钢筋混凝土柱-钢梁空间组合框架节点的研究状况

熊礼全， 门进杰

(西安建筑科技大学，陕西西安710055)

钢筋混凝土柱-钢梁组合框架结构(简称RCS组合框架)是一种新型结构形式。由于该结构具有充分利用建筑材料、承载力高、施工速度快、节约资金等优点，在美国和日本得到较广泛的应用[1]。相对钢框架而言，RCS组合框架具有较大的结构阻尼、层间刚度，且造价较低，耐火性能好；而与混凝土框架相比，RCS组合框架可明显减轻结构自重，降低结构层高、增大结构跨度，而获得更大的使用空间。

目前对RCS组合节点的研究主要集中在平面节点，即梁、柱构件处于同一个竖向平面内。然而，实际工程中，地震作用和结构的地震反应往往是多维的，梁-柱节点往往是在弯矩、剪力、轴力等多维复合作用下破坏的。所以，单一的考虑平面内的节点破坏不能完全地反映梁-柱节点的实际受力状态，需要从空间上更加全面的且符合构件实际受力状态进行相应的进行节点研究。

1 国外RCS空间组合节点的研究状况

RCS组合框架体系首先在美国得到广泛的应用，为了更加全面地了解该体系的受力性能，研究者做了关于RCS空间组合节点一系列试验。1999年，美国TexasA&MUniversity[2]完成了六个“梁贯通型”RCS空间组合节点的研究，重点考虑了反复荷载作用下混凝土楼板和交叉梁对节点的受力机理、破坏模式、抗震性能等相关受力性能的影响。此试验为组合节点在有混凝土楼板作用下对节点性能的影响提供了有效的试验数据，同时也验证了在中低层框架结构体系中加入小型钢对加快施工的积极作用。同年，Joseph等[3]对RCS组合结构体系的抗震性能进行了研究，为满足RCS组合框架体系的抗震要求，对RCS空间组合节点中梁、柱、节点的构造要求提出相应的建议，从而指导节点设计。

图1 空间节点

2000年，Joseph等[4]完成了六个RCS空间组合节点在低周反复荷载作用下的试验，其中有五个中节点，一个边节点。节点参见图1(a)所示。试验主要考虑了不同的构造措施对空间节点受力性能的影响，研究发现，只要有适当的构造措施，RCS空间组合构件具有良好的抗剪承载力、延性和耗能能力等。2004年，XuemeiLiang等[5]完成了四个空间节点试验，两个中节点和两个边节点，考虑了混凝土楼板对节点受力的影响。该试件以“强柱弱梁”为设计依据，并且以变形控制节点破坏。研究内容包括节点变形、破坏形式、滞回性能、型钢应力、节点转动等。试验表明，带楼板的RCS空间组合构件具有良好的抗震性能，梁的转动引起的变形占楼层转动的60 %左右。2005年，Chin-TungCheng等[6]完成了三个足尺的RCS空间节点试验，考虑了混凝土楼板的作用，节点参见图1(b)所示。研究内容包括节点变形、节点承载力、节点滞回性能等。研究表明，空间节点具有良好的滞回性能，有良好的延性；节点在柱边缘能够形成良好的塑性铰，具有良好变形能力；相对于无楼板的节点，带混凝土楼板的空间节点的极限承载力大约提高25 %左右。

日本在RCS空间组合节点方面也有许多的研究。1997年，Nishiyama等人[2]完成了四个空间节点在低周反复荷载作用下的试验，三个“柱贯通”节点和一个“梁贯通”，节点考虑混凝土楼板的作用。研究表明，空间节点在非贯通平面内的节点强度和受力性能与平面节点没有明显的区别，同时平面加载模型也适用于该平面。但是该试验是否具有普遍性还需要进一步的研究。1998年，日本建筑承包商协会做了6个“柱贯通型”空间节点试验[7]，RCS空间组合节点考虑了混凝土楼板作用。研究内容包括节点变形、轴压比、节点构造措施等因素对RCS空间组合节点受力性能的影响。结果表明，在一定范围内，提高轴压比能够提高节点的强度和刚度，从而提高组合节点的承载力；在构造措施适当时，RCS空间组合节点具有良好的滞回性能即良好的抗震性能。

2 国内RCS空间组合节点的研究状况

我国关于RCS空间组合构件起步较晚。2003年，马宏伟[8]进行了六个足尺的RCS空间组合构件进行了低周循环荷载试验，其中两个为端板螺栓连接，四个为连接钢筋连接，考虑了混凝土楼板对节点的影响。研究内容包括荷载层间滞回曲线、连接方式不同、轴压比、节点承载力等因素。研究表明，端板螺栓连接构件形成了较明显的梁端塑性铰，节点以梁端破坏为标志；楼板的存在能够明显地提高节点承载力；两类构件都具有较大的层间位移，节点具有良好的延性和耗能能力，能够在有抗震要求的地区使用，并且提出该类节点相应的设计建议。2006年，赵作周等人[9]完成了三个RCS空间组合节点在低周反复荷载作用的试验，分别为一个中节点、一个边节点和一个顶层节点，构件都考虑了纵横梁对节点受力性能的影响。学者主要研究了RCS空间组合节点在荷载作用下的破坏形式、受力性能、节点滞回性能等，初步了解该类节点力学性能。研究表明，RCS组合构件具有良好的延性和耗能能力，节点的构造措施对节点受力有很大的影响。根据试验，作者对该类节点提出了几点构造措施的建议，用于指导RCS空间组合节点的设计。

2008年，陆坚铁[10]等人完成了7个1/2缩尺的端板螺栓连接的钢-混凝土柱组合节点的试验，考虑了混凝土楼板的作用，参见图2(a)所示。作者基于端板螺栓连接的钢-混凝土组合梁与混凝土柱节点的低周反复荷载试验，对此类节点进行了较深入的研究。研究内容包括节点受力过程、破坏形式、滞回曲线、骨架曲线、延性等抗震性能。研究结果表明:端板螺栓连接的钢-混凝土组合梁与混凝土柱节点试件的滞回曲线呈梭形，且较为丰满，耗能能力强；组合梁横向配筋率及其配筋形式、组合梁剪力连接度对节点的承载力影响并不显著，但对节点的延性有显著的影响。横向配筋率的增大及横向配筋为封闭式可提高节点的变形能力，剪力连接度越高变形能力越强。

图2 RCS空间节点

2009年，李贤[11]完成了七个端板螺栓边节点RCS空间组合节点的试验，其中两个节点(CEJ4、SEJ3)考虑了楼板作用，参见图2(b)所示。研究表明，混凝土楼板的存在保证了节点合理的传力路径，明显提高了节点承载力，保证了节点“强柱弱梁，节点更强”的抗震设计理念，同时指出在设计该类节点时需要考虑混凝土楼板的组合效应。但是没有给出具体的设计建议或者是承载力公式的建议。

3 RCS 组合框架节点研究存在的问题

虽然国内外对型钢梁-钢筋混凝土柱空间组合节点做了大量试验，但是还是存在许多问题，主要表现如下：

(1)我国对型钢梁-钢筋混凝土柱框架结构体系中空间节点的研究才刚刚起步。如前所述，我国对RCS空间组合节点的研究节点数量偏少，在空间节点受力性能和抗震性能没有形成系统的理论体系，而且各个试验构件的试验方案、环境、试验方法等因素各不同，很难形成系统性和统一性。

(2)试验很难对RCS空间组合节点进行全面的了解。试验过程中有许多重要数据很难测到，如节点各组成部分的应力分布状态、应力在试验过程中变化、各组成部分的抗剪承载力以及各部分抗剪承载力的参与程度等等，再加上RCS空间组合节点的构造措施选择形式的多样性决定了该类节点受力性能复杂性，要全面了解RCS空间组合节点的受力性能仅仅通过试验是不够的，需要借助有限元软件进行模拟。所以需要更多的学者从有限元方面对该类节点进行更加系统的研究。

(3)大部分研究主要集中在梁-柱节点，对结构体系整体性研究相对较少。在试验中，往往需要节点发生破坏，而这跟实际工程所遵循“强柱弱梁，强节点弱构件”的原则相违背。所以，根据试验所得出的结论是否适用于实际节点设计，还需要进一步的研究。要准确地了解结构体系实际受力状态，仅仅对梁-柱节点研究还远远不够，需要从结构整体上给予考虑。

4 结束语

钢筋混凝土柱-型钢梁(RCS)组合框架体系一种比较合理的结构形式，它能充分发挥混凝土与型钢这两种材料各自的优点，在美国和日本得到广泛的应用。美日对这类结构体系研究较早，在节点设计、节点抗震、体系整体设计等方面都有一定的研究，但是还不够成熟。我国对RCS组合框架体系的研究起步较晚，需要大量的工作需要更多的学者对该体系进行研究。

[1] 门进杰, 史庆轩, 周琦. 钢筋混凝土柱-钢梁组合框架节点研究进展[J]. 结构工程师, 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] 马宏伟. 组合梁与连续复合螺旋箍混凝土柱节点研究[D]. 西安建筑科技大学,2003

[9] 赵作周, 钱稼茹, 杨学斌, 等. 钢梁-钢筋混凝土柱连接节点试验研究[J]. 建筑结构, 2006,36(8): 69-73

[10] 陆铁坚, 贺子瑛, 余志武,等. 钢-混凝土组合梁与混凝土柱节点的抗震性能试验研究[J].建筑结构学报, 2008, 29(1):71-74

[11] 李贤. 端板螺栓连接钢-混凝土组合节点的抗震性能研究[D]. 湖南大学, 2009