淺談ＲＣＳ組合結構節(jié)點設計技術

李建華

[摘要]RCS組合結構體系充分發(fā)揮了鋼筋混凝土柱和鋼梁的優(yōu)點，在建筑工程實際中得到越來越廣泛的應用。首先探討日本和美國的RCS節(jié)點主要構造方案，隨后簡單介紹RCS節(jié)點計算模型，最后介紹節(jié)點設計中的節(jié)點區(qū)有效尺寸問題。

[關鍵詞]RCS組合結構 節(jié)點設計 構造方案 節(jié)點計算模型

中圖分類號：TB1文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0510078－01

RCS組合結構體系即由鋼筋混凝土柱與鋼梁組成的組合框架結構體系，它是二十世紀八十年代初期，美國率先在傳統的鋼筋混凝土框架結構、鋼結構以及后來的型鋼混凝土框架結構的基礎上成功的開發(fā)出了一種新型的結構體系。由于鋼筋混凝土柱相對于鋼柱來說有著明顯的經濟優(yōu)勢，并且有良好的承載力及穩(wěn)定性，在水平力作用下可以提供較大的抗側剛度，能提高結構的阻尼比；用鋼梁取代傳統的鋼筋混凝土框架梁則可以節(jié)省樓蓋混凝土的模板及其支撐，加快施工進度，在相同的荷載及跨度下鋼梁的高度可以大大降低，降低了結構層高，因而增加了空間的利用率，同時還可以減輕樓蓋自重，降低地震作用所引起的水平荷載等。RCS組合結構即充分發(fā)揮了上述兩種材料各自的優(yōu)點，因而在工程應用中被越來越廣泛的采用。本文即簡要探討RCS組合結構的節(jié)點設計技術。

一、RCS節(jié)點主要構造方案

RCS組合結構節(jié)點中同時包含了混凝土、鋼筋以及鋼材等三種不同性質的材料，問題的關鍵在于如何將這幾種材料在節(jié)點處進行組合，以使其滿足鋼梁與鋼筋混凝土柱之間復雜應力的傳遞要求，進而充分發(fā)揮這種組合結構的優(yōu)勢。

（一）“柱貫通式”節(jié)點構造方案

“柱貫通式”節(jié)點構造方案研究比較成熟的是日本。其典型的“柱貫通式”節(jié)點構造方案中，為了保證混凝土柱的連續(xù)性，通常會將鋼梁翼緣在柱表面處截斷，僅僅鋼梁腹板貫穿節(jié)點，同時采用比較厚的鋼板箍或面承板將鋼梁與柱連接起來。這一構造形式兼顧了對節(jié)點區(qū)混凝土的有效約束以及施工中混凝土澆搗的方便，但同時也存在一些問題：從結構受力性能上考慮，在支座部位鋼梁受到比較大的彎矩和剪力，其中鋼梁翼緣擔負著將彎矩轉換成拉、壓力傳到節(jié)點區(qū)的任務，而在受力最大部位將其截斷，則翼緣中的力如何傳遞到節(jié)點區(qū)域就成了這種構造形式必須解決的一個問題?！爸炌ㄊ健惫?jié)點構造非常復雜，對施工技術的要求很高，而且由于鋼梁翼緣的截斷，阻斷了力的直接傳遞，雖然改用各種構造措施也可以來彌補，但不可避免的改變了力的傳播方向，終究還是違背了力應該按照最短路徑來傳遞的規(guī)律。1994年，日本建筑學會（AIJ（RCS組合結構分會總結了以前的研究開發(fā)成果，制定了《RCS組合結構節(jié)點設計準則》，并將上述RCS組合結構節(jié)點歸類為12種標準類型，包括柱面鋼板型、面承板型、延長式面承板型、內鑲或外露橫隔板型以及局部鋼骨混凝土梁型等。

（二）“梁貫通式”節(jié)點構造方案

“梁貫通式”節(jié)點構造方案研究比較多的國家是美國。這種節(jié)點構造方案即鋼梁連續(xù)穿過鋼筋混凝土柱，鋼梁之間的連接部位設置在遠離節(jié)點區(qū)的跨中受力較小處，從而避免了在構造和受力都相當復雜的節(jié)點區(qū)將鋼梁截斷而造成的違反結構概念設計的情況?！傲贺炌ㄊ健惫?jié)點中采用了以下構造措施來加強節(jié)點的受力能力：①面承板（Face Bearing Plate，簡稱FBP）它是焊接在鋼梁上下翼緣之間的鋼板，類似于鋼梁中的加勁肋，其外表面與柱表面平齊，厚度一般不小于鋼梁腹板厚度，寬度可與鋼梁翼緣相同。②豎向鋼柱（Vertical Steel Column，簡稱VSC）。豎向鋼柱是設置在節(jié)點區(qū)鋼梁翼緣上下的小截面鋼柱，一般設置在鋼梁翼緣正中位置。豎向鋼柱可以和鋼梁翼緣直接焊接，也可以通過鋼墊板用螺栓進行連接。它可以在一定高度范圍內設置，或者沿柱子通長設置，和鋼梁預先形成鋼框架體系，承擔施工荷載，方便立體施工。③鋼環(huán)箍（Steel Band Plate，簡稱SBP）。它是設置在鋼梁翼緣上下環(huán)繞混凝土柱的封閉環(huán)形鋼箍，鋼箍外皮與柱表明平齊，同時在箍板內側設置加勁板，加勁板可以是三角形或梯形狀鋼板，也可以是在節(jié)點內沿鋼梁翼緣通長設置的鋼板，其高度與鋼環(huán)箍相同，并與鋼梁翼緣和鋼環(huán)箍焊接。④豎向加強筋（Vertical Joint Reinforcement，簡稱VJR），它是在節(jié)點區(qū)鋼梁上下翼緣靠近柱表面位置處對稱設置的鋼筋，可以直接焊接在翼緣上，也可以焊接在預先與鋼梁翼緣連接好的角鋼上。豎向加強筋并不參與柱子的受力，它的主要作用是分擔節(jié)點承壓區(qū)的一部分壓力，增強節(jié)點混凝土抵抗承壓破壞的能力，同時它還可以增加節(jié)點的剛度。⑤加焊栓釘（Shear Studs），一方面可以增加鋼梁翼緣與混凝土材料的粘結作用，防止發(fā)生粘結滑移；另一方面與設置豎向鋼柱的作用類似，栓釘也可以將鋼梁中的力傳遞到節(jié)點外部混凝土中，形成斜壓桿傳力機構。除了上述方法外，還有鋼板箍（Steel Cover Plate，簡稱SCP）和鋼纖維混凝土節(jié)點（Steel Fiber Concrete）。

二、RCS節(jié)點計算模型

（一）節(jié)點內部應力傳遞

實驗表明，RCS組合結構節(jié)點的承載力可以看做由內外兩部分組成：即內部抵抗機構和外部抵抗機構。鋼梁的應力首先傳遞到內部抵抗機構上，然后再傳遞到外部抵抗機構上，而內外抵抗機構之間的力則通過鋼筋混凝土的抗剪作用來傳遞，作用于內外機構之間的剪力可以分解為水平方向和豎直方向的一對剪力偶，并且內外抵抗機構之間的應力傳遞通常發(fā)生在節(jié)點出現腹板剪切破壞或混凝土承壓力破壞時。作用在混凝土柱中的彎矩（Mc）和剪力（Vc）根據節(jié)點的內外兩種抵抗機構相應的分為兩部分：Mc=Mci+Mco；Vc=Vci+Vco；其中Mci、Mco分別為作用于內外抵抗機構上的彎矩；Vci、Vco分別為作用于內外抵抗機構上的剪力。

（二）節(jié)點破壞模式

節(jié)點內部抵抗機構有兩種主要的破壞模式：腹板剪切破壞以及混凝土受壓破壞。這兩種破壞模式是經過大量試驗研究所證實了的，盡管這兩種破壞主要發(fā)生在節(jié)點內部機構，不過它們通常被用來代表整個節(jié)點的破壞模式。其中腹板剪切破壞與型鋼混凝土節(jié)點或鋼結構節(jié)點的破壞形式相同，其主要破壞特征為節(jié)點區(qū)鋼梁腹板屈服和混凝土出現斜向裂縫；而混凝土受壓破壞的主要特征為鋼梁的剛體轉動、受壓區(qū)混凝土壓碎以及鋼梁與混凝土柱之間出現比較大的縫隙。在RCS組合結構節(jié)點的試驗中，人們發(fā)現節(jié)點外部抵抗機構也存在兩種破壞模式：即粘結破壞與剪切破壞，外部抵抗機構的破壞主要是由作用于其上的剪力引起的，它們與作用于內部抵抗機構上的剪力大小相等，但方向相反。粘結破壞主要是由柱中豎向主筋周圍的混凝土不斷出現裂縫以及局部壓碎引起；剪切破壞則與鋼筋混凝土結構類似，主要特征為混凝土斜向裂縫和橫向鋼筋屈服。由圖1知節(jié)點總體內力關系為：Vb,b=Vbi,b+Vbo；Vb,s=Vbi,s+Vbo。其中，Vb,b為節(jié)點受壓承載力；Vb,s為節(jié)點受剪承載力；Vbi,b為節(jié)點發(fā)生受壓破壞時內部抵抗機構所分擔的內力；Vbi,s為節(jié)點發(fā)生剪切破壞時內部抵抗機構所分擔的內力；Vbo為節(jié)點破壞時外部抵抗因素所分擔的內力。

三、節(jié)點區(qū)有效尺寸

分節(jié)點區(qū)有效高度和有效寬度兩個方面來說明：（1）節(jié)點區(qū)有效高度。由于RCS組合結構節(jié)點設置了延長式面承板、豎向鋼柱或豎向加強筋等細部構造措施，使得水平剪力可以從高出鋼梁翼緣上下面的地方傳入節(jié)點，從而客觀上增加了節(jié)點區(qū)的有效高度。美國學者Deierlein（1988）曾經指出，RCS組合結構節(jié)點的有效高度與節(jié)點的細部構造特征有關，是附加在節(jié)點區(qū)鋼梁翼緣上的剪力鍵高度的函數，但不應大于1.5倍梁高。由此我們可以看出，RCS組合結構節(jié)點區(qū)的有效高度并不是一個確定值，要根據節(jié)點實際構造來確定，本文中為簡化起見，取一平均值，即：dj=1.25hb。其中，hb為鋼梁高度。（2）節(jié)點區(qū)有效寬度。研究表明，在外力作用下，梁柱節(jié)點區(qū)各部分的應力是不均勻的，也就是說有其中核心的一部分參與了抵抗大部分外荷載的工作，因此有必要確定節(jié)點核區(qū)的有效寬度。在受力模型中，節(jié)點的抵抗機構分為內外兩部分，而其有效寬也可以看做這兩部分的迭加，即：bj=bi+b0；其中bi、b0分別為節(jié)點內部和外部抵抗機構的寬度。而bi計算公式為：bi=max(bp,bf)；式中，bp為面承板寬度，bf為鋼梁翼緣寬度。b0計算公式為：b0=C(bmax－bi）；其中，bmax為節(jié)點區(qū)的最大寬度，C為衡量節(jié)點細部構造向外部機構傳力效率的系數。以上所介紹的節(jié)點外部抵抗機構寬度的計算均假定節(jié)點設置面承板，當節(jié)點沒有面承板時，則需要進行調整。無面承板的節(jié)點需要分“節(jié)點區(qū)不存在直交梁”和“節(jié)點區(qū)存在直交梁”兩種情況考慮，具體過程由于篇幅原因，在此不再贅述。

四、結束語

RCS組合結構節(jié)點設計技術包含豐富的內容，本文僅從其中幾個方面，對這一理論做了簡單的探討，具體工程設計中，由于RCS組合結構節(jié)點混凝土受壓破壞的顯著特征是與鋼梁翼緣所接觸的柱中混凝土被壓碎，所以還要嚴格限制節(jié)點發(fā)生受壓破壞，即要考慮節(jié)點發(fā)生混凝土受壓破壞時設計方法，當然設計最后還要進行節(jié)點受剪承載力計算等。

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