孫小華，胡響陽，董 震，房 晨，何 亮，郭志鵬

(1.中建科技有限公司華東分公司，上海 200120； 2.杭州市城東新城建設投資有限公司，浙江 杭州 310017；3.中建科技集團有限公司，北京 100195)

0 引言

鋼筋混凝土柱-鋼梁(reinforcement column-steel beam，RCS)混合框架結構體系是豎向承重構件采用鋼筋混凝土柱、水平承重構件采用鋼梁的抗彎框架結構體系，其設計理念充分體現(xiàn)混合結構以下特點：一方面，框架柱主要承受豎向和水平荷載，可視為壓彎構件，采用受壓性能良好的鋼筋混凝土，與鋼柱相比更經(jīng)濟；混凝土構件厚實截面可顯著增加結構抗側剛度、減小層間側移，且能有效避免鋼構件薄柔截面存在的失穩(wěn)缺陷；鋼筋混凝土柱具有優(yōu)良的防火耐腐性能，與鋼柱相比可進一步降低防火耐腐涂層用料和人工成本。另一方面，框架梁主要承受樓面和墻體荷載，可視為受彎構件，采用抗拉性能優(yōu)異的鋼材，實現(xiàn)了在增大構件空間跨度的情況下盡量減小截面尺寸，從而增加房屋的有效使用空間，提高工程建設速度，縮短工期，直接節(jié)約了樓蓋混凝土模板與臨時支撐費用；自重較小，可減小整體結構地震作用，增加結構抗震安全性能和延性，降低基礎造價。RCS混合框架結構體系兼具鋼筋混凝土和鋼材的優(yōu)點，能夠最大限度地發(fā)揮材料性能優(yōu)勢，是經(jīng)濟高效的結構形式[1]。本文對RCS混合框架結構體系國內外研究現(xiàn)狀及工程應用進行介紹，指出該結構體系當前研究中存在的不足，并結合我國建筑行業(yè)發(fā)展趨勢展望該結構體系應用前景，以供相關研究與設計人員參考，進一步推廣該結構體系在我國工程中的應用。

1 RCS混合框架結構體系的研究

1.1 研究背景

RCS混合框架結構體系的概念起源于美國，隨著美國建筑工程行業(yè)對混合結構與組合結構研究的逐漸深入而提出的。20世紀70年代前，鋼骨混凝土(型鋼混凝土)和鋼結構設計理念得到廣泛認同，在美國中高層建筑中應用較多。工程實踐表明，鋼骨混凝土中存在型鋼和受力(構造)鋼筋，連接復雜，施工難度大，不容忽視材料和人工成本的增加。鋼結構存在抗側剛度有限、需增加防火防腐涂層和維護成本的缺陷。鑒于上述情況，20世紀70年代中期，學者Shimizu率先提出了RCS混合框架結構體系設想，并迅速得到了建筑工程行業(yè)的積極響應。美國在此期間陸續(xù)修建了若干采用RCS混合框架結構體系的多高層建筑，造成了該結構體系設計理論嚴重滯后于工程實踐的問題?；诖?，多位美國學者呼吁學界緊跟工程建設的腳步[2-3]，深入研究RCS混合框架結構體系受力性能，全面分析混凝土與鋼材的相互作用。此后，學者們廣泛關注RCS混合框架結構體系的研究，并逐漸開展大量的系統(tǒng)考察。

1.2 研究歷程

對于抗彎框架而言，提供抗側力的核心部位為柱腳與梁柱節(jié)點，剛接和鉸接單層框架在水平集中荷載作用下的彎矩和側移如圖1所示。由圖1可知，梁柱節(jié)點剛接不僅能夠顯著改善柱受力狀態(tài)，使整個結構彎矩分布更均衡，進而充分發(fā)揮各構件力學性能，且可有效增加框架抗側剛度，減小自身整體側移。而RCS混合框架結構體系中的梁柱連接是為了實現(xiàn)性能完全不同2種材料(鋼筋混凝土和鋼材)的融合，其合理設計與構造是確?？箓饶芰Πl(fā)揮的關鍵因素。因此，RCS混合框架結構體系的早期研究主要聚焦于梁柱節(jié)點，美國、日本、中國均在這方面進行了大量工作，具有代表性的研究成果介紹如下。

圖1 剛接與鉸接框架彎矩和側移對比

1.2.1美國

1989年，得克薩斯州立大學(University of Texas)Shiekh等[4-5]第1次對RCS混合框架結構節(jié)點開展了系統(tǒng)性研究，對15個大比例尺寸(縮尺比例為2∶3)試件進行荷載試驗研究，其中7個試件施加單調靜力荷載，8個試件施加低周往復荷載，系統(tǒng)考察了節(jié)點承載力、轉動剛度和4種構造結構(面承板、內嵌承載板、架立鋼柱和抗剪栓釘)的有效性。試驗結果表明，RCS混合框架結構節(jié)點具有良好的強度、剛度和延性，合理的構造形式能夠顯著提高節(jié)點承載力和變形性能。在試驗的基礎上，首次提出了RCS混合框架結構節(jié)點典型破壞模式，如圖2所示。

圖2 節(jié)點典型破壞模式

剪切破壞的突出特征是核心區(qū)鋼梁腹板受剪屈服和混凝土受剪破壞，承壓破壞的突出特征是鋼梁上下翼緣對應柱邊緣部位的混凝土在受拉區(qū)出現(xiàn)裂縫，受壓區(qū)被壓碎?；谏鲜銎茐哪Ｊ胶鸵延幸?guī)范，給出了RCS混合框架結構節(jié)點設計模型和建議，最終提出了基于“強度控制”設計思想的節(jié)點承載力計算公式。然而，相關研究主要著眼于節(jié)點靜力強度和剛度，并未深入研究節(jié)點在地震作用下的非彈性受力和變形性能，且分析對象以框架一般層內部節(jié)點為主，使RCS混合框架結構體系的應用受到限制，僅適用于中低烈度設防地區(qū)。

1993年，康奈爾大學(Cornell University)Kanno[6]為驗證RCS混合框架結構節(jié)點在高烈度設防區(qū)推廣使用的可行性，對11組(共19個)大比例尺寸試件強度、變形和抗震性能進行了深入試驗研究。試驗結果表明，即使在高烈度設防區(qū)，合理設計的RCS混合框架結構節(jié)點仍具有良好的抗震承載力和變形性能。Kanno在總結各試件破壞形態(tài)的基礎上，進一步研究4種不同的破壞模式，如圖3所示。除節(jié)點核心區(qū)破壞(包括剪切破壞和承壓破壞)外，RCS混合框架結構節(jié)點尚有可能發(fā)生梁鉸破壞、混合破壞和柱鉸破壞，其中，核心區(qū)承壓破壞與柱鉸破壞的滯回曲線存在不容忽視的捏縮現(xiàn)象，且延性較差，抗震性能不佳，應在設計中予以重視，加以避免。

圖3 節(jié)點4種破壞模式

2000年，鑒于已有研究成果僅局限于中間層內部節(jié)點，密歇根大學(University of Michigan)Parra-Montesinos等[7]對9個縮尺比例為3∶4的RCS混合框架結構節(jié)點進行了低周往復荷載作用下的試驗研究(見圖4)，重點研究了連接構造結構(U形箍筋、上下鋼箍板)和新型材料(纖維混凝土、高強膠凝組合材料)對節(jié)點抗震性能的影響。試驗結果表明，設計合理的RCS混合框架結構體系邊節(jié)點仍具有良好的抗震承載力和延性，可用于高烈度設防區(qū)；可靠的構造結構和新型建筑材料的使用能夠提高節(jié)點受剪性能和塑性變形能力，可減少乃至取消核心區(qū)箍筋。2001年，Parra-Montesinos等[8]通過對比試驗結果與已有理論分析結果的差異，提出了基于“變形控制”設計理念的節(jié)點設計模型及相應的承載力計算公式，但該公式的有效性仍需進行進一步的試驗驗證。

圖4 荷載試驗平面節(jié)點

此后，經(jīng)過十多年對RCS混合框架結構節(jié)點受力性能的研究，多位學者開始研究鋼梁組合效應，探究混凝土樓板和空間效應對節(jié)點性能的加強作用。1999年至2004年，得克薩斯農業(yè)機械大學(Texas A & M University)[9]和密歇根大學(University of Michigan)[10]研究人員先后對帶樓板的RCS混合框架結構節(jié)點進行了試驗研究。試驗結果表明，在樓板加強效應作用下，中間節(jié)點和邊節(jié)點均表現(xiàn)出良好的滯回性能。然而上述研究僅證實并支持了樓板對節(jié)點的有利機制，并未提及設計分析和承載力計算過程中對加強效應的量化。

美國工程學界提出RCS混合框架結構體系的初衷是將其作為傳統(tǒng)中高層純鋼框架或型鋼混凝土結構的延伸，采用綜合性能更優(yōu)的鋼筋混凝土柱替代鋼柱，一般采用“梁貫通型”節(jié)點，如圖5所示。

圖5 “梁貫通型”節(jié)點構造

“梁貫通型”節(jié)點的優(yōu)點是整體性好，能在提供較大承載力和剛度的同時避免大量焊接作業(yè)；缺點是造成了核心區(qū)柱截面的削弱，增加了鋼筋尤其是箍筋的布設難度，影響了核心區(qū)混凝土澆筑質量。

1.2.2日本

1987年以前，受限于當時日本建筑學會(AIJ)《鋼骨混凝土規(guī)范》相關條文的嚴格制約，日本建筑工程中禁止使用RCS混合框架結構體系。直至20世紀80年代末，受美國RCS混合框架結構體系工程應用和相關研究的啟發(fā)，日本建筑界和AIJ認識到了RCS混合框架結構體系的優(yōu)勢，才使該結構體系逐漸應用于工程建設中。

1988年，AIJ首次在型鋼混凝土結構運營委員會下設置了“組合、混合結構小委員會”，這標志著日本建筑界對RCS混合框架結構體系的認知有了全面轉變。起初，僅有部分私人建筑公司針對某些工程項目開展了RCS混合框架結構節(jié)點試驗研究；20世紀80年代末至90年代初，針對400余個RCS混合框架結構節(jié)點子結構，開展了試驗研究；至20世紀末，各大建筑公司成功研發(fā)并應用于工程實踐中的RCS混合框架結構節(jié)點專利已超過30項[11]。然而，上述研究主要針對具體的RCS混合框架結構節(jié)點形式，并未系統(tǒng)深入地研究節(jié)點受力機制與破壞模式等問題。

20世紀90年代中期，日本學者聯(lián)合美國學者開始對RCS混合框架結構節(jié)點傳力機制和設計模型進行全面研究。1997年，日本建筑研究協(xié)會(Building Research Institute)和建筑承包商社(Building Research Institute and Building Contractor Society)對10個平面中間節(jié)點進行了試驗研究，系統(tǒng)考察了4種構造結構(柱面鋼板、面承板、正交短梁和加勁肋)對節(jié)點受剪性能的影響。自1997年開始，日本建筑研究協(xié)會Nishiyama等[12]先后對6個帶樓板的空間內部節(jié)點進行了雙向加載試驗研究。試驗結果表明，節(jié)點在雙向受力狀況下的受力性能與單向(平面)加載時并無明顯區(qū)別，這意味著RCS混合框架結構節(jié)點平面設計模型適用于空間模型。日本千葉大學研究學者開展了16個 RCS混合框架結構節(jié)點試驗，包括12個外部節(jié)點、1個內部節(jié)點和3個角部節(jié)點，Kim等[13]基于試驗數(shù)據(jù)進行了有限元分析，對有效節(jié)點寬度等因素對節(jié)點設計公式的影響等進行了分析，實現(xiàn)了節(jié)點傳力路徑的可視化，并討論了RCS混合框架結構節(jié)點傳力機制。

1998年，大阪技術學院(Osaka Institute of Technology)Nishimura[14]進行了7個中間節(jié)點和5個輔助構件的相關試驗，檢驗了“梁貫通型”節(jié)點構造剪切和承壓受力機理，研究結果對于RCS混合框架結構節(jié)點承載力計算公式中各組成部分的細化改進具有重要價值。

2004年，Kuramoto等[15]進行了3個RCS混合框架結構節(jié)點低周往復荷載試驗研究，深入分析柱面鋼板、外伸式面承板和水平加勁肋對節(jié)點抗震性能的影響。在試驗研究的基礎上，提出了RCS混合框架結構節(jié)點傳力模型和抗剪承載力計算公式。試驗結果表明，采用較厚的柱面鋼板和適合的面承板能夠改善節(jié)點核心區(qū)水平桁架和斜壓桿抗剪性能，進而有效提高節(jié)點剪切強度和抗震性能。

鑒于高烈度抗震設防的現(xiàn)實需求，日本將RCS混合框架結構視為對傳統(tǒng)鋼筋混凝土框架結構的變革，主要將其應用于低多層混凝土辦公樓和零售商業(yè)中心。 與美國RCS混合框架結構節(jié)點的區(qū)別之處在于，日本RCS混合框架結構節(jié)點一般采用“柱貫通型”，即節(jié)點核心區(qū)保證了柱貫通完整，鋼梁不伸入，通過高強螺栓或焊縫連接在柱端預埋連接件上，如圖6所示?！爸炌ㄐ汀惫?jié)點的最大好處是有利于核心區(qū)混凝土澆筑成型，且構造較簡單，施工速度快；不足之處在于節(jié)點核心區(qū)受力復雜，梁柱連接部位易出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，進而對節(jié)點受力產(chǎn)生不利影響，其整體性、剛度和承載力遜色于“梁貫通型”節(jié)點。

圖6 “柱貫通型”節(jié)點構造

1.2.3中國

與美國、日本相比，我國對RCS混合框架結構節(jié)點的研究起步較晚，查閱相關文獻知，我國首次對該節(jié)點的試驗研究出現(xiàn)于21世紀初期，2001年，天津大學楊建江等[16]以天津泰達大廈工程設計為依托，對4個RCS混合框架結構節(jié)點在低周往復荷載作用下的受力性能進行了研究，節(jié)點形式參考Shiekh等的試驗給出，其中，3個試件在核心區(qū)采用了鋼梁腹板切斷、翼緣貫通的構造，綜合考察了軸壓比、連接構造和鋼梁截面尺寸對節(jié)點承載力和變形能力的影響，并基于試驗數(shù)據(jù)給出了建議的承載力計算公式。研究結果表明，鋼梁腹板、支承加勁肋和栓釘能夠顯著提高節(jié)點抗剪承載力，實際工程應用中應避免發(fā)生柱端混凝土承壓破壞。

2005年，重慶大學易勇[17]對3個“梁貫通型”中間層RCS混合框架結構節(jié)點進行了低周往復荷載試驗研究，分析了高剪壓比條件下配箍率、軸壓比、面承板和加強筋等對節(jié)點抗震性能的影響，并結合試驗數(shù)據(jù)和理論分析，提出了對應的節(jié)點抗剪承載力計算公式。研究結果表明，“梁貫通型”RCS混合框架結構節(jié)點傳力路徑可概括為3個層次、4種機構：①節(jié)點核心區(qū)鋼梁翼緣與腹板組成的框架-剪力墻機構；②鋼梁高度范圍內核心區(qū)內部混凝土斜壓桿機構；③鋼梁高度范圍外核心區(qū)外部混凝土桁架機構與斜壓桿機構。3個層次按照順序依次提供抗力，直至節(jié)點最終破壞。當試件發(fā)生梁端出鉸而后剪切破壞的失效模式時，RCS混合框架結構節(jié)點具有良好的綜合抗震性能。

2005年，湖南大學肖巖等[18]提出了端板連接“柱貫通型”RCS混合框架結構節(jié)點，即梁端通過預埋穿芯高強螺栓的端板與混凝土柱實現(xiàn)可靠連接，并在后續(xù)進行的4個節(jié)點試件低周往復荷載試驗研究中考察了節(jié)點破壞模式和抗震性能[19-20]，如圖7a所示。試驗過程中，提前發(fā)生了連接破壞(包括螺栓斷裂與端板撕裂)的部分節(jié)點塑性變形能力尚未充分發(fā)揮，整體延性和耗能能力較差。為確保節(jié)點具有良好的抗震性能，需在節(jié)點設計中綜合考慮螺栓預拉力、強度和端板厚度的影響。2009年，李賢[21]在試驗研究的基礎上，采用有限元分析軟件ANSYS對端板連接“柱貫通型”RCS混合框架結構節(jié)點進行了數(shù)值分析，取得了較合理準確的研究結果，證明了利用有限元軟件對RCS混合框架結構節(jié)點開展模擬是可行的。

圖7 節(jié)點連接構造

2006年，以北京涂裝車間工程為依托，清華大學趙作周等[22]進行了3個“梁貫通型”RCS混合框架結構節(jié)點往復加載試驗研究，試件采用了面承板+鋼箍板構造形式。試驗結果表明，設計合理的“梁貫通型”節(jié)點能夠滿足“強柱弱梁”“強連接弱構件”的抗震概念要求，表現(xiàn)出良好的抗震性能。

2007年，西安建筑科技大學申紅俠[23]采用有限元分析軟件ANSYS對邊柱RCS混合框架結構節(jié)點靜力性能進行了全面考察，深入分析了節(jié)點受力狀態(tài)、傳力路徑和破壞模式。在數(shù)值分析的基礎上，對美國土木工程學會(ASCE)給出的RCS混合框架結構節(jié)點設計模型和計算公式進行了修正，為該節(jié)點的實用設計和構造措施提供數(shù)據(jù)參考。

2009年，武漢理工大學戴紹斌團隊[24]對3個“柱貫通型”RCS混合框架結構節(jié)點進行了擬靜力試驗研究，對比分析了核心區(qū)配置箍筋、鋼筋網(wǎng)片和架立鋼柱對節(jié)點抗震性能的影響。研究結果表明，不同構造措施可在不同程度上提高節(jié)點抗震性能，其中配置架立鋼柱的節(jié)點具有最優(yōu)的承載力、延性和耗能能力。

2012年，華僑大學郭子雄等[25]提出了采用高強螺栓-端板連接的“鋼板桶”式“柱貫通型”RCS混合框架結構節(jié)點(見圖7b)，并進行了4個縮尺比例為1∶2的試件往復荷載試驗研究，重點探討了核心區(qū)加勁腹板厚度和開洞對節(jié)點抗震性能的影響。研究結果表明，RCS混合框架結構節(jié)點具有良好的承載力和耗能能力，腹板開洞幾乎對節(jié)點整體受力性能無影響，且能夠增強鋼梁腹板與核心區(qū)混凝土的協(xié)同工作性能。

2014年，江蘇科技大學潘志宏等[26]提出了核心區(qū)增設“田字”格柵(角鋼圍焊)的“梁貫通型”RCS混合框架結構節(jié)點，如圖7c所示，外伸梁端通過端板連接。開展了3個節(jié)點試件抗震性能試驗研究，研究結果表明，該種新型節(jié)點具有較高的承載力和良好的耗能性能。

2014年，西安建筑科技大學門進杰等[27]提出了核心區(qū)鋼梁腹板貫通、翼緣切除的中間層RCS混合框架結構節(jié)點，如圖7d所示。通過低周往復荷載試驗系統(tǒng)考察了6種不同構造節(jié)點(面承板、正交短梁、鋼箍板、柱面鋼板、“X”形鋼筋和外伸面承板-端板螺栓)的抗震性能，試驗結果表明，6種試件均表現(xiàn)出良好的滯回性能，合理的構造能夠有效提高RCS混合框架結構節(jié)點抗剪承載力和變形性能。相比而言，發(fā)生承壓破壞的節(jié)點承載力退化大，剛度退化快，受力性能和整體性較剪切破壞型節(jié)點差。

1.3 研究現(xiàn)狀

在各種不同構造形式節(jié)點試驗研究和理論分析的基礎上，各國對RCS混合框架結構體系的研究進一步深入。出于試驗經(jīng)費和分析時間等因素的綜合考慮，國外對 RCS混合框架結構體系的研究主要通過國際合作項目得以完成，而我國對該結構體系的研究基本處于起步階段，需開展更廣泛的研究。

1.3.1美國與日本的合作研究

早在美國與日本進行合作研究前，日本已對RCS混合框架結構體系性能進行了初步探索，分別由3家建筑公司對4個縮尺框架試件進行了相關試驗研究[9]，其中Tokyu公司研究了1個試件，Nishimatsu公司研究了2個試件，Okumura公司研究了1個試件。從1993年開始，RCS混合框架結構體系作為美國、日本針對組合結構抗震性能研究項目的組成部分，兩國開展了為期多年的合作，對梁柱節(jié)點和縮尺框架進行了研究。1997年，大阪技術學院(Osaka Institute of Technology)Baba等[28]對1榀縮尺比例為1∶3的2層2跨RCS平面框架進行了低周往復荷載試驗研究，節(jié)點為“梁貫通型”，核心區(qū)采用柱面鋼板和鋼箍板構造形式。試件最終發(fā)生節(jié)點剪切屈服和柱鉸破壞，滯回曲線較飽滿穩(wěn)定，節(jié)點承載力較高，且呈現(xiàn)出良好的變形性能。隨后，Noguchi等對RCS平面框架進行了有限元分析，并與試驗結果進行了對比，結果表明數(shù)值模擬能夠較好地反映該框架受力性能與損傷發(fā)展情況。

1998年，千葉大學(Chiba University) Nishimura等[29]對另外1榀縮尺比例為1∶3的2層2跨RCS平面框架進行了擬靜力試驗研究，該試件節(jié)點形式仍為“梁貫通型”，但核心區(qū)采用了面承板構造形式，最終試件發(fā)生梁鉸機制破壞，具有良好的延性與耗能能力。Noguchi等[30]采用三維非線性有限元建模方法對該平面框架試件進行了數(shù)值模擬分析，重點考慮了節(jié)點核心區(qū)鋼材與混凝土的相互作用。對比試驗結果與數(shù)值分析結果可知，Noguchi等[30]建立的有限元模型較合理，計算節(jié)點抗剪承載力時需考慮橫向鋼梁面承板的貢獻。

1.3.2我國與美國的合作研究

為彌補美國、日本合作研究僅進行了縮尺框架試驗且數(shù)量有限的不足，美國與我國臺灣地區(qū)進行了合作研究，對足尺RCS混合框架結構進行了分析。2004年，Chen等[31]對1榀3層3跨足尺RCS混合框架結構進行了擬動力試驗研究，該試件節(jié)點形式為“梁貫通型”，采用鋼箍板構造。試驗結果表明，設計合理的 RCS混合框架結構體系具有良好的抗震性能，能夠滿足預定的設防目標。隨后，Cordova等[32]對這次試驗進行了數(shù)值模擬分析，提出了RCS混合框架結構局部損傷指標參數(shù)。

2010年，Chou等[33]進行了1榀單層雙跨足尺框架滯回性能試驗研究，試件梁柱連接采用了后張拉自復位技術，開展此次試驗的主要目的是檢驗RCS混合框架結構自復位節(jié)點性能、損傷開展進程和強度退化過程，并在試驗研究的基礎上完成了1榀3層自復位連接RCS混合框架子結構時程分析。研究結果表明，采用自復位連接的RCS混合框架結構具有良好的承載力和延性，在有限元模型中采用彈簧單元能夠較好地模擬后張拉自復位節(jié)點。

現(xiàn)階段我國對RCS混合框架結構體系的研究較少，查閱公開發(fā)表的論文可知，西安建筑科技大學郭智峰[34]于2014年對1榀縮尺比例為1∶3的2層2跨RCS混合框架結構進行了低周往復荷載試驗研究，試件中梁柱節(jié)點采用鋼梁腹板伸入核心區(qū)、翼緣斷開、加設柱面鋼板構造的方案，試驗時考慮豎向荷載P-Δ效應，框架邊柱軸壓比取0.15，中柱軸壓比取0.30，在頂層梁端由MTS電壓伺服作動器施加水平往復荷載?；谠囼灁?shù)據(jù)，采用OpenSEES軟件對RCS混合框架結構推覆性能開展參數(shù)分析。研究結果表明，鋼梁腹板貫通的RCS混合框架結構滯回曲線較飽滿，呈現(xiàn)出良好的延性和耗能性能。通過有限元模擬分析，得到6個參數(shù)(混凝土強度等級、鋼梁強度、柱中縱筋強度、軸壓比、梁柱屈服彎矩比和線剛度比)對結構抗震性能的影響程度。

1.4 設計標準

早在1994年，基于Shiekh等于1989年進行的試驗研究結果及分析模型，ASCE編制了第1版《鋼筋混凝土柱-鋼梁混合節(jié)點設計指南》[35]。前文已提及，Shiekh等的研究并未深入分析RCS混合框架結構節(jié)點在地震作用下的非彈性受力行為，且其研究對象僅限于中間層一般節(jié)點，未涉及邊節(jié)點和角節(jié)點。此外，后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，Shiekh等提出的承載力計算公式過于保守，不同構造節(jié)點理論計算強度與實際試驗結果存在不容忽略的差異，造成材料浪費和結構超強。因此，該版設計指南的使用具有較大的局限性。此后，不少學者(如Kanno，Parra-Montesinos，Wight等)對RCS混合框架結構節(jié)點受力機制逐步進行了深入探索，補充完善其設計模型與強度計算公式。2004年，結合美國與日本合作研究項目的成果，Nishiyama等[36]總結出《RCS混合框架結構抗震設計指南》，進一步豐富和拓展了RCS混合框架結構體系應用范圍。2015年，在積累多年研究成果的基礎上，美國對1994年版的設計指南進行了修訂，編制出《鋼筋混凝土柱-鋼梁抗彎節(jié)點設計標準》(草案)[37]，用于更好地指導RCS混合框架結構設計。1994年，鑒于前期日本各公司對RCS混合框架結構節(jié)點的大量試驗，日本AIJ組合、混合結構小委員會編制出《RCS混合節(jié)點設計準則》[38]。結合不同構造形式的RCS混合框架結構節(jié)點在日本的實際應用情況，該準則將混凝土柱-鋼梁節(jié)點分為以下類型(見圖8)：①“梁貫通型” 包括柱面鋼板、面承板、外伸面承板、鋼箍 板、十字錨板、抗剪栓釘和架立鋼柱7種構造形式；②“柱貫通型” 包括縱橫加勁、內隔板、外環(huán)板和預應力混凝土螺栓(PC Bolts)-端板4種構造形式；③混合型 鋼梁端部采用混凝土外包，便于與柱端連接。步入新世紀以來，隨著基于性能設計理念的興起，日本組合結構學界開始進行RCS混合框架結構研究探索，并于2009年編制首版《鋼與組合結構基于性能的設計標準》[39]，用于指導鋼與混凝土組合結構的設計實踐。

圖8 節(jié)點標準類型

與美國、日本相比，我國在RCS混合框架結構體系領域的研究開展較晚，尚未形成完整成熟的研究體系，在設計標準方面的成果有限，現(xiàn)行規(guī)范中中國工程建設標準化協(xié)會于2008年頒布的CECS 230：2008《高層建筑鋼-混凝土混合結構設計規(guī)程》[40]第7.5條給出了“梁貫通型”RCS混合框架結構節(jié)點構造示意，供實際工程設計參考。然而其給出的連接形式與構造措施較單一，在一定程度上制約了RCS混合框架結構體系的使用與推廣。

2 工程實踐

2.1 國外

美國早在20世紀80時代就已經(jīng)開始了RCS混合框架結構的工程應用。1982年，得克薩斯州休斯頓市建造的2座超高層建筑中采用了RCS混合框架結構，其中，1座為First City Tower[41]，地上49層，高,207m；另1座為Three Houston Center Gulf Tower Building[42]，地上52層，均采用了框架-核心筒體系，內筒為鋼筋混凝土剪力墻，外接RCS剛性連接框架(見圖9)，二者共同為整個結構提供抗側力。在First City Tower中，鋼梁與核心筒剪力墻連接，作為建筑抗側力組成的有益補充。此外，4棟14～17層高度不等的高層建筑同樣采用了RCS混合框架結構[43]，整個結構設計為密柱體系，鋼梁采用實心矩形截面鋼管，梁端通過支承板與1根長螺栓夾緊混凝土柱端，實現(xiàn)剛性連接，用于抵抗地震作用，如圖10所示。由于RCS混合框架結構體系研究的滯后，這些建筑均按美國當時已有的混凝土結構和鋼結構設計標準完成設計施工，相關工程實踐進一步促進了美國對RCS混合框架結構體系研究的深入。

圖9 Three Houston Center Gulf Tower Building采用的節(jié)點

圖10 4棟高層建筑采用的節(jié)點

與美國將RCS混合框架結構主要應用于中高層建筑的情況不同，日本應用RCS混合框架結構體系的初衷是利用鋼梁實現(xiàn)大跨度空間，因此，更多地將其應用與3～4層混凝土商業(yè)中心建筑中[44]。

2.2 國內

限于早期對于RCS混合框架結構節(jié)點研究認識的不足，我國僅在工業(yè)建筑(工業(yè)和輕鋼廠房)中采用該結構體系。由于早期設計規(guī)范的缺乏，曾在相當長一段時間內，設計中較少采用剛接形式的RCS混合框架結構節(jié)點，而是盡量采用鉸接形式。直至1988年，由華北電力設計院設計完成的山西神頭第二發(fā)電廠主體結構首次采用了RCS剛性連接框架[45]，其中，豎向承重構件為鋼筋混凝土平腹桿雙肢柱，縱向水平承重構件為焊接H型鋼梁，梁柱剛性連接采用梁端通過柱豎肢并輔以空腹式角鋼桁架加強核心區(qū)的構造措施得以實現(xiàn)。1999年，鄭州糧油食品工程建筑設計院設計的房式倉CB-30中同樣采用了RCS混合框架結構節(jié)點[46]，主體結構為無鉸門式剛架，承重柱采用鋼筋混凝土，屋蓋梁采用焊接組合截面鋼梁，梁柱通過外包鋼板柱頭與梁端焊接的方式實現(xiàn)剛性連接。2009年建成投產(chǎn)的華能海門電廠1期工程中，主廠房鋼筋混凝土框架柱與屋面鋼梁采用剛性節(jié)點方案[47]，既增加了結構自身橫向剛度，又節(jié)省了屋架用鋼量。

近年來，隨著國內對RCS混合框架結構體系研究的不斷深入及對美國、日本成熟經(jīng)驗的引進，該結構體系在我國的工程應用逐漸由工業(yè)轉入民用，如上海虹橋國際機場擴建工程西航站樓和大連超高層建筑鋼結構夾層項目均采用了RCS混合框架結構剛性節(jié)點[48-49]。值得一提的是，中建科技(集團)股份有限公司對RCS混合框架結構體系進行了多年研究和經(jīng)驗積累[50]，對節(jié)點構造開展優(yōu)化與創(chuàng)新，其中，“柱貫通型”節(jié)點已由深圳分公司成功應用于深圳市坪山區(qū)學校項目中[51-52]，該節(jié)點如圖11所示。

圖11 坪山區(qū)學校采用的節(jié)點

3 存在的問題

雖然近十多年來RCS混合框架結構體系因其自身良好的抗震性能和性價比得到了越來越多的國內外工程師和研究學者的青睞，進行了相當數(shù)量的試驗與理論研究，從平面到空間、從節(jié)點到框架、從靜力到動力，成果較豐富。然而，現(xiàn)階段RCS混合框架結構體系在我國的進一步推廣應用仍存在一定阻礙，為此，筆者梳理了存在的問題。

1)縱觀國內外，目前對RCS混合框架結構體系的定義尚不清晰、明確，有人稱其為混合結構[53](hybrid/mixed structure)，有人稱其為組合結構[11](composite structure)，易造成誤解。筆者認為，RCS混合框架結構體系實際上是由2種不同材料承重構件(鋼筋混凝土柱、鋼梁)形成的整體共同抵抗荷載作用的結構體系，應屬于混合結構范疇。

2)當前各國的研究主要針對中間樓層RCS混合框架結構節(jié)點開展，已有不少分析結果表明，頂層和角部節(jié)點與中間層節(jié)點存在較大的性能差異。此外，對于節(jié)點的良好性能是否能夠在整榀框架乃至整個結構中得以充分發(fā)揮的問題，當前仍缺少相關研究，需在后續(xù)研究中進行深入分析。

3)相比美國和日本，現(xiàn)階段我國在RCS混合框架結構體系領域的研究局限于部分高校，研究手段較單一，主要以試驗為主，且數(shù)量較少。數(shù)值仿真模擬分析本應成為試驗研究的合理外延和有效拓展，但國內在這方面開展的工作有限，并未形成全面系統(tǒng)的研究體系。因此，需進一步加強并豐富對RCS混合框架結構體系的試驗研究與有限元分析。

4)當前RCS混合框架結構節(jié)點設計中主要沿用1989年Shiekh等提出的基于強度設計模型和承載力計算公式，該公式已被不少試驗結果證明過于保守，不能充分發(fā)揮材料性能，且難以反映不同核心區(qū)構造對節(jié)點承載力的影響程度，有必要深入探究不同構造形式RCS混合框架結構節(jié)點受力機制，提出相應的簡化分析模型與實用計算公式，供結構工程師參考。

5)目前基于性能的抗震設計方法已成為研究熱點，其設計參考已在GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》(2016年版)[54]附錄M中進行了規(guī)定，許多學者對不同類型結構進行了大量研究工作，取得了一定研究成果。而國內專門針對RCS混合框架結構提出基于性能的抗震設計方法研究較少，有待進一步深入。

6)現(xiàn)行設計規(guī)范要求框架結構梁柱節(jié)點一般需確保剛性連接，但完全剛性連接是難以達到的理想狀態(tài)，且傳統(tǒng)的翼緣焊縫連接易造成焊接缺陷和應力集中現(xiàn)象。半剛性連接的出現(xiàn)較好地解決了上述問題，已在純鋼框架中得到應用。此外，采用RCS混合框架-剪力墻抗側力體系時，節(jié)點甚至可以考慮鉸接，根據(jù)工程實際要求，需研發(fā)適合我國國情的受力合理、經(jīng)濟性好新型RCS混合框架結構節(jié)點連接形式。

4 應用展望

在國外，RCS混合框架結構體系已被大量工程建設項目和相關研究證明是抗震性能優(yōu)良、經(jīng)濟性好的結構體系，其在我國的發(fā)展與應用逐步深入。筆者認為RCS混合框架結構體系在我國建筑市場具有相當大的發(fā)展?jié)摿?，應用前景廣闊，主要表現(xiàn)在以下方面。

1)在裝配式建筑中的應用 當前我國建筑行業(yè)正處于轉型升級、走工業(yè)化發(fā)展道路、實現(xiàn)由建筑大國向建筑強國轉變的歷史性時期，裝配式建筑是實現(xiàn)這一跨越式發(fā)展的必由之路，參考RCS混合框架結構體系在日本的發(fā)展經(jīng)驗，裝配式建造理念能夠與該結構體系深度融合，組成安全可靠的裝配式RCS混合框架結構體系，在中建科技深圳分公司承建的深圳坪山在建學校項目中進行了應用。

2)在可修復結構中的應用 性能化抗震設計允許建筑次要構件在大震中進入塑性耗能，震后進行修復替換，從而保證主要構件和主體結構的安全。在RCS混合框架結構體系中引入可修復結構的觀念，設計中確?？蚣馨l(fā)生梁鉸或混合破壞模式，震后僅需對受損鋼梁進行修復或替換，既節(jié)約了修復成本，又加快了震后重建速度，具有良好的應用前景。

3)適用范圍的擴大 RCS混合框架結構節(jié)點大體上可劃分為“梁貫通型”和“柱貫通型”兩大類，借鑒RCS混合框架結構體系在美國和日本的實踐經(jīng)驗，可知整體性好、承載力和剛度更高的“梁貫通型”RCS混合框架結構體系更適用于抗側要求嚴格的中高層建筑中，而承載力稍差、澆筑更便利的“柱貫通型”RCS混合框架結構體系更適用于一般的低多層建筑結構中。綜上所述，RCS混合框架結構體系在民用建筑領域具有良好的適用性。

4)新材料的應用 建筑新材料的出現(xiàn)往往能夠帶來結構性能革新，對于RCS混合框架結構節(jié)點，根據(jù)設計需要可在核心區(qū)采用纖維混凝土或高延性混凝土，鋼材選用高強鋼或低屈服點鋼，可實現(xiàn)2種性能迥異的材料高度結合，得到整體抗震性能更優(yōu)的RCS混合框架結構。

5 結語

RCS混合框架結構體系是具有優(yōu)良受力性能、性價比高的結構體系，現(xiàn)階段在國內已有了一定程度的研究與應用基礎。今后，依托國家政策及行業(yè)發(fā)展，把握裝配式建筑大力發(fā)展的機遇，RCS混合框架結構可得到進一步的推廣與應用，以促進建筑行業(yè)創(chuàng)新與發(fā)展。