霍维刚
广州珠江外资建筑设计院有限公司 广州 510060
摘要：型钢混凝土自诞生以来，因其承载力高、延性好等优点被广泛应用工程之中。本文主要阐述了国内外学者关于型钢混凝土节点的研究现状，展开了节点的有限元分析，对型钢混凝土节点的分类进行了相应的归纳，在此基础上论述了型钢混凝土节点的相关受力性能，并对有关型钢混凝土节点相关研究分析的不足之处进行了总结，以期为以后的研究分析提供有益借鉴
关键词：型钢混凝土；梁柱节点；粘结；滑移
Present status of research on steel reinforced concrete structure joints
Huo weigang
（Guangzhou Pearl River Foreign Investment Architectural Designing Institute Co.，Ltd.，China）
Abstract：The SRC with high shear-load capacity and well ductility has been widely used among engineering.This paper focuses on the status of SRC joints researched by domestic and overseas scholars.The article also described the finite element analysis of joints and summarized the classification of the SRC joints.At last，the paper concluded the shortcomings of researched on the SRC joints，which would give some help in subsequent studies.
Keyword：steel reinforced concrete（SRC），beam-column joint，bond，slip.
1 型钢混凝土的发展
型钢混凝土组合结构（steel reinforced concrete composite structure，简称SRC结构）是一种在混凝土内增加了型钢并配有受力钢筋和箍筋的结构[1]。型钢混凝土（SRC）早在20世纪初就有学者开始做试验研究，我国的型钢混凝土起步比较晚，直到上世纪80年代才开始系统的研究。在美国和欧洲一些国家把这种结构称之为混凝土包钢结构[2-4]，而日本称这种结构为钢骨钢筋混凝土结构[5]，前苏联称之为劲型刚劲混凝土结构[6]。Burr W.H[7]在1905年做了配有角钢的空间桁架的型钢混凝凝土柱试验，发现这样能使混凝土柱的强度和刚度提高。从20世纪50年代开始，以美国为首的西方各国就已经对型钢混凝土结构展开了广泛的实验研究，建立了新的计算模型和算法，提出许多计算理论[8-9]。型钢混凝土以其优良的抗震性能和独特的优点已经被广泛推广使用[10]；首先，型钢混凝土与普通混凝土相比具有承载力高、施工周期短、抗震性能好等特点；其次，型钢混凝凝土与钢结构相比较具有较好的耐火性和耐久性，而且在型钢混凝土内部由于混凝土的约束使得钢结构的受压失稳限度得到了提高。由于型钢混凝土（SRC）的广泛应用，其节点的相关研究得到了社会大众的广泛关注，下文主要介绍了有关型钢混凝土梁柱节点的相关研究。
2 型钢混凝土梁柱节点的研究现状
梁柱节点是框架结构的重要组成部分，一般情况下框架结构的节点设计为刚性的。国内外众多的地震灾害表明，梁柱节点是框架的薄弱环节，节点的破坏可以导致整个框架结构毁灭性的破坏。所以框架节点的研究受到越来越多的学者关注。
2.1 国外的研究现状
在国外的型钢混凝土的节点研究中，美国和日本的研究相对比较深入，一直处于世界领先水平。在1967年日本的学者横尾义贯[5]做了型钢混凝土柱—型钢混凝土梁节点斜对称单调加载试验，研究了节点中型钢腹板的厚度和混凝土的强度对抗剪强度的影响。日本学者若林实[5]在1981年也做了有关型钢混凝土节点的试验，研究结果显示剪切破坏是最为主要的节点的破坏形式。在1984年日本学者Koichi、Minami等[11]从轴压比、极限弯曲强度比、型钢屈服强度等方面对凝土梁柱边的节点梁端开展了低周期性的反复加载试验，并分析了受力机理，提出了节点抗剪性能的计算模型，该模型计算出的抗剪极限强度和试验所得结果近似相同。美国学者Sheikh等[12]为了探究不同梁端柱面承压板的厚度以及型钢腹板厚度对承载力的不同影响，在德克萨斯州立大学进行了多组模型节点试验，采用的是比例为2：3的组合结构梁柱，试验在采用低周期反复加载实验的基础上，加入了单调加载实验，而且研究了柱面承压板对核心区混凝土抗剪承载力的影响。单调加载试验的结果表明组合节点的变形是由钢梁的刚体转动和剪切变形组成的，而且组合节点的剪切变形和普通框架节点的剪切变形相似，组合节点内钢梁的转动是由于翼缘附近混凝土被压碎所导致的。底周期反复加载试验结记录了荷载—位移的滞回曲线而且提出了抗剪承载力的计算模型，该模型的抗剪承载力是由节点内部型钢腹板、翼缘、翼缘间的混凝土和外部受压混凝土、纵向钢筋提供的。1999年美国德克萨斯A&M大学[13]做了梁—板—柱组合节点试验，该试验的节点包含有多个边节点和中节点，同时对一个六层框架结构展开了非线性时程的有效研究。试验数据显示型钢混凝土的组合节点在地震动作用下具有良好的非线性性能和耗能性能。
2.2国内的研究现状
我的型钢混凝土研究相比国外其他国家起步较晚，到20世纪80年代众多学者和科研机构才开始研究。西安建筑科技大学[14]做了8个配有工字钢和12个配有其它钢型的SRC结构梁柱节点的水平低周期反复加载试验，该试验分析了SRC结构节点的受力性能，并且分析了配置不同截面类型的型钢和不同部位型钢混凝土节点的性能。本次试验的轴压比控制在0~0.5之间。与此同时还做了两组纯钢的节点试验来展开比对。最终通过实验数据得出型钢混凝土相关节点的有关抗剪承载力的重要计算表达式。中国建筑科学研究院[15]对6个矩形型钢混凝土柱—钢筋混凝土梁的相关节开展了低周期反复荷载试验，通过实验探究了轴压比、柱型钢对节点性能的影响以及研究了该节点的抗震性能。东南大学唐九如等[16]对模型比例为1：2的4个SRC结构的边节点与1个RC的边节点展开了常规性的低周期反复荷载试验，此次试验的目的是了解节点核心区的抗剪强度和抗剪机理，从而提出了节点的抗剪承载力计算公式，同时还分析了箍筋对SRC梁柱节点性能的影响。西南交通大学陈家夔等[17]对位于框架顶层位置的6个矩形型钢混凝土柱—型钢混凝土钢梁的相关边节点展开了严密单调荷载试验，并且将不同的型钢腹板厚度运用到了节点核心区，而且和纯钢结构节点做了对比，分析结构有：①型钢混凝土节点具有良好的延性、刚度、强度和抗震性能；②型钢混凝土节点的抗剪承载力主要来自型钢腹板，并且节点抗剪承载力和型钢腹板的面积成正相关关系，腹板还提高了节点的延性；③箍筋不仅可以改变节点的抗剪承载力而且对延性也起积极作用；④型钢混凝土节点性能综合了钢结构和混凝土两种材料；⑤在节点破坏之前，节点的抗剪承载力主要由混凝土承担，由于型钢翼缘和箍筋对混凝土的约束其抗剪承载力比钢筋混凝土节点提高很多；⑤型钢和混凝土之间的粘结效果较差，提出加强粘结锚固效果；⑥总结推理出节点抗剪承载力的解析表达式。东北大学[18]对型钢混凝土柱—钢筋高强度混凝土梁边的相关节点展开了严密的低周期反复荷载试验，通过试验将节点核心区的配箍率和轴压比产生的相关影响进行了精准的分析。
3 型钢混凝土节点的有限元分析
随着计算机的发展，工程的数值计算到了跨速发展。如今世界各国越来越多的学者开始利用计算机运用有限元方法对型钢混凝土进行研究，得到更加精确的工程数值数据。
3.1 国外的有限元分析
美国Coloard大学[19]分析了考虑滑移和部分组合效应的型钢混凝土梁有限元建模。Cornell大学[5]以二维码与三维钢框架和型钢混凝土框架的静力和动力时程为依据编制了相应的分析程序，通过相应的非线性的分析，探知了梁柱节点塑性与混凝土、型钢和组合结构的刚度退化之间的关联性。学者Georgia Tech[5]编制了型钢混凝土梁柱时程分析程序。H.Noguchi[5]对型钢混凝土相关节点展开了相应的三维有限元非线性分析，在分析中充分斟酌了节点裂缝的闭合、展开，混凝土与型钢之间的滑移对节点分析的影响，从他的分析结果中得出有限元分析的型钢混凝土节点的抗剪强度比美国规范值高出约10%到15%，这个和试验得出的数据相吻合。K.Uchida和H.Noguchi[5]两位学者也进行了型钢混凝土框架的有限元分析，而且详细的分析了SRC节点模型建立的过程，通过定量化的非线性分析过程，得知节点的受力性能会受到粘结效应的显著影响。
3.2 国内的有限元分析
1992年西安建筑科技大学[20]围绕型钢混凝土构件进展开了有序、系统的有限元研究，研究发现型钢混凝构件因为混凝土与型钢之间的粘结力度不足，对在受力的过程中产生滑移现象，并且这种滑移现象往往会在构件的外部承载力达到极限荷载80%的时候置顶。因此此次试验专门选取了分离式构造的有限元模型在不同的单元分别采用混凝土、即型钢以及钢筋作为实验对象，在不同材料之间设置粘结单元来分析它们之间的粘结滑移性能。在展开型钢混凝土节点的有限元分析时可以提出以下假设：假设节点外部的平面应力状态均衡，变形范围小且可控；在抗剪作用方面只考虑型钢腹板的作用力，忽视翼缘框的相对作用；只考虑构件之间的粘结滑移，型钢、钢筋以及混凝土之间的相互作用不予考虑。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆清华大学[21]在Darwin和Pecknold的正交增量异形模型的基础上，对型钢混凝土的特殊特点，在其受拉应力时的刚度情况做了相应的提走哼，广义协调元是其基本实验单元的参考，通过具有转角自由度的广义协调元的相关作用，可以推导出具备转角自由度构件的粘结滑移元的状态。然后，编制相应SRCFEM程序，用以解析具体实例得出和试验相吻合的结果。西安建筑科技大学和青岛建筑工程学院[22]以Collins斜压场理论为基础，在Darwin模型引导下，综合钢筋和混凝土之间的滑移、混凝土单轴受拉和受压软化数据，编制了相应的非线性分析程序，从单调荷载下裂缝发展、受力性能和变形特征等方面对顶层框架的内部节点展开了研究，得出与实际试验相吻合的结果。天津大学和天津市城工程设计研究院[24]利用SAP84通用程序，结合多重子结构的实验方法，以绑扎有复杂钢筋的梁柱节点为研究对象，对具有十万多个自由度的节点进行有限元分析，并将试验结果和有限元分析结果进行比对。重点分析了节点相关的混凝土离散成三维8节点的等参元，以及相应的钢筋离散成桁架单元。
4 型钢混凝土（SRC）结构节点的分类
节点部位一般早型钢混凝土结构中承担着连接梁和柱的关键职责。在结构构成中，节点部位是混凝土结构中梁和柱等内力的传递点，因此只有提高节点部位的安全水平，才能确保钢型混凝土整体结构的安全有效。当节点位置受到压力、弯矩和剪力共同作用下的复合受力状态，对其进行受力分析是极其复杂的。所以研究节点的破坏形态和受力分析使它的传力方式和构造更加合理清晰是非常重要的，尤其是在地震作用下，分析节点弹塑性更加重要。根据型钢混凝土的结构形式的差异，节点主要可以分为以下5类[10]：①连接型钢混凝土梁一型钢柱的节点；②连接型钢混凝土梁一钢筋混凝土柱的节点；③连接型钢梁一型钢混凝土柱的节点；④连接型钢混凝土梁一型钢混凝土柱的节点；⑤连接钢筋混凝土梁一型钢混凝土柱的节点。
5 型钢混凝土节点的力学性能分析
5.1 节点的抗剪承载力
SRC梁柱节点内部的型钢腹板是增加承载力的重要因素，而且型钢的翼缘又对混凝土起约束的作用，这就使得SRC梁柱节点的极限承载力和抗裂缝的能力远高于普通的钢筋混凝土梁柱节点。影响SRC梁柱节点的主要因素包含：型钢和翼缘的截面面积大小、节点的配箍率的大小、混凝土强度等级的高低、轴压比的强弱、型钢的类型和核心区混凝土的约束程度[23]。
5.2 节点的耗能性能和延性
节点荷载（F）—位移（Δ）滞回曲线表明，就耗能能力和延性而言，型钢混凝土节点普遍优于普通钢筋混凝土节点。普通的钢筋混凝土节点的承载能力有限，并且当其承载力能力上升到极限值之后其承载力会直线下降，其滞回环曲线呈现出“捏缩”的不良现象，位移的延性较低，系数一般仅为2.0左右。型钢混凝土节点因为其具备型钢的塑化作用，因此当其节点的承载力上升到极限值之后，其承载力的下降会相对缓慢，有一个较为丰满的滞回环，位移的延性较好，系数一般大于4.0，耗能能力和延性更优。其中包含的具体影响因素有型钢的形制、含钢率的大小、配箍率高低以及轴压比的强弱等[24]。
5.3 节点核心区的剪切变形和刚度退化
通过试验可知，依据《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2002）文件，当型钢混凝土节点的只配备最小程度的配箍率时，其剪切的变形情况也会优于同等配箍率的普通钢筋混凝土节点，同时型钢混凝土节点的刚度具有一定的持久性，退化较慢。剪切变形和刚度退化的主要影响因素有节点核心区的约束程度高低，以及梁钢筋在节点的实际锚固状况[25]。
6 总结
从国内外众多学者的研究试验得出一个结论：型钢混凝土节点的承载力性能比普通的钢筋混凝土节点承载力的性能高，已经广泛应用于工程之中。但目前还有一些问题有待解决：①如果混凝土和型钢之间的粘结效果不好，就会导致型钢和混凝土之间出现相应的粘结滑移破坏现象；②型钢混凝土的耐久性与其具备的承载力具有不一致的显著特性，如果能提大幅度高型钢混凝土的耐久性，也将大大提高了结构的使用年限进而节约了资源；③型钢混凝土节点受到梁柱传来的剪力、弯矩和轴力，处于复合受力状态，受力机理不明确；④从以前的试验研究来看节点的受力多为平面的静加载试验，不能模拟出梁柱相交的正式受力状态，缺少空间加载和抗震性能的研究；⑤加入型钢的混凝土节点提高了抗剪承载力，但不能改变混凝土自身抗拉承载力低的特性，节点在反复荷载作用下，混凝土最先破坏使得结构承载力降低；⑥型钢混凝土节点的构造较为复杂，节点处的主筋、箍筋和型钢相互交错致使混凝土的施工很难进行。
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论文作者:霍维刚
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年16期
论文发表时间:2019/11/6
标签：节点论文; 型钢论文; 混凝土论文; 梁柱论文; 承载力论文; 性能论文; 钢筋混凝土论文; 《建筑学研究前沿》2019年16期论文;