鋼-混凝土組合結構節點抗震性能研究現狀

陳 浩，程 亮，胡 郢

(1.武漢理工大學道路橋梁與結構工程湖北省重點實驗室，武漢 430070;2.中南電力設計院有限公司,武漢 430071)

隨著經濟社會的不斷發展，人們對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越多，鋼-混凝土組合結構的應用日趨廣泛。相較于普通鋼筋混凝土結構，鋼-混凝土結構材料利用效率高，在承載力、結構延性、抗震性能、防火耐久等方面有明顯優勢。

將鋼構件和鋼筋混凝土合理地組合在同一構件或結構中，充分考慮混凝土抗壓性能、鋼材抗拉性能、鋼對混凝土變形約束和混凝土對鋼包裹保護等因素，提高材料利用效率。其組合形式主要為在鋼筋混凝土內配置各種形式型鋼或者鋼管內填充各種形式混凝土等。前者鋼筋混凝土對型鋼變形有約束作用，型鋼局部屈曲減少，整體剛度提升，鋼材強度得到更好的發揮。外包鋼筋混凝土包裹覆蓋內部型鋼，隔離外界環境影響，使結構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構，內部實腹式型鋼大大提高了構件的抗剪承載力，延性和塑性得到加強，提高了結構的抗震性能。后者當混凝土受到壓力變形時，鋼對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-混凝土組合結構構造相對復雜，安裝施工方面耗費相對較多，但是綜合性能提高，鋼-混凝土組合結構更加經濟。隨著建筑功能要求不斷提高，鋼-混凝土組合結構成為建筑結構研究應用的重要方向之一。

在鋼-混凝土組合結構中梁、柱和斜撐的力通過連接他們的節點進行傳遞，節點破壞對結構整體造成的損傷極大。在地震作用下，節點處于復雜的受力狀態，因此保證節點的安全可靠尤為重要。國內外學者對型鋼-混凝土組合結構節點抗震性能進行了一系列的試驗和理論分析，研究了合理的構造形式和設計評估方法。

1 鋼-混凝土組合結構梁柱節點抗震性能研究

鋼-混凝土組合結構最早出現在歐洲，后歐美國家進行大量試驗研究，于20世紀50年代左右提出了一些簡化的設計評估理論。隨著應用研究的不斷深入，各國紛紛提出適合本國的設計計算規范。目前關于型鋼-混凝土組合結構梁柱節點抗震性能的研究主要集中在建造熱土的我國和抗震需求較高的日本。

薛建陽[1,2]等為研究型鋼混凝土節點的力學性能和構造影響，設計制作了8個型鋼混凝土節點，對其進行單調荷載和循環荷載加載試驗。結果表明，相較于鋼筋混凝土結構的梁柱節點，鋼-混凝土組合結構的梁柱節點延性表現更優，鋼與混凝土共同工作的效果相對更好，在承載力和抗震性能方面也表現更好。型鋼混凝土節點最后破壞主要是核心區剪切破壞，作者在此基礎上提出了一些合理的構造措施。

隨后作者制作三組不同區域的異形柱梁柱節點，研究型鋼-混凝土組合結構異形柱梁柱節點的力學性能。結果表明，其節點在加載后的主要破壞狀態為節點區域剪切破壞、節點內部鋼梁和鋼柱連接焊縫發生拉裂而破壞和發生在梁端區域的彎剪破壞。相較于配置有空腹式鋼骨架結構的試件，配實腹型鋼的試件在延性方面表現更好，其滯回曲線相對更加飽滿，耗能減震性能更好。作者在此研究結果的基礎上給出該類節點的設計建議。

李忠獻[3]研究了強弱節點抗震性能區別，制作了一組強節點和一組弱節點，每組2個足尺節點試件，進行循環往復荷載加載試驗。結果表明：四個節點延性符合要求，耗能能力較強，但是強節點試件耗能能力更好，且梁端根部與削弱的部位之間能先于節點破壞形成塑性鉸，增加能量耗散，可以有效提高節點的抗震性能。

向平[4]等為研究型鋼混凝土異形柱結構節點的抗震性能，設計采用了三種新型的梁柱節點連接方式，進行低周反復荷載試驗，分析其工作機理。結果表明，箍筋對節點區核心混凝土的約束作用明顯，提高節點抗震性能，軸壓比在一定范圍內可提高節點的開裂荷載和抗剪承載力，試驗證明了此類節點設計方法可靠。作者在此實驗基礎上提出了相應于該連接方式的承載力評估方法。

Kitano[5]等以一組不同型鋼截面形狀的鋼-混凝土組合結構梁柱節點為研究對象，進行了擬靜力試驗，同時結合有限元軟件分析，研究節點的力學性能。結果表明，節點抗剪強度因型鋼截面形狀的不同而對混凝土的約束作用不同，型鋼的抗剪強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點有效寬度的方法和梁柱節點抗剪評估方法。

曾磊[6]等研究了高強材料的鋼-混凝土組合結構的力學性能。作者自研了一款高強混凝土，通過框架中節點試驗和有限元計算相結合進行分析。結果表明，高強混凝土和高強型鋼的節點破壞形式也是剪切破壞，軸壓比對節點承載力有一定的影響，該類節點有一定的耗能減震性能。作者以試驗研究和有限元分析結果為基礎，充分考慮軸壓比影響和混凝土強度影響，提出了該類型節點抗裂能力評估方法、抗剪承載能力計算公式。

鄭山鎖[7]等制作一組縮尺梁-柱中節點，試件采用了高強度鋼材和高性能混凝土，進行了低周反復加載試驗，以研究該類型梁-柱中節點的破壞機理和抗震性能。結果表明，與普通用材的節點比較，該類節點的延性性能和耗能能力稍差，型鋼對混凝土約束能力更強，破壞為剪切破壞，腹板屈服時節點基本進入屈服階段。

Seo Soo-yeon[8]等以五個 1/2 比例的型鋼混凝土梁柱節點為研究對象，通過對梁端施加力矩，研究影響建筑物鋼筋混凝土 (SRC) 柱-鋼梁節點有效寬度的因素。結果表明：梁翼緣最先屈服，裂縫在此出現并擴大，最后混凝土被剝落。柱寬較寬的試件在受力作用下出現了擴展的斜裂紋，而梁深較短的試件破壞范圍較小。最后，提出Deierlein設計方法中考慮梁深變化的計算有效寬度的公式。

張士前[9]等研究了在不同方向荷載作用下鋼-混凝土組合結構節點的力學性能，作者對5個節點進行加載實驗。結果表明，在斜向荷載作用下該類節點抗剪承載能力相對減弱，其中加載角度為主要影響因素。作者以該研究為基礎提出在不同角度荷載作用下節點承載力評估方法。

陳宗平[10]等制作了一組型鋼混凝土異形柱-鋼梁節點，進行擬靜力實驗，研究其抗震性能。結果表明，在不同加載角度下節點的抗震性能有較大區別，45°加載時節點抗剪承載力為最大，30°時耗能能力最強。在一定范圍內增大軸壓比可以增強節點的抗剪承載力和耗能能力，同時節點的前期剛度有所提高，而后期剛度則退化更快。

Montava[11,12]等對鋼筋混凝土T形節點和配有工字鋼的型鋼混凝土配T形節點進行低周反復荷載加載試驗，研究其彈性和塑性階段直至斷裂的受力機理。結果表明，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更大，表現出更高的抗力和延展性。破壞過程中兩者節點的裂縫發展過程相似，但是型鋼混凝土試件耗能能力更強。采用IPN型鋼的解決方案比HEB型鋼的解決方案更加經濟。

趙凱常[13]等對新型裝配式型鋼混凝土柱-鋼梁框架結構邊節點進行研究，對3個不同連接方式的邊節點試件進行擬靜力試驗。結果表明：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度都對提高節點承載力和耗能能力有益。

錢芮[14]等以5個桁架式鋼骨混凝土結構框架中節點為研究對象，其特點是鋼筋可以不用焊接，直接穿過節點區域。結果表明，節點內部鋼與混凝土之間存在一定的粘結滑移，節點破壞主要是剪切破壞。軸壓比對節點力學性能有較大影響，軸壓比過大時節點的減震耗能能力下降。作者最終以混凝土壓碎為節點破壞標準，提出該類空腹式節點抗剪承載力評估方法。

Kishiki[15]等對用鋼筋混凝土包裹的鋼管混凝土梁柱節點進行了研究，通過對三組不同梁柱節點進行了循環荷載試驗，發現鋼管內填充有混凝土時，節點強度和剛度增加較大。結果表明，該類節點鋼管內填充有混凝土時，節點強度和抵抗變形的能力增加較大。梁柱節點表面殘余裂縫較小，可實現地震作用下的損傷預防。最后結合試驗結果，重新評估節點各部分抗剪承載力貢獻，提出適用該型節點的抗剪承載力計算方法。

2 帶斜支撐的鋼-混凝土組合結構節點抗震性能研究

普通框架結構設置斜支撐后，梁、柱和斜撐組成的三角形結構更具幾何穩定性，提高建筑結構整體穩定和抗側剛度。同時，梁、柱和斜撐組成的桁架結構傳力直接，構件受到的彎矩和剪力相對更小，結構承載力大大提高。帶斜支撐的鋼-混凝土結構主要應用在對承載力和抗震性能要求較高的轉換層、超高層建筑和特種工業建筑中。節點是連接梁柱和斜支撐的關鍵部位，是鋼-混凝土斜支撐結構的傳力樞紐，在地震作用下，節點處于彎剪扭復合受力狀態，受力比較復雜，節點剪切破壞是導致結構失穩、倒塌的重要原因之一，因此保證節點的安全可靠尤為重要。國內外學者對鋼-混凝土組合結構節點抗震性能進行了一系列的試驗研究和理論分析，為工程應用提供理論依據。

黃超[16,17]等對高層建筑斜交網格體系兩種形式節點進行了研究，通過不同厚度鋼板的鋼管混凝土短柱軸壓試驗和節點有限元分析。結果表明：混凝土受力變形時襯板等構造措施可以提高混凝土抵抗變形的能力，進而提高節點承載力和抗震性能。作者給出了構造措施建議，同時提出了考慮網格角度和襯板厚度的節點承載力計算公式。

袁政強[18]等對型鋼混凝土桁架結構轉換層節點進行了有限元分析，考慮了混凝土非線性,得到了內力作用下各節點的承載能力和施工階段應力分布。作者在施工階段對節點應力進行了檢測，發現有限元分析計算結果與之相差不大。

張新明[19]對帶斜鋼支撐的型鋼混凝土節點進行了研究，建立了中節點和邊節點有限元模型，分析該類節點破壞機理和承載力影響因素。分析表明，型鋼腹板相對于翼緣板對節點的影響更大，增加腹板厚度或者提高材料強度對節點耗能抗剪承載力提高有益。箍筋也對抗剪承載力有一定的影響，承擔部分剪力。

金衛明[20]等針對有方形鋼管斜支撐的鋼-混凝土組合結構節點進行了研究。利用有限元軟件進行分析，分析過程中引入合理的材料本構及損傷因子，模擬該節點在最不利荷載組合作用下的工作情況。根據節點的荷載-位移曲線得出節點極限承載力，滿足設計要求，為類似工程實例提供參考。

相較于普通型鋼混凝土梁柱節點，斜支撐的鋼-混凝土組合結構節點構造更加復雜，影響節點承載力的因素更多。目前關于該類型節點的研究較少，主要是關于高層建筑轉化層和斜交網格結構。研究主要集中于節點的承載能力和破壞形態方面,多為有限元工程應用分析，且工程設計為保守彈性設計,非線性因素影響較少研究。對節點內不同材料的實際受力狀態、節點不同構造的影響和節點應力傳遞機理的研究不夠深入，相關實驗較少。

3 結 論

隨著城市化進程不斷加快，人們對建筑結構的性能要求不斷提高，鋼-混凝土組合結構無疑是重要的發展方向。在鋼-混凝土組合結構中梁、柱和斜撐的力通過連接他們的節點進行傳遞，節點的破壞對結構整體造成的損傷極大。鋼-混凝土組合結構節點兩種材料協同工作，抗震性能優于普通鋼筋混凝土結構，適用于對抗震要求較高的建筑。

a.鋼-混凝土組合結構節點的抗震性能研究方法為：對節點區域帶有一定長度梁柱部分的試件模型進行低周往復荷載加載試驗或對整體框架進行震動臺實驗，同時結合有限元軟件計算結構進行對比研究。

b.關于鋼-混凝土組合結構梁柱節點的研究較多，各國都有相應的承載力評價方法，目前相關研究在向不同組合構造形式發展。但是相關研究不夠完善，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節點抗剪承載力的影響還需進一步研究。

c.裝配式鋼-混凝土組合結構施工階段耗時短，對環境造成的影響更小，是未來建筑結構發展重要方向。關于其節點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-混凝土組合結構傳力直接，結構整體穩定性和承載力大大提高，適用于高層建筑。目前相關節點的試驗研究較少，系統合理的承載力評估方法和設計方法需進一步研究。