區(qū)的短鋼板與兩側(cè)鋼粱的腹板相搭接，節(jié)點(diǎn)兩側(cè)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(qū)混凝土用鋼板箍約束。試驗(yàn)結(jié)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(jié)點(diǎn)受力合理，構(gòu)造合理，節(jié)點(diǎn)區(qū)有較大的承載力。馬宏偉等人認(rèn)為該類節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力由節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土、鋼板箍和X筋提供，柱軸力也有一定貢獻(xiàn)。

    2003年，東南大學(xué)的陳林對鋼粱腹板穿過節(jié)點(diǎn)核心區(qū)并以對拉鋼筋代替翼緣穿過節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的鋼一混凝土組合粱與鋼筋混凝土柱組合結(jié)構(gòu)體系粱柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了偽靜力試驗(yàn)研究，做了4個(gè)試件，得出如下結(jié)論：節(jié)點(diǎn)具有較好的抗震性能；在節(jié)點(diǎn)區(qū)，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(qiáng)核心，滿足“強(qiáng)核心，弱構(gòu)件”的要求；在節(jié)點(diǎn)受剪承載力中，混凝土及鋼梁腹板可以承擔(dān)絕大部分剪力，內(nèi)設(shè)箍筋亦可以承擔(dān)一部分剪力，而鋼梁伸入核心的翼緣或?qū)�拉鋼筋與面承板組成的翼緣框所承擔(dān)的剪力較小，為安全起見，可以忽略。

    2007年．中南大學(xué)的陸鐵堅(jiān)等人對4個(gè)螺栓端板連接的混凝土柱一組合梁邊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了低周反復(fù)擬靜力加載試驗(yàn)，以剪力連接度為影響因素，對節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)、應(yīng)變規(guī)律、延性、滯回曲線等抗震性能進(jìn)行研究。試件的混凝土柱上設(shè)置兩塊端板，用高強(qiáng)螺栓對拉，鋼粱則焊接在端板上。試驗(yàn)結(jié)果表明：組合節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)試件的滯回曲線是明顯的棱形，介于鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)與混凝土節(jié)點(diǎn)之間，且比較豐滿、耗能性能好。

3、結(jié)語

    1)RCS組合框架結(jié)構(gòu)是一種良好的結(jié)構(gòu)形式，對承受軸壓力來講，鋼筋混凝土柱要比鋼柱相對經(jīng)濟(jì)得多，而組合梁的使用則可以增加跨度、節(jié)省空間，對于這種優(yōu)良的結(jié)構(gòu)形式，其重點(diǎn)就是開發(fā)出好的節(jié)點(diǎn)形式并掌握該節(jié)點(diǎn)形式的受力性能、設(shè)計(jì)方法等。

    2)目前國內(nèi)外對組合節(jié)點(diǎn)已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究。但針對鋼筋混凝土柱一組合粱節(jié)點(diǎn)的研究還比較少。國外研究的混凝土柱一組合粱節(jié)點(diǎn)比國內(nèi)較多．但節(jié)點(diǎn)形式不統(tǒng)一，構(gòu)造繁復(fù)，而且多偏向于中節(jié)點(diǎn)的研究；國內(nèi)研究的節(jié)點(diǎn)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(shè)計(jì)計(jì)算體系。

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)