RCS組合節(jié)點的構造措施與破壞模式分析

門進杰 熊禮全 管潤潤 史慶軒 李慧娟

（西安建筑科技大學土木工程學院，西安710055）

RCS組合節(jié)點的構造措施與破壞模式分析

門進杰*熊禮全 管潤潤 史慶軒 李慧娟

（西安建筑科技大學土木工程學院，西安710055）

鋼筋混凝土柱-鋼梁（RCS）組合節(jié)點受力復雜，不同的節(jié)點構造措施對其破壞模式和承載力影響顯著。根據(jù)試驗和數(shù)值模擬結果，分析了8種RCS節(jié)點構造措施的傳力機理及其對節(jié)點承載力的貢獻，并提出設計建議。分析了已有節(jié)點破壞模式的特征、受力機理、影響因素等；并根據(jù)國內外試驗，提出了兩種新的破壞模式：部分剪切破壞和節(jié)點-梁混合破壞。通過分析其破壞特征、發(fā)生條件、受力機理等，給出了承載力計算建議。研究成果為進一步建立RCS組合節(jié)點的受剪承載力公式提供依據(jù)。

鋼筋混凝土柱-鋼梁（RCS），組合節(jié)點，構造措施，破壞模式，受剪承載力

1 引 言

鋼筋混凝土柱-鋼梁組合框架結構（簡稱RCS組合框架）是一種新型結構形式。相對鋼框架而言，RCS組合框架具有較大的結構阻尼、層間剛度，且造價較低，耐火性能好；與混凝土框架相比，RCS組合框架可明顯減輕結構自重，增大結構跨度，獲得更大的使用空間［1］。在RCS組合框架結構中，有效的節(jié)點設計是保證結構構件傳力的關鍵，然而由于該類節(jié)點構造措施的多樣性，使其構造措施設計、受力機理、破壞模式和承載力計算等均不夠完善［2-4］。為此，本文基于已有受力機理［5］，總結分析了不同構造措施對節(jié)點承載力的貢獻；通過研究，提出了RCS組合節(jié)點的不同破壞模式及其發(fā)生條件，分析不同破壞模式的影響因素，為該類節(jié)點承載力公式的建立提供依據(jù)。

2 RCS組合節(jié)點的典型構造及作用分析

2.1 RCS組合節(jié)點的構造措施

圖1是典型的RCS組合節(jié)點形式，根據(jù)對節(jié)點區(qū)混凝土約束情況的不同，將節(jié)點的構造措施分為內部措施和外部措施。

（1）內部措施。主要包括面承板、鋼梁腹板、柱面鋼板等。主要作用是使節(jié)點區(qū)的混凝土處于腹板、上下翼緣和這些構造的約束之中，使混凝土處于三向受力狀態(tài)，從而提高節(jié)點區(qū)混凝土的抗剪能力。

圖1 典型的節(jié)點構造Fig.1 Typical joint configuration

（2）外部措施。主要包括縱向鋼筋、箍筋、豎向加強筋、鋼環(huán)箍、加焊栓釘和架立鋼柱等。主要作用是將剪力傳遞到節(jié)點外部區(qū)域的混凝土中，使外部混凝土形成斜壓桿機構；此外，還能夠承擔節(jié)點區(qū)的一部分壓力，防止承壓破壞的發(fā)生。

2.2 RCS組合節(jié)點構造措施的作用分析

2.2.1面承板

RCS組合節(jié)點中的面承板有三種形式：一般的面承板、加寬面承板和延伸面承板，見圖2。

通過對文獻［4］中5個節(jié)點（編號為3，4，5，7，8）的試驗結果，對面承板的作用進行分析，結果如表1所示。從表1中可以看出，設置面承板的作用非常顯著，與不設置時相比，節(jié)點承載力提高了約61.2%；面承板長度和寬度對節(jié)點承載力的影響也較顯著，當其分別增加60%和50%時，節(jié)點承載力分別提高了73.6%和27.1%；而面承板厚度對節(jié)點承載力影響比較小，當厚度增加約2倍時，承載力提高幅度很小，約為6.0%。分析原因是，面承板的存在、面承板長度和寬度的增加均會增加斜壓桿的受壓面積，并提高混凝土的強度，從而提高了節(jié)點的抗剪承載力；此外，延伸面承板還可以將鋼梁翼緣傳來的一部分壓力傳遞到柱中，從而也間接減小了節(jié)點的受力。而面承板厚度的增大并不能增加斜壓桿的受壓面積，并且較厚的面承板在節(jié)點破壞時往往不能屈服，對承載力的貢獻就相對較小。

圖2 常見的RCS節(jié)點構造措施—面承板Fig.2 Various typical FBP details

2.2.2箍筋

RCS組合節(jié)點中，當節(jié)點區(qū)設置柱面鋼板時，可以不設置箍筋。除此之外，一般均設置箍筋。

通過對文獻［6］中3個節(jié)點（編號為ZJD-01、ZJD-02、ZJD-14）和文獻［7］中3個節(jié)點的有限元分析結果，從有無箍筋和配箍率的變化兩個方面進行分析，相關結果見表1所示。從表1可以看出，與沒有設置箍筋時相比，當設置φ6＠100和φ8＠100的箍筋時，承載力提高約為7.0%和 18.9%；當配箍率從1.1%提高到1.59%和2.84%時，承載力僅提高了6.1%和9.8%?？梢姡拷顚?jié)點承載力雖有一定的影響，但當配箍率較大時，影響程度較小。分析其原因，是一定數(shù)量的箍筋的確可以與其他構造措施一起形成斜壓桿機構，但是，過多的箍筋會導致其在節(jié)點破壞時不能達到屈服狀態(tài)，也就不能完全發(fā)揮作用。因此，一味地提高配箍率并不會對節(jié)點承載力產生顯著影響。

表1 構造措施對節(jié)點承載力的影響Table 1 Effect of joint details on the ultimate shear capacity

2.2.3縱向鋼筋

通過對文獻［8］中（編號分別為1，7，8）和文獻［7］中3個節(jié)點的有限元分析結果，分別從縱筋強度和配筋率兩個方面對縱向鋼筋的作用進行分析，結果如表1所示?？梢钥闯?，增加縱筋強度對節(jié)點承載力的提高影響比較小。當縱筋配筋率不變，縱筋強度從452 MPa增加到500 MPa和700 MPa時，承載力僅提高了約1.9%和3.9%；增加縱筋配筋率對節(jié)點承載力有明顯的影響，當配筋率從4.18%增加到5.06%、8.19%時，節(jié)點承載力提高了約3.1%和18.6%。分析其原因，是在文獻［8］中，節(jié)點試件在整個受力過程中縱筋的最大壓應力和拉應力分別為168.26 MPa和428.5 MPa，均未達到其屈服強度。此時，增強縱筋強度對節(jié)點承載力幾乎是沒有影響；而在文獻［7］中，縱筋基本上都達到了屈服強度，并且縱筋配筋率的增加意味著縱筋數(shù)量的增加，這對提高節(jié)點承載力是有利的。

2.2.4鋼環(huán)箍

鋼環(huán)箍是環(huán)繞混凝土柱的封閉環(huán)形短鋼板，設置在節(jié)點區(qū)柱根部，焊接在鋼梁的翼緣上，一般成對設置，如圖3（a）所示。利用文獻［9］中的2個節(jié)點試件（節(jié)點編號分別為OJB2-0、OJB3-0），研究鋼環(huán)箍（厚度為10 mm）對節(jié)點受力性能的影響，相關的承載力試驗結果如表1所示。從表1中可以看出，設置鋼環(huán)箍和不設置鋼環(huán)箍時相比，節(jié)點承載力提高了約20.7%，對增強節(jié)點承載力的作用比較顯著。分析其原因，是鋼環(huán)箍的存在實際上增大了節(jié)點區(qū)的受力范圍；同時，鋼環(huán)箍可以約束混凝土，提高節(jié)點區(qū)混凝土的抗剪強度。此外，還能約束柱根部混凝土，有利于避免承壓破壞。

圖3 常見的RCS節(jié)點構造措施—鋼環(huán)箍等Fig.3 Various typical details for steel band，etc.

2.2.5柱面鋼板

通過對文獻［10］中2個節(jié)點（編號為WJD4、WCS2）的有限元模擬結果，分析了柱面鋼板對節(jié)點承載力的影響，見表1所示。從表1中可以看出，設置厚度為13 mm的柱面鋼板和不設置時相比，節(jié)點承載力提高了約27.2%，對節(jié)點承載力的影響較顯著的。分析原因是，柱面鋼板可以約束整個節(jié)點區(qū)的混凝土，不但可以提高混凝土的強度，還可以有效抑制混凝土裂縫的發(fā)展。需要說明的是，柱面鋼板的承載力較大，在受力過程中往往不會達到屈服，因此，本文建議柱面鋼板的厚度取值不要太大，一般取3～5 mm。

2.2.6架立鋼柱

在RCS組合框架的施工過程中，有時會在節(jié)點區(qū)鋼梁上下翼緣正中位置焊接或螺栓連接一個小截面鋼柱，稱為架立鋼柱，如圖4（a）所示。通過對文獻［4］中2個節(jié)點（節(jié)點編號為4，15）的試驗結果，分析了架立鋼柱對節(jié)點承載力的影響，如表1所示。可以看出，設置架立鋼柱（截面采用W127×470 mm）和不設置架立鋼柱時相比，節(jié)點承載力提高了約39.1%，影響還是十分顯著的。從受力機理上分析，加設鋼柱可以與節(jié)點核心區(qū)外部混凝土形成斜壓桿機制，將型鋼梁翼緣內部的力傳遞到節(jié)點外部混凝土中，傳遞鋼梁中的部分荷載，從而提高節(jié)點承承載力。

圖4 常見的RCS節(jié)點構造措施—架立鋼柱等Fig.4 Various typical details for small column，etc.

2.2.7豎向加強筋

豎向加強筋是在靠近柱表面處設置并焊接在鋼梁翼緣上的豎向鋼筋，如圖4（b）所示。通過分析文獻［9］中兩個節(jié)點試件（編號分別為OJB1-0、OJB5-0）的試驗結果，豎向加強筋對節(jié)點承載力的影響如表1所示?？梢钥闯觯O置豎向加強筋和不設置加強筋時相比，節(jié)點承載力提高了約9.3%，對節(jié)點承載力的影響較小。

2.2.8抗剪栓釘

S3：將S1中選出的杰出個體與S2中生成的新子代組合成新的種群，將所得新的父代進行模擬退火選擇，從中選出N個個體組成新的父代進行下一輪遺傳操作。

抗剪栓釘是焊接在節(jié)點區(qū)鋼梁翼緣上的一種構造措施，如圖4（c）所示。通過對文獻［4］中4個節(jié)點試件（編號為3，4，12，13）的試驗結果，對抗剪栓釘?shù)淖饔眠M行了分析，其中，節(jié)點12，13設置抗剪栓釘而節(jié)點3，4則沒有設置。相關的承載力試驗結果和對比結果，如表1所示?？梢钥闯觯O置栓釘時，節(jié)點承載力分別提高了60.9%和73.9%，可以看出抗剪栓釘對節(jié)點承載力的提高是十分顯著的。雖然設置抗剪栓釘?shù)某踔允菧p小鋼梁翼緣與混凝土之間的滑移，實際上栓釘?shù)拇嬖谑挂徊糠趾奢d轉移到柱中，從而間接提高了節(jié)點區(qū)的承載力。

3 RCS組合節(jié)點的破壞模式分析

對于RCS組合節(jié)點，除了節(jié)點區(qū)的各種構造對其承載力有顯著影響，節(jié)點的破壞模式更是其承載力計算的依據(jù)。根據(jù)ASCE設計指南［5］，RCS組合節(jié)點的破壞模式分為兩種：剪切破壞和承壓破壞。

3.1 腹板剪切破壞

3.1.1破壞過程與受力機理

當鋼梁的受彎承載力大于節(jié)點的受剪承載力，同時節(jié)點區(qū)的構造措施適當時，發(fā)生腹板剪切破壞，如圖5（a）所示。剪切破壞的典型特征是節(jié)點腹板屈服和節(jié)點混凝土出現(xiàn)斜向裂縫，這與鋼筋混凝土節(jié)點和鋼節(jié)點是類似的。腹板剪切破壞是尋找節(jié)點合理抗震設計控制條件較為理想的破壞形式。其受力機理，可采用框架-剪力墻機構和斜壓桿機構來模擬［9，11］。

3.1.2影響因素分析

要避免腹板剪切破壞，提高節(jié)點抗剪承載力，主要措施有兩個：增強材料強度和采用適當?shù)臉嬙齑胧８鶕?jù)本課題組的前期研究，在常規(guī)梁柱相對尺寸的條件下，腹板對節(jié)點承載力的貢獻可以占節(jié)點總承載力的30%左右，可見，腹板強度對節(jié)點抗剪承載力的影響很大。然而，在實際工程中，節(jié)點區(qū)腹板往往與型鋼梁腹板相同，因此，限制了腹板強度的提高。對于混凝土強度，根據(jù)本課題組的研究，在常規(guī)的梁柱相對尺寸的條件下，混凝土對節(jié)點抗剪承載力的貢獻（考慮了各種構造措施對混凝土強度的提高作用）大約占60%。對于構造措施，根據(jù)本文前面分析可知，面承板、鋼環(huán)箍、鋼柱面板、架立鋼柱、抗剪栓釘?shù)葘?jié)點承載力均有較顯著的影響。

3.1.3承載力計算依據(jù)

在建立承載力公式時，腹板對節(jié)點承載力的貢獻，一般采用折減系數(shù)進行考慮。ASCE指南采用腹板平均剪切強度0.6Fy的概念；日本AIJ指南［12］根據(jù)節(jié)點構造措施的不同，取折減系數(shù)為0.46～0.51；Nishiyama等［13］根據(jù)試驗結果，取折減系數(shù)為0.57。如前所述，混凝土和各種構造措施對承載力的貢獻，往往是一起考慮的。不同的構造措施，對混凝土強度的提高程度不同。雖然美國、日本以及一些學者均給出了RCS組合節(jié)點承載力公式，然而，由于試驗條件、節(jié)點構造措施以及計算模式的不同，所得出的承載力公式也有差別，甚至差別很大。因此，如何建立適用性更好的節(jié)點承載力公式，還需要更多試驗與理論研究。

圖5 節(jié)點的剪切破壞和承壓破壞Fig.5 Joint failuremodes：（a）panel shear（b）vertical bearing

3.2 混凝土承壓破壞

3.2.1破壞過程與受力機理

當節(jié)點混凝土強度較低、縱向鋼筋強度或配筋率較低時，常發(fā)生混凝土承壓破壞，如圖5（b）所示。節(jié)點承受的豎向壓力來自于由鋼梁和混凝土柱所傳來的彎矩和剪力，當柱中（往往是柱根邊緣）受壓承載力不足時，將會導致承壓破壞。

3.2.2影響因素分析

除了提高材料強度，還可以通過采取構造措施來避免承壓破壞的發(fā)生。顯然，通過增大柱的混凝土強度或縱筋強度來避免承壓破壞，效果不理想，也不經(jīng)濟。一般采用在節(jié)點區(qū)鋼梁翼緣處焊接加強筋，在柱根部設置鋼筋網(wǎng)片、角鋼等構造措施來避免柱發(fā)生承壓破壞。關于構造措施對承壓破壞的影響，可參考文獻［4，14］。

3.2.3承載力計算依據(jù)

由于承壓破壞時，柱中混凝土被壓碎屬于脆性破壞，因此，不作為節(jié)點承載力計算的依據(jù)。然而，在實際工程中，必須采取必要的構造措施來避免承壓破壞的發(fā)生。

4 本文所提RCS組合節(jié)點的破壞模式分析

通過對國內外有關RCS組合節(jié)點的試驗研究和有限元分析結果進行總結分析，發(fā)現(xiàn)部分RCS組合節(jié)點的破壞過程、破壞特征與上述兩種破壞均不同，本文稱為部分剪切破壞和節(jié)點-梁混合破壞，分別介紹如下。

4.1 部分剪切破壞模式

4.1.1破壞模式的提出

通過對文獻［9］中2個節(jié)點（編號為OB1-1，OBJS1-1）的試驗結果進行分析，發(fā)現(xiàn)這2個試件均符合部分剪切破壞的特征，即在荷載施加到最大荷載的約50%時，在鋼筋混凝土柱側面出現(xiàn)斜向剪切裂縫。然后隨著荷載的增加，裂縫不斷發(fā)展，并貫通形成X形交叉裂縫。然而，隨后節(jié)點區(qū)裂縫并沒有進一步發(fā)展，混凝土相對較完整，沒有被壓碎。而鋼梁翼緣開始進入屈服狀態(tài)，隨著荷載的進一步增大，梁翼緣的屈服區(qū)域不斷擴大，導致鋼梁的局部屈曲而最終破壞。這兩個試件的最終破壞形態(tài)如圖6所示。

國內也有不少類似試驗結果。例如，在文獻［15］（編號為LJD-01）的試驗中，試件最終的破壞特征是，柱側型鋼梁端翼緣屈曲，而節(jié)點區(qū)并沒有完全剪切破壞。文獻［16］和［17］中2個節(jié)點（編號為CEJ3，JD-1）的破壞特征是：平面節(jié)點CEJ3梁端翼緣屈曲，腹板屈服且有輕微屈曲，同時，節(jié)點區(qū)混凝土出現(xiàn)較多交叉裂縫，但沒有被壓碎。空間節(jié)點JD-1的梁端彎曲破壞，節(jié)點區(qū)混凝土出現(xiàn)較多斜裂縫，混凝土仍沒有被壓碎，且節(jié)點區(qū)腹板出現(xiàn)部分屈服或者是沒有完全屈服。

部分剪切破壞的典型特征是節(jié)點區(qū)的混凝土已經(jīng)受剪開裂較嚴重，鋼腹板的剪切應變也較大，但沒有達到屈服。

圖6 節(jié)點的部分剪切破壞Fig.6 Joint partial panel shear failure

4.1.2發(fā)生條件

當節(jié)點的受剪承載力大于鋼梁的受彎承載力、局部屈曲承載力不夠大時，或其他造成節(jié)點混凝土未能完全壓碎、節(jié)點腹板未能達到屈服的情況，發(fā)生部分剪切破壞。

4.1.3 承載力計算依據(jù)

當發(fā)生部分剪切破壞時，嚴格來說是由鋼梁的受彎或局部承載力等控制的，然而，對于節(jié)點受剪承載力的計算也并非沒有借鑒意義，實際上，也有學者嘗試建立RCS組合節(jié)點的承載力公式［14，15］。一般而言，可以通過腹板項的折減對承載力公式進行修正以達到相對準確的結果。目前，關于部分剪切破壞中，腹板折減系數(shù)的取值還沒有學者給出明確數(shù)據(jù)，文獻［14］中只建議節(jié)點腹板未能充分發(fā)生作用時，取值小于1。從受力機理上分析，仍可采用框架-剪力墻機構和斜壓桿機構來模擬部分剪切破壞節(jié)點的受剪性能。本文建議，對于混凝土項對節(jié)點承載力的貢獻，可參照已有公式計算；而腹板項對承載力的貢獻，可取腹板的實際應力狀態(tài)作為承載力計算的依據(jù)。

4.2 節(jié)點-梁混合破壞模式

4.2.1破壞模式的提出

通過文獻［18，19］中3個節(jié)點（編號為GJ1-1，GJ1-2，GJ1-3）的試驗結果進行分析，發(fā)現(xiàn)這3個試件均符合節(jié)點-梁混合破壞的特征，即在加載初期，節(jié)點出現(xiàn)垂直裂縫。然后，隨著荷載的增加，鋼梁與鋼筋混凝土柱連接部位的鋼梁翼緣開始屈服，在此階段裂縫不斷發(fā)展，這3個試件都是以鋼筋混凝土柱邊緣型鋼梁翼緣屈曲且腹板隆起的破壞為主要特征，同時，節(jié)點區(qū)鋼腹板也達到了屈服，節(jié)點區(qū)混凝土的裂縫貫通，且寬度較大。其中試件GJ1-3最終破壞形態(tài)如圖7（a）所示。此外，文獻［9］中的節(jié)點（編號為OBJS2-0）也有類似的破壞特征。

圖7 節(jié)點-梁混合破壞Fig.7 Beam＆panel shear failure

4.2.2發(fā)生條件

當節(jié)點的受剪承載力與鋼梁的受彎承載力或局部屈曲承載力基本相同時，發(fā)生節(jié)點-梁混合破壞。這種破壞形式可以看作是部分剪切破壞和腹板剪切破壞的界限破壞。

4.2.3 承載力計算依據(jù)

理論上來說，由于節(jié)點-梁混合破壞模式，既符合RCS組合節(jié)點破壞的特征，也符合鋼梁破壞的特征，因此，其承載力計算既可以依據(jù)RCS組合節(jié)點的承載力計算公式，也可以根據(jù)《鋼結構設計規(guī)范》［20］的相關公式進行計算。然而，本文根據(jù)文獻［18，19］的試驗結果，分別采用ASCE指南中節(jié)點的承載力公式和《鋼結構設計規(guī)范》中鋼梁的承載力公式，對其中的3個節(jié)點進行了計算，結果相差較大，偏差達20%～40%。分析原因，一是RCS組合節(jié)點公式是基于美國相關規(guī)范的，且其適用性如何還有待進一步驗證；二是兩套公式畢竟是基于不同構件、不同破壞模式建立的，公式中各個系數(shù)的取值，依據(jù)的可靠度或安全度儲備均是不同的。由于國內外還未見有文獻對該類破壞模式的承載力計算給出依據(jù)，因此，還有待于進一步的研究和探討。

5 結 論

通過合理的節(jié)點構造措施設計，RCS組合節(jié)點可以有效地傳遞節(jié)點剪力，具有良好的延性和耗能能力。本文主要分析了面承板、箍筋、鋼環(huán)箍、柱面鋼板等8種節(jié)點構造措施的作用，并給出了設計建議?；谝延性囼灲Y果，提出了節(jié)點內單元的兩種破壞模式：部分剪切破壞和節(jié)點-梁混合破壞。結合已有節(jié)點破壞模式，重點討論了四種破壞模式：鋼梁腹板剪切破壞、混凝土承壓破壞、部分剪切破壞和節(jié)點-梁混合破壞的破壞特征、發(fā)生條件和受力機理等。受節(jié)點構造措施的影響，當節(jié)點的受剪承載力、鋼梁的受彎承載力或局部屈曲承載力的大小關系變化時，節(jié)點將發(fā)生不同形式的破壞。不同的破壞模式，其破壞特征主要體現(xiàn)在節(jié)點腹板的受力狀態(tài)、節(jié)點混凝土的受力狀態(tài)以及鋼梁的受力狀態(tài)。本文根據(jù)破壞模式的不同，分別給出了節(jié)點受剪承載力計算的建議。

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Analysis on General Detailing Requirements and Failure M odes of RCS Com posite Joints

MEN Jinjie*XIONG Liquan GUAN Runrun SHIQingxuan LIHuijuan
（College of Civil Engineering，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，China）

The joint of the composite frame system consisting of reinforced concrete column and steel beam（RCS）is a complex part.The different detailing requirements and failuremodes have greateffects on the RCS composite joint behaviors.Based on great amount of experimental research and numerical simulations，the influence of eight parameters on the force transfermechanism and shear capacity were analyzed.Some suggestionswere presented for design.Two failure modes in RCS joints were introduced and suggestions were also presented for the joint design.In addition，two new failure modes，partial panel shear and beam＆panel shear，were proposed.Failure characteristic，failure condition，factor and force mechanism for these two modeswere described in detail.Some proposalswere presented for joint shear capacity calculation.This paper provides a basis for distinguishing the shear failuremodes.The shear capacity formula of RCS jointswere provided.

reinforced concrete column and steel beam（RCS），composite joint，joint details，failuremode，shear capacity

2013－11－11

國家自然科學基金（51008244，51108370）；陜西省教育廳專項科研基金（2013JK0982）*聯(lián)系作者，Email：men2009＠163.com