□文/王玉良 于慶榮

□于慶榮/天津大學(xué)建筑工程學(xué)院。

約束混凝土柱-組合梁混合結(jié)構(gòu)應(yīng)用研究

□文/王玉良 于慶榮

由約束混凝土柱和組合梁組成的混合結(jié)構(gòu)能夠克服鋼筋混凝土梁、柱的截面大、自重大、抗震不利、施工麻煩的缺點(diǎn)。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于約束混凝土柱的箍筋直徑、間距、配箍特征值、平均約束應(yīng)力和軸壓比限值等。梁和柱的節(jié)點(diǎn)是該結(jié)構(gòu)體系的核心問(wèn)題，比較端板螺栓連接節(jié)點(diǎn)、鋼筋連接節(jié)點(diǎn)、角鋼桁架節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)，以端板螺栓連接節(jié)點(diǎn)和角鋼桁架節(jié)點(diǎn)為好。通過(guò)約束混凝土柱-組合梁混合結(jié)構(gòu)體系與異形柱結(jié)構(gòu)體系實(shí)際工程設(shè)計(jì)用材對(duì)比，該結(jié)構(gòu)能夠節(jié)省混凝土、鋼材用量。

約束混凝土柱；組合梁；混合結(jié)構(gòu)

隨著我國(guó)建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，高層建筑、大跨度建筑中單純采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)增加構(gòu)件截面和自重，已不甚合理；由于混凝土的抗拉強(qiáng)度微小到可以忽略，因此對(duì)于多拉區(qū)的結(jié)構(gòu)、構(gòu)件采用混凝土也是不合理的。鋼和混凝土各有自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高、自重輕，其缺點(diǎn)是受壓失穩(wěn)和不耐火，適用于抗拉、超高層、大跨度。混凝土構(gòu)件的剛度大、耐火，適用于抗壓而不適于抗拉，缺點(diǎn)是自重很大。如果將兩種結(jié)構(gòu)混合使用將會(huì)揚(yáng)長(zhǎng)避短，是節(jié)能減排、減輕自重的有效途徑。高強(qiáng)箍筋約束高強(qiáng)混凝土柱和鋼與混凝土組合梁的混合結(jié)構(gòu)就是一種充分發(fā)揮混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)各自的優(yōu)點(diǎn)、避免其各自缺點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形式。

約束混凝土柱的構(gòu)造特點(diǎn)

高強(qiáng)箍筋約束高強(qiáng)混凝土柱（見(jiàn)圖1）采用高強(qiáng)箍筋（fyv≥1100MPa）、小肢距的連續(xù)復(fù)合螺旋箍對(duì)高強(qiáng)混凝土形成有效約束，提高構(gòu)件的承載力，增強(qiáng)其抗變形能力。

約束混凝土柱的構(gòu)造特點(diǎn)在于箍筋直徑、間距、配箍特征值、平均約束應(yīng)力和軸壓比限值等。

（1）框架柱和框支柱上下兩端箍筋應(yīng)加密，加密區(qū)的箍筋最大間距和箍筋最小直徑見(jiàn)表1。

表1 柱端箍筋加密區(qū)的構(gòu)造要求 mm

（2）框架柱的箍筋加密區(qū)長(zhǎng)度應(yīng)取柱截面長(zhǎng)邊尺寸、柱凈高的1/6和500mm中的最大值。一、二級(jí)抗震等級(jí)的角柱應(yīng)沿柱全高加密箍筋。高強(qiáng)箍筋約束混凝土柱能在很大范圍內(nèi)變小偏壓為大偏壓，見(jiàn)圖2。增加塑性變形能力，可以提高軸壓比限值，見(jiàn)表2。

表2 約束混凝土框架柱軸壓比限值

（3）柱采用高強(qiáng)箍筋時(shí)，加密區(qū)箍筋的體積配筋率應(yīng)符合式（1）規(guī)定

表3 柱箍筋加密區(qū)的箍筋最小配箍特征值

框架柱應(yīng)采用復(fù)合高強(qiáng)箍或井字復(fù)合箍，其最小配箍特征值應(yīng)按表中的數(shù)值增加0.02取用且體積配筋率≮1.5%。

當(dāng)剪跨比λ≤2時(shí)，一、二、三級(jí)抗震等級(jí)的柱應(yīng)采用復(fù)合高強(qiáng)箍或井字復(fù)合箍，其箍筋體積配筋率≮1.2%。

在柱箍筋加密區(qū)外，箍筋的體積配筋率不宜小于加密區(qū)配箍率的一半。

高強(qiáng)箍筋加密區(qū)內(nèi)平均約束應(yīng)力σr=pwfvv應(yīng)滿足表4要求。

表4 箍筋加密區(qū)的最小平均約束應(yīng)力 MPa

框架柱的箍筋加密區(qū)長(zhǎng)度應(yīng)取柱截面長(zhǎng)邊尺寸（或圓形截面直徑）、柱凈高的1/6和500mm中的最大值；框支柱和角柱以及剪跨比＜2的框架柱應(yīng)在柱全高范圍內(nèi)加密箍筋且箍筋間距≯50mm；長(zhǎng)柱在柱端加密區(qū)以外箍筋間距≯100mm。

梁、柱配置連續(xù)螺旋箍，在中部搭接時(shí)，長(zhǎng)度宜超過(guò)兩個(gè)轉(zhuǎn)角，在端部錨固長(zhǎng)度宜大于一圈，末端均設(shè)有135°彎鉤加10d直線段，錨固在核心混凝土內(nèi)。

梁、柱節(jié)點(diǎn)

約束混凝土柱-組合梁混合結(jié)構(gòu)梁、柱節(jié)點(diǎn)在日本進(jìn)行過(guò)將近50種不同構(gòu)造的節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)，取得大量的成果。以下僅對(duì)端板螺栓連接節(jié)點(diǎn)（圖3）、鋼筋連接節(jié)點(diǎn)（圖4）和角鋼桁架節(jié)點(diǎn)（圖5）3種構(gòu)造節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)進(jìn)行研究。

試驗(yàn)結(jié)果表明，端板螺栓連接節(jié)點(diǎn)與角鋼桁架節(jié)點(diǎn)的抗震性能較好。實(shí)尺寸模型試驗(yàn)的滯回曲線見(jiàn)圖6。滯回曲線在大變形時(shí)由于鋼板箍或角鋼桁架的約束承載力很少下降，而且滯回環(huán)飽滿。它和相同尺寸的方形鋼管混凝土柱鋼梁節(jié)點(diǎn)的滯回曲線相比，是比較優(yōu)越的。

鋼筋連接節(jié)點(diǎn)實(shí)尺寸模型試驗(yàn)的滯回曲線見(jiàn)圖7，承載力在峰值后很少下降，只是有鋼筋粘接破壞的滑移現(xiàn)象。

組合梁下部型鋼在約束柱混凝土上，混凝土局部受壓應(yīng)力集中，混凝土?xí)核槎コ休d力。為此節(jié)點(diǎn)部位在鋼梁下翼緣下設(shè)鋼板箍，鋼板箍本身能承受壓力，同時(shí)它約束混凝土增加混凝土局部受壓承載力，鋼板箍尺寸應(yīng)滿足 tw/hb≥1/33，hw/hb≥1/5，tw/bc≥1/38。

式中：tw——窄鋼板箍厚度；

hw——窄鋼板箍高度；

hb——梁型鋼高度；

bc——柱截面寬度。

節(jié)點(diǎn)核心區(qū)內(nèi)部配箍筋施工困難，前兩種節(jié)點(diǎn)用寬鋼板箍代替箍筋，施工方便。角鋼桁架節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)的滯回曲線見(jiàn)圖8，滯回環(huán)十分飽滿。梁I字型鋼可以直通或切斷翼緣。對(duì)于邊節(jié)點(diǎn)I型鋼伸入節(jié)點(diǎn)混凝土內(nèi)部應(yīng)設(shè)計(jì)為機(jī)械錨固。角鋼伸出節(jié)點(diǎn)外宜取1.5hc，hc為柱截面高度，是加強(qiáng)柱端承載力。

鋼筋連接節(jié)點(diǎn)的粘結(jié)破壞，形成滯回曲線的滑移現(xiàn)象，克服的辦法是在連接鋼筋上焊機(jī)械錨固鋼件。鋼筋連接節(jié)點(diǎn)施工比較麻煩。

角鋼桁架節(jié)點(diǎn)在角鋼肢內(nèi)部焊鋼筋（相當(dāng)于箍筋）。在有垂直梁時(shí)則角鋼上焊鋼板，另一端焊于梁工型鋼腹板上。

經(jīng)濟(jì)效益

約束混凝土柱-組合梁混合結(jié)構(gòu)體系減輕了結(jié)構(gòu)自重（特別是梁重）。例如一根6m跨的鋼筋混凝土梁，改用約束混凝土柱組合梁即可以減少自重近20kN，相應(yīng)的節(jié)省水泥。它簡(jiǎn)化了梁的配筋，澆筑樓板可以省去支架，鋼筋工與混凝土工都可以加快施工進(jìn)度；最重要的是由于約束混凝土柱和組合梁的塑性變形能力很好，能確?？拐鸬陌踩?。

以天津清水家園1號(hào)工程為例，設(shè)計(jì)采用異形柱結(jié)構(gòu)體系和采用約束混凝土柱-組合梁混合結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)2種體系，所需材料見(jiàn)表5。

表5 天津清水家園2種結(jié)構(gòu)體系用材對(duì)比

結(jié)語(yǔ)

約束混凝土柱-組合梁混合結(jié)構(gòu)體系是一種新興的組合結(jié)構(gòu)體系。約束混凝土柱的性能類似鋼管混凝土柱，由于柱中核心區(qū)混凝土受到有效約束，從而提高了柱的強(qiáng)度與延性。為保證結(jié)構(gòu)約束效果，必須滿足相應(yīng)的箍筋直徑、間距、配箍特征值、平均約束應(yīng)力和軸壓比限值要求。梁和柱的節(jié)點(diǎn)是該結(jié)構(gòu)體系的核心問(wèn)題，節(jié)點(diǎn)采用鋼板箍約束節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土，承載組合梁對(duì)混凝土的剪力、壓力都是十分有效的。比較端板螺栓連接節(jié)點(diǎn)、鋼筋連接節(jié)點(diǎn)、角鋼桁架節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)，以端板螺栓連接節(jié)點(diǎn)和角鋼桁架節(jié)點(diǎn)為好。

[1]馬宏偉，姜維山，于慶榮，等.連接鋼筋傳力的組合梁及復(fù)合螺旋箍混凝土柱節(jié)點(diǎn)的研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2002,32（5）：10-13.

[2]陳林.鋼-混凝土組合梁與鋼筋混凝土柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法的試驗(yàn)研究[D].南京：東南大學(xué)，2003.

[3]Chin-Tung Cheng,Cheng-Chin Chen．Seismic Behavior of Steel Beamand Reinforced Concrete Column Connections[J]．Journal of Constructional Steel Research,2005，61（9）：587-606．

TU398

C

1008-3197（2010）01-09-04

2010-02-01

王玉良/男，1978年出生，講師，博士，天津城市建設(shè)學(xué)院土木工程系，主要從事混凝土結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)方面研究。

□于慶榮/天津大學(xué)建筑工程學(xué)院。