熊禮全， 門進(jìn)杰

(西安建筑科技大學(xué)，陜西西安710055)

鋼筋混凝土柱-鋼梁組合框架結(jié)構(gòu)(簡稱RCS組合框架)是一種新型結(jié)構(gòu)形式。由于該結(jié)構(gòu)具有充分利用建筑材料、承載力高、施工速度快、節(jié)約資金等優(yōu)點(diǎn)，在美國和日本得到較廣泛的應(yīng)用[1]。相對鋼框架而言，RCS組合框架具有較大的結(jié)構(gòu)阻尼、層間剛度，且造價較低，耐火性能好；而與混凝土框架相比，RCS組合框架可明顯減輕結(jié)構(gòu)自重，降低結(jié)構(gòu)層高、增大結(jié)構(gòu)跨度，而獲得更大的使用空間。

目前對RCS組合節(jié)點(diǎn)的研究主要集中在平面節(jié)點(diǎn)，即梁、柱構(gòu)件處于同一個豎向平面內(nèi)。然而，實(shí)際工程中，地震作用和結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)往往是多維的，梁-柱節(jié)點(diǎn)往往是在彎矩、剪力、軸力等多維復(fù)合作用下破壞的。所以，單一的考慮平面內(nèi)的節(jié)點(diǎn)破壞不能完全地反映梁-柱節(jié)點(diǎn)的實(shí)際受力狀態(tài)，需要從空間上更加全面的且符合構(gòu)件實(shí)際受力狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的進(jìn)行節(jié)點(diǎn)研究。

1 國外RCS空間組合節(jié)點(diǎn)的研究狀況

RCS組合框架體系首先在美國得到廣泛的應(yīng)用，為了更加全面地了解該體系的受力性能，研究者做了關(guān)于RCS空間組合節(jié)點(diǎn)一系列試驗(yàn)。1999年，美國TexasA&MUniversity[2]完成了六個“梁貫通型”RCS空間組合節(jié)點(diǎn)的研究，重點(diǎn)考慮了反復(fù)荷載作用下混凝土樓板和交叉梁對節(jié)點(diǎn)的受力機(jī)理、破壞模式、抗震性能等相關(guān)受力性能的影響。此試驗(yàn)為組合節(jié)點(diǎn)在有混凝土樓板作用下對節(jié)點(diǎn)性能的影響提供了有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時也驗(yàn)證了在中低層框架結(jié)構(gòu)體系中加入小型鋼對加快施工的積極作用。同年，Joseph等[3]對RCS組合結(jié)構(gòu)體系的抗震性能進(jìn)行了研究，為滿足RCS組合框架體系的抗震要求，對RCS空間組合節(jié)點(diǎn)中梁、柱、節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造要求提出相應(yīng)的建議，從而指導(dǎo)節(jié)點(diǎn)設(shè)計。

圖1 空間節(jié)點(diǎn)

2000年，Joseph等[4]完成了六個RCS空間組合節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載作用下的試驗(yàn)，其中有五個中節(jié)點(diǎn)，一個邊節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)參見圖1(a)所示。試驗(yàn)主要考慮了不同的構(gòu)造措施對空間節(jié)點(diǎn)受力性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，只要有適當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施，RCS空間組合構(gòu)件具有良好的抗剪承載力、延性和耗能能力等。2004年，XuemeiLiang等[5]完成了四個空間節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)，兩個中節(jié)點(diǎn)和兩個邊節(jié)點(diǎn)，考慮了混凝土樓板對節(jié)點(diǎn)受力的影響。該試件以“強(qiáng)柱弱梁”為設(shè)計依據(jù)，并且以變形控制節(jié)點(diǎn)破壞。研究內(nèi)容包括節(jié)點(diǎn)變形、破壞形式、滯回性能、型鋼應(yīng)力、節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動等。試驗(yàn)表明，帶樓板的RCS空間組合構(gòu)件具有良好的抗震性能，梁的轉(zhuǎn)動引起的變形占樓層轉(zhuǎn)動的60 %左右。2005年，Chin-TungCheng等[6]完成了三個足尺的RCS空間節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)，考慮了混凝土樓板的作用，節(jié)點(diǎn)參見圖1(b)所示。研究內(nèi)容包括節(jié)點(diǎn)變形、節(jié)點(diǎn)承載力、節(jié)點(diǎn)滯回性能等。研究表明，空間節(jié)點(diǎn)具有良好的滯回性能，有良好的延性；節(jié)點(diǎn)在柱邊緣能夠形成良好的塑性鉸，具有良好變形能力；相對于無樓板的節(jié)點(diǎn)，帶混凝土樓板的空間節(jié)點(diǎn)的極限承載力大約提高25 %左右。

日本在RCS空間組合節(jié)點(diǎn)方面也有許多的研究。1997年，Nishiyama等人[2]完成了四個空間節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載作用下的試驗(yàn)，三個“柱貫通”節(jié)點(diǎn)和一個“梁貫通”，節(jié)點(diǎn)考慮混凝土樓板的作用。研究表明，空間節(jié)點(diǎn)在非貫通平面內(nèi)的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度和受力性能與平面節(jié)點(diǎn)沒有明顯的區(qū)別，同時平面加載模型也適用于該平面。但是該試驗(yàn)是否具有普遍性還需要進(jìn)一步的研究。1998年，日本建筑承包商協(xié)會做了6個“柱貫通型”空間節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)[7]，RCS空間組合節(jié)點(diǎn)考慮了混凝土樓板作用。研究內(nèi)容包括節(jié)點(diǎn)變形、軸壓比、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造措施等因素對RCS空間組合節(jié)點(diǎn)受力性能的影響。結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，提高軸壓比能夠提高節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和剛度，從而提高組合節(jié)點(diǎn)的承載力；在構(gòu)造措施適當(dāng)時，RCS空間組合節(jié)點(diǎn)具有良好的滯回性能即良好的抗震性能。

2 國內(nèi)RCS空間組合節(jié)點(diǎn)的研究狀況

我國關(guān)于RCS空間組合構(gòu)件起步較晚。2003年，馬宏偉[8]進(jìn)行了六個足尺的RCS空間組合構(gòu)件進(jìn)行了低周循環(huán)荷載試驗(yàn)，其中兩個為端板螺栓連接，四個為連接鋼筋連接，考慮了混凝土樓板對節(jié)點(diǎn)的影響。研究內(nèi)容包括荷載層間滯回曲線、連接方式不同、軸壓比、節(jié)點(diǎn)承載力等因素。研究表明，端板螺栓連接構(gòu)件形成了較明顯的梁端塑性鉸，節(jié)點(diǎn)以梁端破壞為標(biāo)志；樓板的存在能夠明顯地提高節(jié)點(diǎn)承載力；兩類構(gòu)件都具有較大的層間位移，節(jié)點(diǎn)具有良好的延性和耗能能力，能夠在有抗震要求的地區(qū)使用，并且提出該類節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的設(shè)計建議。2006年，趙作周等人[9]完成了三個RCS空間組合節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載作用的試驗(yàn)，分別為一個中節(jié)點(diǎn)、一個邊節(jié)點(diǎn)和一個頂層節(jié)點(diǎn)，構(gòu)件都考慮了縱橫梁對節(jié)點(diǎn)受力性能的影響。學(xué)者主要研究了RCS空間組合節(jié)點(diǎn)在荷載作用下的破壞形式、受力性能、節(jié)點(diǎn)滯回性能等，初步了解該類節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能。研究表明，RCS組合構(gòu)件具有良好的延性和耗能能力，節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造措施對節(jié)點(diǎn)受力有很大的影響。根據(jù)試驗(yàn)，作者對該類節(jié)點(diǎn)提出了幾點(diǎn)構(gòu)造措施的建議，用于指導(dǎo)RCS空間組合節(jié)點(diǎn)的設(shè)計。

2008年，陸堅鐵[10]等人完成了7個1/2縮尺的端板螺栓連接的鋼-混凝土柱組合節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)，考慮了混凝土樓板的作用，參見圖2(a)所示。作者基于端板螺栓連接的鋼-混凝土組合梁與混凝土柱節(jié)點(diǎn)的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，對此類節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了較深入的研究。研究內(nèi)容包括節(jié)點(diǎn)受力過程、破壞形式、滯回曲線、骨架曲線、延性等抗震性能。研究結(jié)果表明:端板螺栓連接的鋼-混凝土組合梁與混凝土柱節(jié)點(diǎn)試件的滯回曲線呈梭形，且較為豐滿，耗能能力強(qiáng)；組合梁橫向配筋率及其配筋形式、組合梁剪力連接度對節(jié)點(diǎn)的承載力影響并不顯著，但對節(jié)點(diǎn)的延性有顯著的影響。橫向配筋率的增大及橫向配筋為封閉式可提高節(jié)點(diǎn)的變形能力，剪力連接度越高變形能力越強(qiáng)。

圖2 RCS空間節(jié)點(diǎn)

2009年，李賢[11]完成了七個端板螺栓邊節(jié)點(diǎn)RCS空間組合節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)，其中兩個節(jié)點(diǎn)(CEJ4、SEJ3)考慮了樓板作用，參見圖2(b)所示。研究表明，混凝土樓板的存在保證了節(jié)點(diǎn)合理的傳力路徑，明顯提高了節(jié)點(diǎn)承載力，保證了節(jié)點(diǎn)“強(qiáng)柱弱梁，節(jié)點(diǎn)更強(qiáng)”的抗震設(shè)計理念，同時指出在設(shè)計該類節(jié)點(diǎn)時需要考慮混凝土樓板的組合效應(yīng)。但是沒有給出具體的設(shè)計建議或者是承載力公式的建議。

3 RCS 組合框架節(jié)點(diǎn)研究存在的問題

雖然國內(nèi)外對型鋼梁-鋼筋混凝土柱空間組合節(jié)點(diǎn)做了大量試驗(yàn)，但是還是存在許多問題，主要表現(xiàn)如下：

(1)我國對型鋼梁-鋼筋混凝土柱框架結(jié)構(gòu)體系中空間節(jié)點(diǎn)的研究才剛剛起步。如前所述，我國對RCS空間組合節(jié)點(diǎn)的研究節(jié)點(diǎn)數(shù)量偏少，在空間節(jié)點(diǎn)受力性能和抗震性能沒有形成系統(tǒng)的理論體系，而且各個試驗(yàn)構(gòu)件的試驗(yàn)方案、環(huán)境、試驗(yàn)方法等因素各不同，很難形成系統(tǒng)性和統(tǒng)一性。

(2)試驗(yàn)很難對RCS空間組合節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全面的了解。試驗(yàn)過程中有許多重要數(shù)據(jù)很難測到，如節(jié)點(diǎn)各組成部分的應(yīng)力分布狀態(tài)、應(yīng)力在試驗(yàn)過程中變化、各組成部分的抗剪承載力以及各部分抗剪承載力的參與程度等等，再加上RCS空間組合節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造措施選擇形式的多樣性決定了該類節(jié)點(diǎn)受力性能復(fù)雜性，要全面了解RCS空間組合節(jié)點(diǎn)的受力性能僅僅通過試驗(yàn)是不夠的，需要借助有限元軟件進(jìn)行模擬。所以需要更多的學(xué)者從有限元方面對該類節(jié)點(diǎn)進(jìn)行更加系統(tǒng)的研究。

(3)大部分研究主要集中在梁-柱節(jié)點(diǎn)，對結(jié)構(gòu)體系整體性研究相對較少。在試驗(yàn)中，往往需要節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞，而這跟實(shí)際工程所遵循“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的原則相違背。所以，根據(jù)試驗(yàn)所得出的結(jié)論是否適用于實(shí)際節(jié)點(diǎn)設(shè)計，還需要進(jìn)一步的研究。要準(zhǔn)確地了解結(jié)構(gòu)體系實(shí)際受力狀態(tài)，僅僅對梁-柱節(jié)點(diǎn)研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要從結(jié)構(gòu)整體上給予考慮。

4 結(jié)束語

鋼筋混凝土柱-型鋼梁(RCS)組合框架體系一種比較合理的結(jié)構(gòu)形式，它能充分發(fā)揮混凝土與型鋼這兩種材料各自的優(yōu)點(diǎn)，在美國和日本得到廣泛的應(yīng)用。美日對這類結(jié)構(gòu)體系研究較早，在節(jié)點(diǎn)設(shè)計、節(jié)點(diǎn)抗震、體系整體設(shè)計等方面都有一定的研究，但是還不夠成熟。我國對RCS組合框架體系的研究起步較晚，需要大量的工作需要更多的學(xué)者對該體系進(jìn)行研究。

[1] 門進(jìn)杰, 史慶軒, 周琦. 鋼筋混凝土柱-鋼梁組合框架節(jié)點(diǎn)研究進(jìn)展[J]. 結(jié)構(gòu)工程師, 2012, 28(1): 153-158

[2]GregoryGDeierlein,HiroshiNoguchi.ResearchonRC/SRCcolumnsystems[C]. 12WCEE,Auckland:1AEE, 2000

[3]MiehaelNBugeja,JosephMBracci,WalterPMooreJr.SeismicDesignAndConstructabilityofRCSSpecialMomentFrames[J].JoumalofStructuralEngineering, 1999, 125(4) :385-392

[4]MiehaelNBugeja,JosephMBracci,WalterPMooreJr.SeismicbehaviorofcompositeRCSframesystems[J].JoumalofStructuralEngineering, 2000, 126(4) : 429-435

[5]XuemeiLiang,GustavoJ,Parra-Moniesinos.Seismicbehaviorofreinforcedconcretecolumn-steelbeamsubassembliesandframesystems[J].JournalofStructuralEngineering, 2004, 130(2) : 310-319

[6 ]Chin-TungCheng,Cheng-ChihChen.Seismicbehaviorofsteelbeamandreinforcedconcretecolumnconnections[J].JournalofConstructionalSteelResearch, 2005, 61: 587-606

[ 7]GregoryG.Deierlein,HiroshiNoguchi.OverviewofU.S.-Japanresearchonseismicdesignofcompositereinforcedconcreteandsteelmomentframe.JournalofStructuralEng-ineering, 130(2):361-367, 2004

[8] 馬宏偉. 組合梁與連續(xù)復(fù)合螺旋箍混凝土柱節(jié)點(diǎn)研究[D]. 西安建筑科技大學(xué),2003

[9] 趙作周, 錢稼茹, 楊學(xué)斌, 等. 鋼梁-鋼筋混凝土柱連接節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu), 2006,36(8): 69-73

[10] 陸鐵堅, 賀子瑛, 余志武,等. 鋼-混凝土組合梁與混凝土柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報, 2008, 29(1):71-74

[11] 李賢. 端板螺栓連接鋼-混凝土組合節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究[D]. 湖南大學(xué), 2009