基于鋼管混凝土柱的梁柱混合節(jié)點(diǎn)研究進(jìn)展分析

曹瑞雪 （中鐵四局集團(tuán)建筑工程有限公司，安徽 合肥 230022）

1 引言

近年來(lái)，隨著建筑領(lǐng)域的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，梁柱節(jié)點(diǎn)作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵組成部分備受關(guān)注。梁柱節(jié)點(diǎn)是建筑結(jié)構(gòu)中至關(guān)重要的組成部分，承載著連接梁和柱以及傳遞和轉(zhuǎn)移荷載的重要任務(wù)[1]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)開(kāi)展了大量的研究工作，并研發(fā)了多種節(jié)點(diǎn)連接形式。新材料的應(yīng)用、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的發(fā)展和先進(jìn)的施工技術(shù)的引入，都為梁柱節(jié)點(diǎn)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供了新的可能性。

鋼管混凝土柱可充分發(fā)揮外包鋼管和內(nèi)填混凝土兩種材料的優(yōu)勢(shì)，具有強(qiáng)度高、塑性好、抗震性能優(yōu)越和施工便捷等優(yōu)勢(shì)[2-3]，廣泛應(yīng)用于高層建筑、大跨空間結(jié)構(gòu)、橋梁工程和工業(yè)建筑等領(lǐng)域。目前鋼管混凝土柱-鋼梁連接節(jié)點(diǎn)在工程領(lǐng)域得到了系統(tǒng)的研究和成熟的應(yīng)用。然而，隨著結(jié)構(gòu)跨度的增大或者荷載的增加，型鋼混凝土梁、鋼筋混凝土梁及其預(yù)應(yīng)力梁因建造成本較低等原因常與鋼管混凝土柱連接，形成新型結(jié)構(gòu)體系。其梁柱混合連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和施工依然存在挑戰(zhàn)，需要設(shè)計(jì)師和工程師不斷探索和實(shí)踐，以確保梁柱節(jié)點(diǎn)的可靠性和安全性。為此，本文綜述了此類(lèi)梁柱混合節(jié)點(diǎn)的連接類(lèi)型、試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬、理論分析及其工程應(yīng)用，并進(jìn)一步拓展了梁柱混合節(jié)點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，為理論研究和工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

2 基于鋼管混凝土柱的梁柱混合節(jié)點(diǎn)

為了使鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)能夠更好地應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研發(fā)了基于鋼管混凝土柱的梁柱混合節(jié)點(diǎn)，主要包括三種節(jié)點(diǎn)類(lèi)型，即鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁混合節(jié)點(diǎn)、鋼管混凝土柱-型鋼混凝土梁混合節(jié)點(diǎn)和鋼管混凝土柱-預(yù)應(yīng)力混凝土梁混合節(jié)點(diǎn)。

2.1 鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁混合節(jié)點(diǎn)

鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁的連接形式主要分為加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)、鋼筋貫通式節(jié)點(diǎn)、環(huán)梁式節(jié)點(diǎn)、螺栓連接式節(jié)點(diǎn)等。目前，針對(duì)鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁混合節(jié)點(diǎn)的研究已較為成熟，很多學(xué)者對(duì)該類(lèi)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)分析與理論計(jì)算，同時(shí)對(duì)該類(lèi)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元模擬，根據(jù)參數(shù)分析結(jié)果提出了相應(yīng)承載力簡(jiǎn)化計(jì)算模型和設(shè)計(jì)方法。

2.1.1 加強(qiáng)環(huán)式混合節(jié)點(diǎn)

黃俊等[4]提出了一種外加強(qiáng)環(huán)筋式T 形鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁混合節(jié)點(diǎn)，如圖1 所示。外加強(qiáng)環(huán)筋式混合節(jié)點(diǎn)是用環(huán)筋取代大尺寸的環(huán)板，通過(guò)環(huán)筋加大牛腿與鋼管焊接處的剛度，提高了節(jié)點(diǎn)的抗彎和抗剪能力，保證了鋼管的整體性。并且通過(guò)ABAQUS 有限元軟件對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抗震性能分析，結(jié)果表明，梁的配筋對(duì)節(jié)點(diǎn)的承載力和抗震性能影響最大。

圖1 外加強(qiáng)環(huán)筋式T形鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁節(jié)點(diǎn)[4]

李彥鵬等[5]對(duì)兩種鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元分析，如圖2 所示。一類(lèi)為設(shè)置了抗剪環(huán)的鋼筋焊接節(jié)點(diǎn)，另一類(lèi)為采用了長(zhǎng)圓形螺栓孔的螺栓過(guò)渡板連接節(jié)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)兩種節(jié)點(diǎn)承載力、應(yīng)力分布及耗能能力的研究，給出了相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)荷載-位移曲線。

圖2 兩種鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁節(jié)點(diǎn)[5]

2.1.2 鋼筋貫通式混合節(jié)點(diǎn)

堯國(guó)皇等[6]提出了一種鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁的新型混合節(jié)點(diǎn)。在鋼筋混凝土梁與鋼管混凝土柱連接區(qū)的鋼管局部開(kāi)矩形孔，使鋼筋混凝土梁中的縱向鋼筋貫穿節(jié)點(diǎn)不截?cái)?，從而使?jié)點(diǎn)域混凝土與混凝土梁形成整體，方便施工且保證了節(jié)點(diǎn)剛度，如圖3 所示。通過(guò)4 個(gè)節(jié)點(diǎn)試件的試驗(yàn)研究了節(jié)點(diǎn)的破壞過(guò)程、破壞形態(tài)和耗能性能。結(jié)果表明，試件的滯回曲線飽滿(mǎn)，試件達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，節(jié)點(diǎn)尚未破壞，僅梁發(fā)生了開(kāi)裂破壞，證實(shí)了此類(lèi)節(jié)點(diǎn)的可行性，滿(mǎn)足“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)原則。

圖3 鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁的新型節(jié)點(diǎn)形式[6]

Han L等[7]對(duì)薄壁鋼管混凝土柱-鋼筋混凝梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了循環(huán)加載試驗(yàn)，典型節(jié)點(diǎn)如圖4 所示。結(jié)果表明，雙向鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)具有良好的抗震性能，在實(shí)際工程中，尤其是在高設(shè)防烈度區(qū)，具有較好的應(yīng)用前景。

圖4 薄壁鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁節(jié)點(diǎn)[7]

Gan D 等[8]提出了一種方形薄壁鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁的混合節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)中混凝土梁的縱向受力鋼筋通過(guò)鋼管內(nèi)的矩形孔連續(xù)穿過(guò)節(jié)點(diǎn)域，以實(shí)現(xiàn)梁的荷載直接傳遞和節(jié)點(diǎn)的完整性，方形帶孔薄壁鋼管采用內(nèi)隔板加固，如圖5 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，內(nèi)隔板有效地提高了節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和延性。

圖5 方形薄壁鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁節(jié)點(diǎn)[8]

Wang Qingxiang 等[9]給出了由6 種連接件連接的鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁混合節(jié)點(diǎn)在循環(huán)往復(fù)荷載作用下的試驗(yàn)結(jié)果，節(jié)點(diǎn)由鋼管混凝土柱、鋼筋混凝土梁和預(yù)制連接鋼筋三部分組成，預(yù)制連接鋼筋通過(guò)鉆孔穿過(guò)鋼管，鋼筋兩頭分別焊有法蘭，梁的鋼筋分別焊接在法蘭頂部和底部的表面上，如圖6 所示。結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)延性直接依賴(lài)于鋼筋混凝土梁，鋼管對(duì)連接的強(qiáng)度只起到部分作用。

圖6 鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁節(jié)點(diǎn)[9]

Zhang Y F 等[10]提出了一種內(nèi)外雙層鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁混合節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)內(nèi)部的圓形鋼管貫通核心區(qū)，而外部方形鋼管在核心區(qū)外打斷。兩層鋼管之間預(yù)埋貫通的縱筋，核心區(qū)通過(guò)箍筋和貫通縱筋進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，如圖7所示。共對(duì)4 個(gè)混合節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低周循環(huán)加載試驗(yàn)，均發(fā)生了梁端破壞，荷載-位移滯回曲線的捏縮效應(yīng)較明顯，提高環(huán)梁配箍率可提高梁端承載力，使破壞區(qū)域靠近節(jié)點(diǎn)核心區(qū)。

圖7 內(nèi)外雙層鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁節(jié)點(diǎn)[10]

Tang X L 等[11]提出了一種新型鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁混合節(jié)點(diǎn)，柱內(nèi)鋼管在節(jié)點(diǎn)域斷開(kāi)，通過(guò)在鋼管內(nèi)預(yù)埋貫通的縱向受力鋼筋保證節(jié)點(diǎn)域的連續(xù)性，并在節(jié)點(diǎn)域內(nèi)通過(guò)箍筋和多層鋼筋網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，如圖8所示。對(duì)5個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)件進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)與梁的配筋率比值大于0.74，并且當(dāng)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)橫截面積與柱橫截面積比值大于4 時(shí)，可以保證“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)原則。

2.1.3 環(huán)梁式混合節(jié)點(diǎn)

CHEN Q J 等[12]提出了一種鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁節(jié)點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)設(shè)置環(huán)梁，鋼管在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)處開(kāi)孔，用于通過(guò)鋼筋混凝土梁內(nèi)的縱向受力鋼筋以保證其受力的連續(xù)性，如圖9所示。通過(guò)6 個(gè)該類(lèi)型節(jié)點(diǎn)的低周循環(huán)加載試驗(yàn)，驗(yàn)證了節(jié)點(diǎn)連接方式的可靠性。試驗(yàn)結(jié)果表明環(huán)梁式混合節(jié)點(diǎn)連接能夠保證“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)原則。精細(xì)化有限元分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)高軸壓比可以提高節(jié)點(diǎn)承載力，但會(huì)降低節(jié)點(diǎn)延性。

圖9 鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁環(huán)梁節(jié)點(diǎn)[12]

Wang W 等[13]進(jìn)行了4 個(gè)圓鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁節(jié)點(diǎn)滯回試驗(yàn)，試件采用環(huán)梁連接，鋼管周?chē)赣袌A形或方形鋼筋作為抗剪肋，鋼筋混凝土框架梁鋼筋不穿過(guò)鋼管，通過(guò)錨定的方式連接，如圖10 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，環(huán)梁處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，鋼管直徑和環(huán)梁縱筋率對(duì)環(huán)梁連接受力性能有重要影響。

圖10 圓鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁節(jié)點(diǎn)[13]

2.1.4 螺栓連接式混合節(jié)點(diǎn)

ZHA X X 等[14]進(jìn)行了鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁螺栓連接節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究，該節(jié)點(diǎn)通過(guò)在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)布置連接器將梁內(nèi)縱筋與連接器螺栓連接，如圖11 所示。縱筋螺栓連接可以避免施工現(xiàn)場(chǎng)焊接出現(xiàn)明火，也有利于加快施工進(jìn)度。通過(guò)兩個(gè)混合螺栓連接節(jié)點(diǎn)的低周循環(huán)加載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)承載力的提高對(duì)荷載-位移曲線的下降段影響較小，軸壓比越高，下降段剛度越大。

圖11 鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁螺栓連接節(jié)點(diǎn)[14]

2.2 鋼管混凝土柱-型鋼混凝土梁混合節(jié)點(diǎn)

區(qū)別于普通混凝土梁節(jié)點(diǎn)，鋼管混凝土柱-型鋼混凝土梁混合節(jié)點(diǎn)，是將鋼與混凝土重新進(jìn)行組合，將型鋼埋入混凝土中，極大地增強(qiáng)了混凝土梁結(jié)構(gòu)的承載能力、剛度及延性。同時(shí)型鋼與鋼管有著材料同一性和可塑性的特點(diǎn)，無(wú)論是鋼材焊接還是螺栓連接均可以提高安裝效率。為此，學(xué)者研發(fā)了多種鋼管混凝土柱-型鋼混凝土梁的混合連接節(jié)點(diǎn)。

吳詠龍[15]提出了一種方鋼管混凝土柱-型鋼混凝土梁新型節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)域沿著主梁方向型鋼不斷開(kāi)，型鋼貫通鋼管混凝土柱，如圖12 所示。通過(guò)有限元軟件建立的精細(xì)化分析模型對(duì)其進(jìn)行了抗震分析，新型節(jié)點(diǎn)滿(mǎn)足“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的構(gòu)造要求，并且節(jié)點(diǎn)的抗震和承載能力良好。

圖12 方鋼管混凝土柱-型鋼混凝土梁節(jié)點(diǎn)[15]

FENG S 等[16]提出了一種連接鋼管混凝土疊合柱與型鋼混凝土梁的新型混合節(jié)點(diǎn)，其中部分型鋼埋在預(yù)制混土梁中，鋼管混凝土柱外包混凝土，縱筋鋼筋直接焊接至預(yù)埋型鋼梁上下翼緣表面，鋼管混凝土疊合柱與型鋼短梁通過(guò)焊接形式連接，如圖13 所示。通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)該節(jié)點(diǎn)具有較好的延性與耗能能力。

圖13 鋼管混凝土疊合柱-型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)[16]

MOSHEER K A-M 等[17]針對(duì)鋼管混凝土柱-冷彎薄壁型鋼混凝土梁連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，如圖14 所示。在靜荷載下研究了4 個(gè)試樣，結(jié)果表明，由于鋼材有效面積的增加，節(jié)點(diǎn)承載能力和韌性都得到了提高；由于鋼管和冷成形鋼板段的約束效應(yīng)，混凝土強(qiáng)度得到了提高；添加鋼板可以控制裂縫寬度、減少裂縫長(zhǎng)度。

圖14 鋼管混凝土柱-冷彎薄壁型鋼混凝土梁[17]

XU X 等[18]提出了一種混凝土鋼管柱-U 型鋼混凝土梁連接節(jié)點(diǎn)，并且針對(duì)該節(jié)點(diǎn)開(kāi)展了循環(huán)載荷試驗(yàn)。該節(jié)點(diǎn)鋼管柱上有四個(gè)溝槽切口，使得橫梁的主雙C 通道和雙C 通道完全穿過(guò)節(jié)點(diǎn)，在主雙C 通道上有相同的凹槽切口，以允許橫梁的雙C 通道通過(guò)，U 型鋼梁的弧形腹板用鋼板焊接到雙C 通道上，上下尖牙分別焊接在鋼管柱和拱形鋼支架上，如圖15 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，軸向荷載對(duì)連接件的承載能力影響較大，且軸向荷載越大，延性越差，可以通過(guò)提高節(jié)點(diǎn)的配筋率來(lái)提高提高節(jié)點(diǎn)承載和耗能能力。

圖15 混凝土鋼管柱-U型鋼混凝土梁節(jié)點(diǎn)[18]

ZHAO Y C 等[19]和古松等[20]針對(duì)鋼管混凝土柱-型鋼混凝土梁節(jié)點(diǎn)，通過(guò)有限元法的非線性分析，采用循環(huán)往復(fù)載荷對(duì)模型進(jìn)行加載模擬，探討了節(jié)點(diǎn)承載力、耗能能力以及動(dòng)力響應(yīng)。

鄧國(guó)專(zhuān)[21]對(duì)鋼管混凝土柱-型鋼混凝土梁加強(qiáng)環(huán)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究和分析，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖16 所示，鋼管混凝土柱外側(cè)焊接加強(qiáng)環(huán)板，結(jié)果表明，外加強(qiáng)環(huán)影響了節(jié)點(diǎn)承載力，通過(guò)改變節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)環(huán)板的寬度，可以改變節(jié)點(diǎn)承載力與梁構(gòu)件承載力之間的大小關(guān)系，從而滿(mǎn)足抗震設(shè)計(jì)的“節(jié)點(diǎn)更強(qiáng)”的原則。

圖16 鋼管混凝土柱-型鋼混凝土梁加強(qiáng)環(huán)節(jié)點(diǎn)[21]

何樂(lè)平等[22]提出了一種適用于快速施工的新型矩形鋼管混凝土柱-型鋼混凝土梁貫通式節(jié)點(diǎn)，通過(guò)工字鋼穿插形式完成節(jié)點(diǎn)貫通及拼接，節(jié)點(diǎn)工字鋼穿插示意圖如圖17 所示。對(duì)4 個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擬靜力加載試驗(yàn)，從試件的滯回曲線、剛度、延性等方面探討了節(jié)點(diǎn)的抗震性能。結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)剛度較大，滿(mǎn)足規(guī)范設(shè)計(jì)要求，同時(shí)可避免核心混凝土澆筑困難的問(wèn)題。

圖17 工字鋼穿插示意圖[22]

陳振明等[23]針對(duì)超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑，提出了一種鋼牛腿式鋼管混凝土柱-型鋼混凝土梁混合節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)應(yīng)用環(huán)梁包覆，鋼管通過(guò)焊接鋼牛腿起到連接過(guò)渡的作用，梁中焊接型鋼與鋼牛腿以達(dá)到節(jié)點(diǎn)連接的目的，具體連接方式如圖18所示。

圖18 鋼牛腿式鋼管混凝土柱-型鋼混凝土梁節(jié)點(diǎn)[23]

2.3 鋼管混凝土柱-預(yù)應(yīng)力混凝土梁混合節(jié)點(diǎn)

鋼管混凝土柱-預(yù)應(yīng)力混凝土梁混合節(jié)點(diǎn)，不僅能夠發(fā)揮鋼管和混凝土兩種材料高強(qiáng)度、良好延展性、抗疲勞性和抗沖擊性的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可以結(jié)合預(yù)應(yīng)力梁的超強(qiáng)抗壓、承載力大、性?xún)r(jià)比高、整體剛性好和抗震性強(qiáng)等多種優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)其容易開(kāi)裂、抗拉性能差等缺點(diǎn)，充分利用高強(qiáng)度材料（高強(qiáng)度混凝土、高強(qiáng)度鋼筋），提高結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。但是由于節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜性，針對(duì)鋼管混凝土柱和預(yù)應(yīng)力混凝土梁相結(jié)合的混合節(jié)點(diǎn)形式比較欠缺，僅少數(shù)學(xué)者進(jìn)行了相應(yīng)研究。

方梅等[24]和邱劍等[25]對(duì)3 個(gè)鋼管混凝土柱-預(yù)應(yīng)力混凝土梁節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行了低周往復(fù)加載試驗(yàn)，該節(jié)點(diǎn)在核心區(qū)鋼管上留有預(yù)應(yīng)力孔洞，預(yù)應(yīng)力筋穿管而過(guò)，如圖19 所示。試驗(yàn)研究了不同預(yù)應(yīng)力對(duì)試件的破壞形態(tài)、滯回曲線、剛度、延性及耗能能力等的影響。結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力使得梁下部受拉區(qū)域的剛度退化加快，耗能性能降低，預(yù)應(yīng)力對(duì)節(jié)點(diǎn)受力性能影響比較明顯。

圖19 鋼管混凝土柱-預(yù)應(yīng)力混凝土梁節(jié)點(diǎn)[24-25]

林聰?shù)萚26]采用有限元軟件ABAQUS 對(duì)圓鋼管混凝土柱-預(yù)應(yīng)力混凝土梁混合節(jié)點(diǎn)在受力過(guò)程中混凝土梁的裂縫發(fā)展機(jī)理以及節(jié)點(diǎn)域內(nèi)鋼筋、環(huán)板、牛腿、抗剪環(huán)的應(yīng)力分布情況進(jìn)行了深入研究，探明了預(yù)應(yīng)力在受力過(guò)程中對(duì)試件受剪性能的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上對(duì)試件進(jìn)行了不同預(yù)應(yīng)力的參數(shù)分析。結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力提高了節(jié)點(diǎn)的開(kāi)裂荷載、屈服荷載和受剪承載力。有限元分析模型如圖20所示。

圖20 圓鋼管混凝土柱-預(yù)應(yīng)力混凝土梁節(jié)點(diǎn)[26]

丁陽(yáng)等[27]對(duì)一種新型鋼管混凝土柱-預(yù)應(yīng)力混凝土梁T 形混合節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖21 所示。采取低周往復(fù)加載試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)破壞形態(tài)、剛度、延性、節(jié)點(diǎn)承載力以及耗能能力進(jìn)行分析。結(jié)果表明，該節(jié)點(diǎn)具有良好的延性、承載力以及耗能能力，滿(mǎn)足規(guī)范的大震設(shè)計(jì)要求，節(jié)點(diǎn)域剛度大、剪切變形小。

圖21 鋼管混凝土柱-預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁T形混合節(jié)點(diǎn)[27]

范業(yè)庶[28]針對(duì)鋼管混凝土柱與預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁相交形成的梁柱節(jié)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)5 個(gè)試件進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn)研究，主要考察其在地震作用下的破壞形態(tài)、受力機(jī)理、節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度、剛度、延性、耗能能力來(lái)評(píng)判其抗震性能，如圖22 所示。結(jié)果顯示，預(yù)應(yīng)力很好地減小了結(jié)構(gòu)變形，滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)原則。

圖22 鋼管混凝土柱-預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁節(jié)點(diǎn)[28]

宋曦麟[29]、侯志勇[30]和肖寶第[31]對(duì)鋼管混凝土柱-無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁進(jìn)行了分析研究，水平結(jié)構(gòu)采用無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁，豎向結(jié)構(gòu)采用鋼管混凝土柱，二者有機(jī)結(jié)合，相較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)梁柱截面變得更小，梁柱承載力得到了大幅提高，具有更大的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁施工工藝簡(jiǎn)單、操作方便、可有效利用施工空間。

3 混合節(jié)點(diǎn)工程應(yīng)用

在工程結(jié)構(gòu)中，為了滿(mǎn)足獨(dú)特的設(shè)計(jì)及構(gòu)造要求，預(yù)應(yīng)力梁柱混合節(jié)點(diǎn)能夠很好地解決結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遇到的技術(shù)難題。

杭州東站站臺(tái)層采用了鋼管混凝土柱-預(yù)應(yīng)力混凝土梁結(jié)構(gòu)[32]。站房結(jié)構(gòu)體系受力明確，與建筑形態(tài)相契合。通過(guò)大量的結(jié)構(gòu)分析和必要的結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)，對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)受力進(jìn)行了理論分析和驗(yàn)證，在確保結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟(jì)性的前提下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提升了建筑的使用功能和建筑形態(tài)，如圖23 和24 所示。

圖23 杭州東站[32]

圖24 節(jié)點(diǎn)預(yù)應(yīng)力管道布置圖[32]

田記旺[33]以蘭州中川機(jī)場(chǎng)二期擴(kuò)建航站樓工程為例，如圖25 所示，重點(diǎn)對(duì)鋼管混凝土柱-預(yù)應(yīng)力混凝土梁節(jié)點(diǎn)施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。

圖25 蘭州中川機(jī)場(chǎng)二期[33]

貴陽(yáng)北站[34]高架候車(chē)層采用了大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁，如圖26 所示，鋼管混凝土柱-預(yù)應(yīng)力混凝土梁節(jié)點(diǎn)是保證結(jié)構(gòu)承載力和抗震性能的關(guān)鍵。該項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)預(yù)應(yīng)力筋貫穿鋼管混凝土柱，鋼管預(yù)留貫穿長(zhǎng)圓孔，鋼管內(nèi)部焊接內(nèi)隔板，外部焊接外環(huán)板用以補(bǔ)強(qiáng)，避免了過(guò)度開(kāi)孔穿筋對(duì)鋼管造成過(guò)大削弱。節(jié)點(diǎn)構(gòu)造圖如圖27所示。

圖26 貴陽(yáng)北站[34]

圖27 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造圖[34]

高志宏[35]以呼和浩特東站站房為例（圖28），采用ADINA 有限元軟件建立鋼管混凝土柱-預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土梁節(jié)點(diǎn)模型（圖29），研究了節(jié)點(diǎn)區(qū)域加強(qiáng)環(huán)板設(shè)置方式、厚度及預(yù)應(yīng)力截?cái)辔恢脤?duì)節(jié)點(diǎn)受力性能的影響。結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力筋在2.5 倍型鋼梁高以外截?cái)鄬?duì)節(jié)點(diǎn)的影響不大。

圖28 呼和浩特東站站房[35]

圖29 節(jié)點(diǎn)有限元模型圖[35]

4 鋼管混凝土柱-預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁（擬開(kāi)展研究）

4.1 工程概況

廣州至汕尾鐵路新塘站站房位于廣州市增城區(qū)新塘鎮(zhèn)站前路以南、環(huán)城路以北、規(guī)劃一路以東、新源路以西。新塘站建筑規(guī)模約為18 萬(wàn)m2，站房主體為3層，局部為4 層。建筑總高度為33.9m，站臺(tái)層到屋面最高點(diǎn)為40.9m，站房分為站臺(tái)層、地面候車(chē)層、高架進(jìn)站層和商業(yè)夾層。新塘站站房屋蓋為大跨度空間結(jié)構(gòu)，其中南北側(cè)區(qū)域?yàn)榫W(wǎng)架結(jié)構(gòu)、中間區(qū)域?yàn)殍旒芙Y(jié)構(gòu)，建設(shè)中的新塘站如圖30所示。

圖30 廣州新塘站

預(yù)應(yīng)力工程施工范圍為9.75m候車(chē)層、16.75m 進(jìn)站層，框架梁中采用直徑15.2mm 有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力型式，樓板中采用直徑15.2mm無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力型式。

4.2 混合節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本工程候車(chē)層為圓鋼管混凝土柱-預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁混合結(jié)構(gòu)，采用了環(huán)梁節(jié)點(diǎn)和鋼牛腿設(shè)計(jì)，如圖31 所示。圓鋼管混凝土柱截面尺寸為鋼管半徑750mm，壁厚40mm，高度12000mm，內(nèi)灌C40 混凝土；主梁尺寸為1100mm×1600mm，總長(zhǎng)18000mm，澆筑C40 混凝土；節(jié)點(diǎn)環(huán)梁直徑2700mm，高2300mm，澆筑C40 混凝土；采用直徑15.2mm 低松弛鋼絞線作為預(yù)應(yīng)力筋，預(yù)應(yīng)力波紋管貫穿梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)。

圖31 廣州新塘站鋼管混凝土柱-預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁節(jié)點(diǎn)

為了檢驗(yàn)應(yīng)用于該工程的混合節(jié)點(diǎn)受力的可靠性和抗震的安全性，并提出相應(yīng)的抗震設(shè)計(jì)方法，同時(shí)為規(guī)范修訂和工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室條件，按照1:5 的相似比原理設(shè)計(jì)加工了2 個(gè)節(jié)點(diǎn)試件，其中一個(gè)試件與實(shí)際工程保持一致，另一個(gè)試件去除鋼牛腿形成對(duì)比件，未澆筑混凝土的試件如圖32所示。

圖32 縮尺的鋼管混凝土柱-預(yù)應(yīng)力混凝土梁節(jié)點(diǎn)試件

4.3 試驗(yàn)裝置

采用實(shí)驗(yàn)室的MTS 作動(dòng)器擬開(kāi)展循環(huán)往復(fù)加載試驗(yàn)，分析試件在加載全過(guò)程中的承載能力、變形能力、裂縫發(fā)展規(guī)律、鋼筋屈服順序和傳力分配機(jī)理，檢驗(yàn)混合節(jié)點(diǎn)受力的可靠性和安全性。擬采用的加載裝置如圖33 所示，低周反復(fù)加載制度如圖34 所示，每級(jí)加載位移下進(jìn)行2～3 個(gè)循環(huán)。當(dāng)測(cè)得的水平向柱端荷載下降到峰值荷載的85%以下時(shí)停止加載。

圖33 試驗(yàn)裝置

圖34 加載制度

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)基于鋼管混凝土柱的梁柱混合節(jié)點(diǎn)的綜述，主要得出以下結(jié)論。

綜合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁連接節(jié)點(diǎn)主要分為加強(qiáng)環(huán)式、鋼筋貫通式、環(huán)梁式和螺栓連接式混合連接節(jié)點(diǎn)。

鋼管混凝土柱-型鋼混凝土梁節(jié)點(diǎn)構(gòu)造根據(jù)梁柱整體性主要區(qū)分為兩大類(lèi)，一類(lèi)鋼管柱在節(jié)點(diǎn)處斷開(kāi)，梁貫穿節(jié)點(diǎn)，另一類(lèi)型鋼梁在節(jié)點(diǎn)處斷開(kāi)，鋼管柱貫穿節(jié)點(diǎn)。

通過(guò)對(duì)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬以及試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果都表明預(yù)應(yīng)力能夠增大節(jié)點(diǎn)承載力及提高結(jié)構(gòu)的耗能能力。

提出的各類(lèi)基于鋼管混凝土柱的梁柱混合節(jié)點(diǎn)基本均滿(mǎn)足“強(qiáng)柱若梁，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)原則。在試驗(yàn)驗(yàn)證和理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，已應(yīng)用于多個(gè)實(shí)際工程項(xiàng)目，并帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。