鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)抗震性能研究現(xiàn)狀

陳 浩，程 亮，胡 郢

(1.武漢理工大學(xué)道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070;2.中南電力設(shè)計(jì)院有限公司,武漢 430071)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)建筑物的性能要求不斷提升，高層、大跨度和特種功能的建筑需求越來(lái)越多，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用日趨廣泛。相較于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼-混凝土結(jié)構(gòu)材料利用效率高，在承載力、結(jié)構(gòu)延性、抗震性能、防火耐久等方面有明顯優(yōu)勢(shì)。

將鋼構(gòu)件和鋼筋混凝土合理地組合在同一構(gòu)件或結(jié)構(gòu)中，充分考慮混凝土抗壓性能、鋼材抗拉性能、鋼對(duì)混凝土變形約束和混凝土對(duì)鋼包裹保護(hù)等因素，提高材料利用效率。其組合形式主要為在鋼筋混凝土內(nèi)配置各種形式型鋼或者鋼管內(nèi)填充各種形式混凝土等。前者鋼筋混凝土對(duì)型鋼變形有約束作用，型鋼局部屈曲減少，整體剛度提升，鋼材強(qiáng)度得到更好的發(fā)揮。外包鋼筋混凝土包裹覆蓋內(nèi)部型鋼，隔離外界環(huán)境影響，使結(jié)構(gòu)擁有良好的耐久性能和防火性能。相較于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)部實(shí)腹式型鋼大大提高了構(gòu)件的抗剪承載力，延性和塑性得到加強(qiáng)，提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。后者當(dāng)混凝土受到壓力變形時(shí)，鋼對(duì)其的約束作用可以提高混凝土受壓性能，混凝土材料利用效率高。目前，由于鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，安裝施工方面耗費(fèi)相對(duì)較多，但是綜合性能提高，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)更加經(jīng)濟(jì)。隨著建筑功能要求不斷提高，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)成為建筑結(jié)構(gòu)研究應(yīng)用的重要方向之一。

在鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)中梁、柱和斜撐的力通過(guò)連接他們的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳遞，節(jié)點(diǎn)破壞對(duì)結(jié)構(gòu)整體造成的損傷極大。在地震作用下，節(jié)點(diǎn)處于復(fù)雜的受力狀態(tài)，因此保證節(jié)點(diǎn)的安全可靠尤為重要。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)抗震性能進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)和理論分析，研究了合理的構(gòu)造形式和設(shè)計(jì)評(píng)估方法。

1 鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能研究

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)最早出現(xiàn)在歐洲，后歐美國(guó)家進(jìn)行大量試驗(yàn)研究，于20世紀(jì)50年代左右提出了一些簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)評(píng)估理論。隨著應(yīng)用研究的不斷深入，各國(guó)紛紛提出適合本國(guó)的設(shè)計(jì)計(jì)算規(guī)范。目前關(guān)于型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能的研究主要集中在建造熱土的我國(guó)和抗震需求較高的日本。

薛建陽(yáng)[1,2]等為研究型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能和構(gòu)造影響，設(shè)計(jì)制作了8個(gè)型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行單調(diào)荷載和循環(huán)荷載加載試驗(yàn)。結(jié)果表明，相較于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點(diǎn)，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點(diǎn)延性表現(xiàn)更優(yōu)，鋼與混凝土共同工作的效果相對(duì)更好，在承載力和抗震性能方面也表現(xiàn)更好。型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)最后破壞主要是核心區(qū)剪切破壞，作者在此基礎(chǔ)上提出了一些合理的構(gòu)造措施。

隨后作者制作三組不同區(qū)域的異形柱梁柱節(jié)點(diǎn)，研究型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)異形柱梁柱節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能。結(jié)果表明，其節(jié)點(diǎn)在加載后的主要破壞狀態(tài)為節(jié)點(diǎn)區(qū)域剪切破壞、節(jié)點(diǎn)內(nèi)部鋼梁和鋼柱連接焊縫發(fā)生拉裂而破壞和發(fā)生在梁端區(qū)域的彎剪破壞。相較于配置有空腹式鋼骨架結(jié)構(gòu)的試件，配實(shí)腹型鋼的試件在延性方面表現(xiàn)更好，其滯回曲線相對(duì)更加飽滿，耗能減震性能更好。作者在此研究結(jié)果的基礎(chǔ)上給出該類節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)建議。

李忠獻(xiàn)[3]研究了強(qiáng)弱節(jié)點(diǎn)抗震性能區(qū)別，制作了一組強(qiáng)節(jié)點(diǎn)和一組弱節(jié)點(diǎn)，每組2個(gè)足尺節(jié)點(diǎn)試件，進(jìn)行循環(huán)往復(fù)荷載加載試驗(yàn)。結(jié)果表明：四個(gè)節(jié)點(diǎn)延性符合要求，耗能能力較強(qiáng)，但是強(qiáng)節(jié)點(diǎn)試件耗能能力更好，且梁端根部與削弱的部位之間能先于節(jié)點(diǎn)破壞形成塑性鉸，增加能量耗散，可以有效提高節(jié)點(diǎn)的抗震性能。

向平[4]等為研究型鋼混凝土異形柱結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的抗震性能，設(shè)計(jì)采用了三種新型的梁柱節(jié)點(diǎn)連接方式，進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，分析其工作機(jī)理。結(jié)果表明，箍筋對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)核心混凝土的約束作用明顯，提高節(jié)點(diǎn)抗震性能，軸壓比在一定范圍內(nèi)可提高節(jié)點(diǎn)的開(kāi)裂荷載和抗剪承載力，試驗(yàn)證明了此類節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法可靠。作者在此實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)于該連接方式的承載力評(píng)估方法。

Kitano[5]等以一組不同型鋼截面形狀的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合有限元軟件分析，研究節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能。結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)抗剪強(qiáng)度因型鋼截面形狀的不同而對(duì)混凝土的約束作用不同，型鋼的抗剪強(qiáng)度取決于加勁肋的布置和鋼板厚度；提出了如何考慮梁柱節(jié)點(diǎn)有效寬度的方法和梁柱節(jié)點(diǎn)抗剪評(píng)估方法。

曾磊[6]等研究了高強(qiáng)材料的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。作者自研了一款高強(qiáng)混凝土，通過(guò)框架中節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)和有限元計(jì)算相結(jié)合進(jìn)行分析。結(jié)果表明，高強(qiáng)混凝土和高強(qiáng)型鋼的節(jié)點(diǎn)破壞形式也是剪切破壞，軸壓比對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力有一定的影響，該類節(jié)點(diǎn)有一定的耗能減震性能。作者以試驗(yàn)研究和有限元分析結(jié)果為基礎(chǔ)，充分考慮軸壓比影響和混凝土強(qiáng)度影響，提出了該類型節(jié)點(diǎn)抗裂能力評(píng)估方法、抗剪承載能力計(jì)算公式。

鄭山鎖[7]等制作一組縮尺梁-柱中節(jié)點(diǎn)，試件采用了高強(qiáng)度鋼材和高性能混凝土，進(jìn)行了低周反復(fù)加載試驗(yàn)，以研究該類型梁-柱中節(jié)點(diǎn)的破壞機(jī)理和抗震性能。結(jié)果表明，與普通用材的節(jié)點(diǎn)比較，該類節(jié)點(diǎn)的延性性能和耗能能力稍差，型鋼對(duì)混凝土約束能力更強(qiáng)，破壞為剪切破壞，腹板屈服時(shí)節(jié)點(diǎn)基本進(jìn)入屈服階段。

Seo Soo-yeon[8]等以五個(gè) 1/2 比例的型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)梁端施加力矩，研究影響建筑物鋼筋混凝土 (SRC) 柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)有效寬度的因素。結(jié)果表明：梁翼緣最先屈服，裂縫在此出現(xiàn)并擴(kuò)大，最后混凝土被剝落。柱寬較寬的試件在受力作用下出現(xiàn)了擴(kuò)展的斜裂紋，而梁深較短的試件破壞范圍較小。最后，提出Deierlein設(shè)計(jì)方法中考慮梁深變化的計(jì)算有效寬度的公式。

張士前[9]等研究了在不同方向荷載作用下鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能，作者對(duì)5個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，在斜向荷載作用下該類節(jié)點(diǎn)抗剪承載能力相對(duì)減弱，其中加載角度為主要影響因素。作者以該研究為基礎(chǔ)提出在不同角度荷載作用下節(jié)點(diǎn)承載力評(píng)估方法。

陳宗平[10]等制作了一組型鋼混凝土異形柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行擬靜力實(shí)驗(yàn)，研究其抗震性能。結(jié)果表明，在不同加載角度下節(jié)點(diǎn)的抗震性能有較大區(qū)別，45°加載時(shí)節(jié)點(diǎn)抗剪承載力為最大，30°時(shí)耗能能力最強(qiáng)。在一定范圍內(nèi)增大軸壓比可以增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力和耗能能力，同時(shí)節(jié)點(diǎn)的前期剛度有所提高，而后期剛度則退化更快。

Montava[11,12]等對(duì)鋼筋混凝土T形節(jié)點(diǎn)和配有工字鋼的型鋼混凝土配T形節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低周反復(fù)荷載加載試驗(yàn)，研究其彈性和塑性階段直至斷裂的受力機(jī)理。結(jié)果表明，與鋼筋混凝土試件相比，型鋼混凝土試件破壞前塑性鉸偏轉(zhuǎn)更大，表現(xiàn)出更高的抗力和延展性。破壞過(guò)程中兩者節(jié)點(diǎn)的裂縫發(fā)展過(guò)程相似，但是型鋼混凝土試件耗能能力更強(qiáng)。采用IPN型鋼的解決方案比HEB型鋼的解決方案更加經(jīng)濟(jì)。

趙凱常[13]等對(duì)新型裝配式型鋼混凝土柱-鋼梁框架結(jié)構(gòu)邊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究，對(duì)3個(gè)不同連接方式的邊節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)。結(jié)果表明：螺栓連接的試件延性較好，但是承載力較低。梁和柱采用焊接連接方式的試件的減震耗能能力更好，采用栓焊混合連接方式的試件抗震性能最好。增加連接處連接板的厚度和長(zhǎng)度都對(duì)提高節(jié)點(diǎn)承載力和耗能能力有益。

錢(qián)芮[14]等以5個(gè)桁架式鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)框架中節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，其特點(diǎn)是鋼筋可以不用焊接，直接穿過(guò)節(jié)點(diǎn)區(qū)域。結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)內(nèi)部鋼與混凝土之間存在一定的粘結(jié)滑移，節(jié)點(diǎn)破壞主要是剪切破壞。軸壓比對(duì)節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能有較大影響，軸壓比過(guò)大時(shí)節(jié)點(diǎn)的減震耗能能力下降。作者最終以混凝土壓碎為節(jié)點(diǎn)破壞標(biāo)準(zhǔn)，提出該類空腹式節(jié)點(diǎn)抗剪承載力評(píng)估方法。

Kishiki[15]等對(duì)用鋼筋混凝土包裹的鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)三組不同梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了循環(huán)荷載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鋼管內(nèi)填充有混凝土?xí)r，節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度和剛度增加較大。結(jié)果表明，該類節(jié)點(diǎn)鋼管內(nèi)填充有混凝土?xí)r，節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度和抵抗變形的能力增加較大。梁柱節(jié)點(diǎn)表面殘余裂縫較小，可實(shí)現(xiàn)地震作用下的損傷預(yù)防。最后結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，重新評(píng)估節(jié)點(diǎn)各部分抗剪承載力貢獻(xiàn)，提出適用該型節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力計(jì)算方法。

2 帶斜支撐的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)抗震性能研究

普通框架結(jié)構(gòu)設(shè)置斜支撐后，梁、柱和斜撐組成的三角形結(jié)構(gòu)更具幾何穩(wěn)定性，提高建筑結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定和抗側(cè)剛度。同時(shí)，梁、柱和斜撐組成的桁架結(jié)構(gòu)傳力直接，構(gòu)件受到的彎矩和剪力相對(duì)更小，結(jié)構(gòu)承載力大大提高。帶斜支撐的鋼-混凝土結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在對(duì)承載力和抗震性能要求較高的轉(zhuǎn)換層、超高層建筑和特種工業(yè)建筑中。節(jié)點(diǎn)是連接梁柱和斜支撐的關(guān)鍵部位，是鋼-混凝土斜支撐結(jié)構(gòu)的傳力樞紐，在地震作用下，節(jié)點(diǎn)處于彎剪扭復(fù)合受力狀態(tài)，受力比較復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)剪切破壞是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、倒塌的重要原因之一，因此保證節(jié)點(diǎn)的安全可靠尤為重要。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)抗震性能進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究和理論分析，為工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

黃超[16,17]等對(duì)高層建筑斜交網(wǎng)格體系兩種形式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了研究，通過(guò)不同厚度鋼板的鋼管混凝土短柱軸壓試驗(yàn)和節(jié)點(diǎn)有限元分析。結(jié)果表明：混凝土受力變形時(shí)襯板等構(gòu)造措施可以提高混凝土抵抗變形的能力，進(jìn)而提高節(jié)點(diǎn)承載力和抗震性能。作者給出了構(gòu)造措施建議，同時(shí)提出了考慮網(wǎng)格角度和襯板厚度的節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算公式。

袁政強(qiáng)[18]等對(duì)型鋼混凝土桁架結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元分析，考慮了混凝土非線性,得到了內(nèi)力作用下各節(jié)點(diǎn)的承載能力和施工階段應(yīng)力分布。作者在施工階段對(duì)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)有限元分析計(jì)算結(jié)果與之相差不大。

張新明[19]對(duì)帶斜鋼支撐的型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了研究，建立了中節(jié)點(diǎn)和邊節(jié)點(diǎn)有限元模型，分析該類節(jié)點(diǎn)破壞機(jī)理和承載力影響因素。分析表明，型鋼腹板相對(duì)于翼緣板對(duì)節(jié)點(diǎn)的影響更大，增加腹板厚度或者提高材料強(qiáng)度對(duì)節(jié)點(diǎn)耗能抗剪承載力提高有益。箍筋也對(duì)抗剪承載力有一定的影響，承擔(dān)部分剪力。

金衛(wèi)明[20]等針對(duì)有方形鋼管斜支撐的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了研究。利用有限元軟件進(jìn)行分析，分析過(guò)程中引入合理的材料本構(gòu)及損傷因子，模擬該節(jié)點(diǎn)在最不利荷載組合作用下的工作情況。根據(jù)節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線得出節(jié)點(diǎn)極限承載力，滿足設(shè)計(jì)要求，為類似工程實(shí)例提供參考。

相較于普通型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)，斜支撐的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造更加復(fù)雜，影響節(jié)點(diǎn)承載力的因素更多。目前關(guān)于該類型節(jié)點(diǎn)的研究較少，主要是關(guān)于高層建筑轉(zhuǎn)化層和斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。研究主要集中于節(jié)點(diǎn)的承載能力和破壞形態(tài)方面,多為有限元工程應(yīng)用分析，且工程設(shè)計(jì)為保守彈性設(shè)計(jì),非線性因素影響較少研究。對(duì)節(jié)點(diǎn)內(nèi)不同材料的實(shí)際受力狀態(tài)、節(jié)點(diǎn)不同構(gòu)造的影響和節(jié)點(diǎn)應(yīng)力傳遞機(jī)理的研究不夠深入，相關(guān)實(shí)驗(yàn)較少。

3 結(jié) 論

隨著城市化進(jìn)程不斷加快，人們對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的性能要求不斷提高，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)無(wú)疑是重要的發(fā)展方向。在鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)中梁、柱和斜撐的力通過(guò)連接他們的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳遞，節(jié)點(diǎn)的破壞對(duì)結(jié)構(gòu)整體造成的損傷極大。鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)兩種材料協(xié)同工作，抗震性能優(yōu)于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，適用于對(duì)抗震要求較高的建筑。

a.鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究方法為：對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)域帶有一定長(zhǎng)度梁柱部分的試件模型進(jìn)行低周往復(fù)荷載加載試驗(yàn)或?qū)φw框架進(jìn)行震動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合有限元軟件計(jì)算結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比研究。

b.關(guān)于鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的研究較多，各國(guó)都有相應(yīng)的承載力評(píng)價(jià)方法，目前相關(guān)研究在向不同組合構(gòu)造形式發(fā)展。但是相關(guān)研究不夠完善，如型鋼加勁肋布置、鋼筋布置與錨固和梁柱型鋼連接方式等對(duì)節(jié)點(diǎn)抗剪承載力的影響還需進(jìn)一步研究。

c.裝配式鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)施工階段耗時(shí)短，對(duì)環(huán)境造成的影響更小，是未來(lái)建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展重要方向。關(guān)于其節(jié)點(diǎn)的研究在梁柱連接方式方面不夠完善，已有的裝配形式適用面較小。

d.帶斜支撐的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)傳力直接，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和承載力大大提高，適用于高層建筑。目前相關(guān)節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究較少，系統(tǒng)合理的承載力評(píng)估方法和設(shè)計(jì)方法需進(jìn)一步研究。