淺談ＲＣＳ組合結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計技術(shù)

李建華

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

[關(guān)鍵詞]RCS組合結(jié)構(gòu) 節(jié)點(diǎn)設(shè)計 構(gòu)造方案 節(jié)點(diǎn)計算模型

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

RCS組合結(jié)構(gòu)體系即由鋼筋混凝土柱與鋼梁組成的組合框架結(jié)構(gòu)體系，它是二十世紀(jì)八十年代初期，美國率先在傳統(tǒng)的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)以及后來的型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上成功的開發(fā)出了一種新型的結(jié)構(gòu)體系。由于鋼筋混凝土柱相對于鋼柱來說有著明顯的經(jīng)濟(jì)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(cè)剛度，能提高結(jié)構(gòu)的阻尼比；用鋼梁取代傳統(tǒng)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(jìn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)即充分發(fā)揮了上述兩種材料各自的優(yōu)點(diǎn)，因而在工程應(yīng)用中被越來越廣泛的采用。本文即簡要探討RCS組合結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計技術(shù)。

一、RCS節(jié)點(diǎn)主要構(gòu)造方案

RCS組合結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)中同時包含了混凝土、鋼筋以及鋼材等三種不同性質(zhì)的材料，問題的關(guān)鍵在于如何將這幾種材料在節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行組合，以使其滿足鋼梁與鋼筋混凝土柱之間復(fù)雜應(yīng)力的傳遞要求，進(jìn)而充分發(fā)揮這種組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。

（一）“柱貫通式”節(jié)點(diǎn)構(gòu)造方案

“柱貫通式”節(jié)點(diǎn)構(gòu)造方案研究比較成熟的是日本。其典型的“柱貫通式”節(jié)點(diǎn)構(gòu)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(diǎn)，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(gòu)造形式兼顧了對節(jié)點(diǎn)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(jié)構(gòu)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(dān)負(fù)著將彎矩轉(zhuǎn)換成拉、壓力傳到節(jié)點(diǎn)區(qū)的任務(wù)，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(diǎn)區(qū)域就成了這種構(gòu)造形式必須解決的一個問題。“柱貫通式”節(jié)點(diǎn)構(gòu)造非常復(fù)雜，對施工技術(shù)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(gòu)造措施也可以來彌補(bǔ)，但不可避免的改變了力的傳播方向，終究還是違背了力應(yīng)該按照最短路徑來傳遞的規(guī)律。1994年，日本建筑學(xué)會（AIJ（RCS組合結(jié)構(gòu)分會總結(jié)了以前的研究開發(fā)成果，制定了《RCS組合結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計準(zhǔn)則》，并將上述RCS組合結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)歸類為12種標(biāo)準(zhǔn)類型，包括柱面鋼板型、面承板型、延長式面承板型、內(nèi)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(diǎn)構(gòu)造方案

“梁貫通式”節(jié)點(diǎn)構(gòu)造方案研究比較多的國家是美國。這種節(jié)點(diǎn)構(gòu)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(shè)置在遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)區(qū)的跨中受力較小處，從而避免了在構(gòu)造和受力都相當(dāng)復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)區(qū)將鋼梁截斷而造成的違反結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的情況?！傲贺炌ㄊ健惫?jié)點(diǎn)中采用了以下構(gòu)造措施來加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)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(shè)置在節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼梁翼緣上下的小截面鋼柱，一般設(shè)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(jìn)行連接。它可以在一定高度范圍內(nèi)設(shè)置，或者沿柱子通長設(shè)置，和鋼梁預(yù)先形成鋼框架體系，承擔(dān)施工荷載，方便立體施工。③鋼環(huán)箍（Steel Band Plate，簡稱SBP）。它是設(shè)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(nèi)側(cè)設(shè)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(diǎn)內(nèi)沿鋼梁翼緣通長設(shè)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(qiáng)筋（Vertical Joint Reinforcement，簡稱VJR），它是在節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼梁上下翼緣靠近柱表面位置處對稱設(shè)置的鋼筋，可以直接焊接在翼緣上，也可以焊接在預(yù)先與鋼梁翼緣連接好的角鋼上。豎向加強(qiáng)筋并不參與柱子的受力，它的主要作用是分擔(dān)節(jié)點(diǎn)承壓區(qū)的一部分壓力，增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)混凝土抵抗承壓破壞的能力，同時它還可以增加節(jié)點(diǎn)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(jié)作用，防止發(fā)生粘結(jié)滑移；另一方面與設(shè)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(diǎn)外部混凝土中，形成斜壓桿傳力機(jī)構(gòu)。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(diǎn)（Steel Fiber Concrete）。

二、RCS節(jié)點(diǎn)計算模型

（一）節(jié)點(diǎn)內(nèi)部應(yīng)力傳遞

實驗表明，RCS組合結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的承載力可以看做由內(nèi)外兩部分組成：即內(nèi)部抵抗機(jī)構(gòu)和外部抵抗機(jī)構(gòu)。鋼梁的應(yīng)力首先傳遞到內(nèi)部抵抗機(jī)構(gòu)上，然后再傳遞到外部抵抗機(jī)構(gòu)上，而內(nèi)外抵抗機(jī)構(gòu)之間的力則通過鋼筋混凝土的抗剪作用來傳遞，作用于內(nèi)外機(jī)構(gòu)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(nèi)外抵抗機(jī)構(gòu)之間的應(yīng)力傳遞通常發(fā)生在節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)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(jù)節(jié)點(diǎn)的內(nèi)外兩種抵抗機(jī)構(gòu)相應(yīng)的分為兩部分：Mc=Mci+Mco；Vc=Vci+Vco；其中Mci、Mco分別為作用于內(nèi)外抵抗機(jī)構(gòu)上的彎矩；Vci、Vco分別為作用于內(nèi)外抵抗機(jī)構(gòu)上的剪力。

（二）節(jié)點(diǎn)破壞模式

節(jié)點(diǎn)內(nèi)部抵抗機(jī)構(gòu)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(jīng)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(diǎn)內(nèi)部機(jī)構(gòu)，不過它們通常被用來代表整個節(jié)點(diǎn)的破壞模式。其中腹板剪切破壞與型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)或鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的破壞形式相同，其主要破壞特征為節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼梁腹板屈服和混凝土出現(xiàn)斜向裂縫；而混凝土受壓破壞的主要特征為鋼梁的剛體轉(zhuǎn)動、受壓區(qū)混凝土壓碎以及鋼梁與混凝土柱之間出現(xiàn)比較大的縫隙。在RCS組合結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的試驗中，人們發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)外部抵抗機(jī)構(gòu)也存在兩種破壞模式：即粘結(jié)破壞與剪切破壞，外部抵抗機(jī)構(gòu)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(nèi)部抵抗機(jī)構(gòu)上的剪力大小相等，但方向相反。粘結(jié)破壞主要是由柱中豎向主筋周圍的混凝土不斷出現(xiàn)裂縫以及局部壓碎引起；剪切破壞則與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(diǎn)總體內(nèi)力關(guān)系為：Vb,b=Vbi,b+Vbo；Vb,s=Vbi,s+Vbo。其中，Vb,b為節(jié)點(diǎn)受壓承載力；Vb,s為節(jié)點(diǎn)受剪承載力；Vbi,b為節(jié)點(diǎn)發(fā)生受壓破壞時內(nèi)部抵抗機(jī)構(gòu)所分擔(dān)的內(nèi)力；Vbi,s為節(jié)點(diǎn)發(fā)生剪切破壞時內(nèi)部抵抗機(jī)構(gòu)所分擔(dān)的內(nèi)力；Vbo為節(jié)點(diǎn)破壞時外部抵抗因素所分擔(dān)的內(nèi)力。

三、節(jié)點(diǎn)區(qū)有效尺寸

分節(jié)點(diǎn)區(qū)有效高度和有效寬度兩個方面來說明：（1）節(jié)點(diǎn)區(qū)有效高度。由于RCS組合結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)置了延長式面承板、豎向鋼柱或豎向加強(qiáng)筋等細(xì)部構(gòu)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(diǎn)，從而客觀上增加了節(jié)點(diǎn)區(qū)的有效高度。美國學(xué)者Deierlein（1988）曾經(jīng)指出，RCS組合結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的有效高度與節(jié)點(diǎn)的細(xì)部構(gòu)造特征有關(guān)，是附加在節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼梁翼緣上的剪力鍵高度的函數(shù)，但不應(yīng)大于1.5倍梁高。由此我們可以看出，RCS組合結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)區(qū)的有效高度并不是一個確定值，要根據(jù)節(jié)點(diǎn)實際構(gòu)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(diǎn)區(qū)有效寬度。研究表明，在外力作用下，梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)各部分的應(yīng)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(diǎn)核區(qū)的有效寬度。在受力模型中，節(jié)點(diǎn)的抵抗機(jī)構(gòu)分為內(nèi)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(diǎn)內(nèi)部和外部抵抗機(jī)構(gòu)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(diǎn)區(qū)的最大寬度，C為衡量節(jié)點(diǎn)細(xì)部構(gòu)造向外部機(jī)構(gòu)傳力效率的系數(shù)。以上所介紹的節(jié)點(diǎn)外部抵抗機(jī)構(gòu)寬度的計算均假定節(jié)點(diǎn)設(shè)置面承板，當(dāng)節(jié)點(diǎn)沒有面承板時，則需要進(jìn)行調(diào)整。無面承板的節(jié)點(diǎn)需要分“節(jié)點(diǎn)區(qū)不存在直交梁”和“節(jié)點(diǎn)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(jié)束語

RCS組合結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計技術(shù)包含豐富的內(nèi)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(shè)計中，由于RCS組合結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)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(yán)格限制節(jié)點(diǎn)發(fā)生受壓破壞，即要考慮節(jié)點(diǎn)發(fā)生混凝土受壓破壞時設(shè)計方法，當(dāng)然設(shè)計最后還要進(jìn)行節(jié)點(diǎn)受剪承載力計算等。

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