型钢混凝土梁柱节点的研究现状

#综 述#

型钢混凝土梁柱节点的研究现状

陈丽华 李爱群 赵 玲

(东南大学土木工程学院 南京 210096)

摘 要:分析了当前较常用型钢混凝土梁柱节点的构造形式、受力性能和影响因素。根据已有的节点试验资料, 对国内关于节点抗剪承载力计算公式) ) ) 特别是5钢骨混凝土结构设计规程6(Y B 9082-97) 和5型钢混凝土组合结构技术规程6(JGJ 138-2001) 规定的计算公式进行分析比较, 进而指出了我国型钢混凝土梁柱节点研究中的不足。

关键词:型钢混凝土 梁柱节点 抗剪承载力

PRESENT SITUATION OF RESEA RCH ON STEEL REINFORCED CONCRETE

BEA M 2COLUMN JOINTS

Chen Lihua Li Aiqun Z hao Ling

(College of Civil Engineering, Southeas t U niversity Nanjing 210096)

Abstr act :It is analyzed that the construction styles, behavio r and influence factors for co mmonly used steel reinfo rced co ncrete beam 2column join ts. Acco rding to the existing test data on join ts, this paper co mpares several fo rmulas in our co untry o f calculating the shear 2carrying capacity on joi nts ) ) ) especially the formulas prescribed by /Specification for D esign of Steel Reinforced Concrete 0(YB 9082-97) and /Technical Specificatio n fo r Steel Reinforced Concrete Co mpo si te Structures 0(J GJ 138-2001) .The inadequacy in o ur studies o n steel reinforced concrete beam 2column joi nts is pointed out. Keywor ds :steel reinforced co ncrete beam 2column joints shear 2carrying capacity

型钢混凝土结构是指由型钢和其外包钢筋混凝土共同承受荷载的结构。构件截面中型钢的配置, 使结构具有构件截面小、承载力大、抗震性能好、方便施工的优点; 截面中钢筋混凝土的配置, 克服了型钢防腐、防锈、防火性能差, 易发生局部和整体失稳的缺点, 抗侧移刚度大, 节约钢材, 降低了造价。梁柱节点是框架传力的枢纽, 是保证结构承载力和刚度的重要部位。本文介绍了型钢混凝土梁柱节点的构造形式、受力性能, 探讨了国内关于节点抗剪的承载力计算方法的适用性, 指出研究中的不足, 以供参考。1 型钢混凝土梁柱节点的形式

根据结构形式的不同, 型钢混凝土梁柱节点的形式主要有三种:1) 钢筋混凝土梁-型钢混凝土柱的连接; 2) 型钢混凝土梁-型钢混凝土柱的连接; 3) 钢梁-型钢混凝土柱的连接。

由于钢筋混凝土的造价较低, 我国型钢混凝土柱和钢筋混凝土梁配合使用的较多, 国内对此类节点所做的试验研究也较多。研究的方向集中在梁中纵筋在节点区的锚固连接上。一种意见认为, 梁中主筋不应穿过柱型钢翼缘, 也不得与柱型钢直接焊接, 否则将影响柱的抗弯承载力和节点的受剪承载力。根据北京市建筑设计院和清华大学的试验研究[1], 文献[2, 3]推荐的节点构造形式主要是:在柱型钢上设 56 Industrial Construction 2005, Vol 135, N o 11

第一作者:陈丽华 女 1972年1月出生 博士研究生 合肥工业大学讲师

收稿日期:2004-08-20

置工字钢牛腿, 梁内部分主筋穿过型钢混凝土柱连续配置, 部分主筋在柱两侧截断与钢牛腿焊接或搭接。这种连接方法将使梁端塑性铰外移, 因此要求从梁端至牛腿端部以外有一段箍筋加密区。但有试验表明, 若处理不当, 在牛腿末端位置处, 由于截面承载力和刚度突变, 很容易发生混凝土挤压破坏, 故钢牛腿的翼缘常设计为变截面翼缘, 构造较为复杂。另一种意见则认为, 在型钢上开穿筋孔不会影响型钢柱的承载力和节点受剪承载力。东南大学的试验研究表明:1) 对柱内配十字形型钢的梁柱节点[4], 节点构造采用梁内部分纵筋穿过柱翼缘, 部分纵筋焊接在短牛腿上, 但在柱型钢翼缘开孔处, 用加强钢板进行补强。试验表明, 部分纵筋穿过柱型钢翼缘, 对节点抗震性能的不利影响并不明显, 穿过型钢翼缘的梁内纵筋在节点区没有滑移, 锚固性能好, 可获得良好的耗能能力和延性。2) 对柱内配箱形或圆管形等封闭式型钢的梁柱节点[5], 节点构造采用在梁的上、下纵筋与型钢相交处开设小的圆形或半圆形穿筋孔, 梁筋从孔中穿过。试验表明, 在型钢上开设小的穿筋孔不仅不会削弱节点的受

工业建筑 2005年第35卷第1期

力性能而且会提高节点的受力性能。因为型钢小开孔处形成了钢筋混凝土抗剪销钉, 增加了型钢与混凝土的粘结, 使型钢内外侧的混凝土在开孔处得以贯通, 提高了节点核心区混凝土的整体性; 此法构造简单, 施工较为方便。

我国对型钢混凝土梁或钢梁与型钢混凝土柱的连接的节点构造研究较少, 特别是对内配箱形或圆管形等封闭式型钢的柱与型钢梁的连接节点, 国内还未见相关的文献和报道。文献[2]给出的十字形节点型钢连接形式基本上是参考了日本的节点型钢连接形式, 柱内型钢大都采用贯通型, 在对应于型钢梁的上下翼缘处, 设置水平或垂直加劲肋。(b c +b b ) P 2; 当框架梁为钢梁时, b j =b c P 2; 第二项表示箍筋抗剪能力; 第三项表示型钢腹板抗剪能力; 第四项表示轴压力对抗剪有一定的提高作用。

文献[3]规定:根据框架节点的抗震等级和结构形式, 在地震作用组合下, 节点的受剪承载力满足:

一级抗震等级V j [

A f 1A

RE (2)

二级抗震等级

2 型钢混凝土梁柱节点的受力性能和影响因素

根据我国已有的试验资料表明[1, 5~11], 型钢混凝土梁柱节点在低周反复荷载下有较好的刚度和延性, 可提高节点的抗裂度和抗剪承载力, 增加结构的耗能能力, 防止节点脆性破坏。

1) 抗剪承载力:型钢混凝土梁柱节点内含型钢, 型钢腹板参与工作, 增加了一个重要的抗力因素, 加之翼缘框对核心区混凝土的约束作用, 使节点抗裂度和极限承载力都高于普通混凝土梁柱节点。影响因素主要有型钢腹板和翼缘截面面积(型钢含钢率) 、节点区箍筋的配箍率、混凝土的强度等级、轴压比、型钢的形式即节点核心区混凝土所受约束程度等。

2) 延性和耗能性能:节点荷载(F ) -位移($) 滞回曲线表明, 无论是延性还是耗能能力, 型钢混凝土节点都优于钢筋混凝土节点。钢筋混凝土节点在承载能力达到极限后便急剧下降, 滞回环呈/捏缩0现象, 位移延性系数仅为210左右; 型钢混凝土节点由于型钢的塑化作用, 达到极限荷载后承载力下降速度缓慢, 滞回环很丰满, 位移延性系数均大于410, 具有良好的延性和耗能能力。影响因素主要有型钢的含钢率和形式、配箍率和轴压比等。

3) 核心区的剪切变形及刚度退化:试验表明, 按5混凝土结构设计规范6(GB 50010-2002) 配有最小配箍量的型钢混凝土节点, 其剪切变形比同条件的普通混凝土节点要小, 而且型钢混凝土节点的刚度退化缓慢。影响因素主要是核心区的约束程度和梁筋在节点内的锚固状况。3 型钢混凝土梁柱节点抗剪承载力计算公式

目前, 国内对型钢混凝土梁柱节点抗剪承载力计算还未形成统一的公式, 对各种因素影响节点承载力的程度存在分歧, 现分别介绍如下:

文献[2]规定:在地震作用组合下, 梁柱节点受剪应满足:V j [

1011D A j f c b j h j +f y v sv j +f ssv t w h w +011N rc

c (1)

RE 式中, 括号内第一项表示混凝土的抗剪能力, D j 为节点形式系数, 由于我国节点试验中关于节点形式影响的研究不足, 此系数是根据日本有关的试验结果给出的, 十字形节点取3, T 形节点取2, L 形节点取1, 以考虑梁柱对节点核心区混凝土约束程度; b j 、h j 为节点核心区受剪截面宽度和高度, h j =h c -2a c ; 当框架梁为型钢混凝土梁或钢筋混凝土梁时, b j =型钢混凝土梁柱节点的研究现状) ) ) 陈丽华, 等

V j [

1

j G j A +0105f c b c h c f c b j h j +RE f A sv y v

(h f

a 0-a c s ) +B t w h w (2a)

节点的受剪承载力由混凝土、箍筋和型钢腹板三部分组成。式中, A 、B 是考虑型钢混凝土柱与各种不同类型的梁形成节点时, 梁端内力传递到柱的途径有差异的梁的形式系数:型钢混凝土柱与型钢混凝土梁连接的梁柱节点, A =013, B =110; 与钢筋混凝土梁连接的梁柱节点, A =0114, B =0135; 与钢梁连接的梁柱节点, A =0125, B =110;

我国梁柱节点专题组根据课题组所做的36个型钢混凝土节点的试验结果, 在文献[6]中提出节点受剪承载力建议公式:

V j [

1

(h f

0-a c s ) +a t w h w (3)

节点的受剪承载力亦由混凝土、箍筋和型钢腹板三部分组成。式中,

西安建筑科技大学在文献[7]中, 建议型钢混凝土节点的抗剪承载力计算公式表示为混凝土、箍筋、型钢腹板和型钢翼缘四项抗剪能力的叠加:

V 1

j [

013+011f c b j h j +RE 2

f A sv (h 0-a c f a

s ) +t b f h f y v

w h w +bw f a

(4)

式中,

57

数, 其回归公式为:

W =

1+117(X -0125) 1

0125[X 0125>X

缘的厚度) ; h bw 为梁中型钢腹板截面的高度。

从形式上比较上述关于型钢混凝土梁柱节点抗剪承载力计算公式, 共同点在于都考虑了混凝土、箍筋和型钢腹板三部分的承载力; 在一定的范围内, 考虑了轴压力对节点抗剪能力的提高。不同点在于计算混凝土的抗剪能力时, 如何考虑各种因素如节点的位置、梁柱的约束、轴压力、翼缘框以及箍筋约束等对混凝土受剪的影响。

根据文献[6]的试验资料, 本文对上述计算公式的安全性和精确性加以比较, 见表1。

其中, X =A P (h c b c ) , 表示约束梁截面在节点范围内的面积覆盖率, A 为直交约束梁的截面积; h c , b c 分别为梁与柱截面的高度; 式(4) 中第四项为节点翼缘框所承担的剪力; G 为折算截面轴压比, G =

N

; b 为节点区型钢翼缘的宽

(A c +A E A ss ) f c f

度, 取梁中型钢与柱中型钢翼缘宽度的平均值:b f =(b bf +b cf ) P 2; h f =

c f +h bf (h bf , h cf 分别为梁中型钢与柱中型钢翼

表1 节点受剪承载力计算公式的比较

式(1)

试验单位

试件编号

试件特征

实测V t j

1V c j

kN

式(3)

式(4)

V j V c3j [***********][***********][***********][***********]1151117

t

式(2a)

V j V c1j [***********][***********][***********][***********]91137

t

V c2j [***********][***********][***********][***********][***********][***********]596131

V j V c2j [***********][***********][***********][***********]1130

t

V c3j [***********][***********][***********][***********][***********][***********]660165

V j c[***********][***********][***********][***********][***********][***********]696101

V j V j c[***********][***********][***********][***********]5911081111

t

西南交通

大学

J-11J-22J-31J-32S RC-9

顶层边节点S RC 梁

[***********]1757915

[***********][***********][***********][***********]304167

[***********][***********]

中国建筑科

学研究院

SRC J-1SRC J-2SRC J-3SRC J-4SRC J-6

中柱节点RC 梁

[***********]1168315

西安建筑科

技大学

S RC1-0S RC1-1S RC1-2S RC1-3S RC1-4

中柱节点S RC 梁

[***********]1660916

东南大学

S RC-02S RC-03S RC-04S RC-05

S 梁S RC 梁

[***********]19

注:东南大学的试件为边柱节点, 试件03为S 梁, 破坏形态为钢梁失稳, 不考虑抗震调整系数。

从表1中数据可看出, 对型钢混凝土柱和型钢混凝土梁连接的梁柱节点, 文献[2]推荐的式(1) 、文献[3]推荐的式(2) 计算的结果都偏于安全, 因式(1) 中节点核心区混凝土受剪截面的高度取值略有不同, 更为安全, 实测值与式(1) 计算值之比平均为1153, 与式(2) 计算值之比平均为11348; 对型钢混凝土柱和钢筋混凝土梁连接的梁柱节点, 式(1) 较为经济安全, 实测值与计算值之比平均为1115, 而式(2) 因将混凝土和型钢腹板的抗剪能力同时做了折减, 实测值与计算值之比的平均值高达21024, 有浪费之嫌; 对型钢混凝土柱和钢梁连接的梁柱节点, 试验数据较少, 表中显示式(1) 的计算结果相对可靠。表中数据可说明的另一问题是:西安建筑科技大学建议的公式(4) , 有关型钢翼缘抗剪能力一项, 比较适用于梁、柱内配轧制型钢的节点承载力计算, 西南交大所做试件采用的是钢板焊成的厚翼缘工字钢, 计算中型钢翼缘抗剪能力一项所占比例偏大, 计算结果有些不合理。

4 型钢混凝土梁柱节点研究中存在的问题

1) 节点的试验研究较片面, 缺乏完整性:目前, 虽然我国钢材的产量较高, 多年供过于求, 但工程中与型钢混凝土柱配合使用的大都仍为钢筋混凝土梁, 梁中钢筋较多, 与柱中型钢交叉, 且柱中型钢形式多样, 构造十分复杂, 节点的试验大都根据具体的工程, 集中在钢筋混凝土梁与型钢柱的连接构造和节点承载力上, 缺乏系统性; 型钢混凝土梁与型钢混凝土柱的连接节点试验研究大都集中在节点的破坏形态和承载力上, 对节点的构造和应力传递机制的研究还不够深入, 且试件梁、柱内大都采用轧制Ñ型钢, 不能适应柱内多样的型钢形式; 钢梁与型钢混凝土柱连接节点的试验研究则较少, 不利于型钢混凝土组合结构在超高层、大跨建筑中的应用和发展; 另外, 我国目前还需要对采用高强度混凝土的型钢混凝土梁柱节点的性能、结构过渡层中型钢混凝土柱与钢结构柱或钢筋混凝土柱的连接构造以及柱脚部位的连接构造等进行深入的研究。

(下转第36页)

工业建筑 2005年第35卷第1期

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在一般的工程结构中, 可用等效粘滞阻尼系数的大小(图7) 来反映结构在不同阶段时的耗能能力, 其值可按式(1) 计算:

h e =

1环形曲线面积ABC @三角形面积O BD

(1)

展比较充分, 屈服范围较大, 塑性铰的转角也相对较大。

3) 带斜筋剪力墙S W-2与未带斜筋剪力墙S W-1相比, 其滞回曲线更加饱满, 中部的捏拢现象也相对较轻。究其原因, 这主要是因为在剪力墙纵筋屈服以后, 无斜筋的剪力墙SW-1的裂缝范围较小, 但裂缝宽度较大, 同时还产生了比较大的粘结滑移, 而有斜筋的剪力墙SW-2由于斜筋的存在, 能够抑制墙体的裂缝宽度、粘结滑移及剪切变形的影响, 从而使其裂缝分布范围较广, 裂缝宽度较细, 粘结滑移相对较小, 因此其耗能能力可以有较大的提高。

4) 比较两个试件的承载力和变形性能可以看出, SW-2比S W -1的承载力有明显提高, 其提高值约为10%~1817%, 而SW-2比SW-1的延性在推力方向降低了215%左右, 在拉力方向提高了大约1104%。说明带边框柱有斜筋剪力墙在延性变化不大的情况下, 其承载力比无斜筋剪力墙有明显提高, 相应地其抗震性能比无斜筋剪力墙要优越一些。

参考文献

1 蒋欢军, 吕西林. 新型耗能剪力墙模型低周反复荷载试验研究.

世界地震工程, 2000, 16(3):63~67

2 戴 航. 带边框剪力墙结构自控性能的研究:[博士学位论文].南

京:东南大学, 1991. 20~46

3 曹万林, 刘春燕, 等. 暗支撑倾角对剪力墙抗震性能的影响. 世界

地震工程, 2000, 16(3) :68~72

4 刘春燕. 钢筋混凝土带暗支撑剪力墙抗震性能试验研究:[博士学

位论文].北京:北京工业大学, 2000. 16~38

由式(1) 可以算出SW-1极限点滞回环的等效粘滞阻尼系数h e =01184, 而SW-2极限点滞回环的等效粘滞阻尼系数h e =01361, 增幅达到9612%, 说明SW-2的耗能能力比SW-1有明

显提高。

图7 等效粘滞阻尼系数计算示意

4 结 论

1) 试验结果表明, 以原型结构为基础设计的剪力墙模型结构在地震作用下, 钢筋的屈服顺序为:边框柱中纵筋y 墙板外侧根部部分纵筋y 墙板中的斜筋(仅SW-2) y 墙板根部部分水平钢筋y 边框柱中箍筋。

2) 两个试件最后都在其根部形成了弯拉型塑性铰, SW-1的裂缝主要分布在其根部以上700mm 范围内, 而SW-2的裂缝主要分布在其根部以上1200mm 范围内, 且裂缝延伸较长, 数量较多, 宽度也相对较小, 说明SW-2的塑性发

(上接第58页)

2) 节点的内力传递机理不明确:节点承受梁端、柱端传来的轴力、弯矩和剪力, 处于复合受力状态, 内力传递机理较复杂, 受很多因素如节点连接的框架梁类型、型钢混凝土柱中所配制的型钢形式和节点连接的构造形式等的影响。文献[3]虽然考虑到梁的类型不同将影响节点内力的传递途径, 但其规定的关于钢筋混凝土梁、钢梁与型钢混凝土柱连接节点的承载力计算公式还有待推敲; 日本根据其理论和试验研究规定, 为使梁柱间内力传递不发生障碍, 柱钢骨的受弯承载力与梁钢骨的受弯承载力之比应大于014, 虽然文献[2, 3]都参考此规定提出了相应的要求, 但值得一提的是日

本在采用型钢混凝土柱时通常采用钢梁, 而我国在采用型钢混凝土柱时多采用钢筋混凝土梁, 有必要对此规定的合理性和适用性进行研究。

3) 节点的空间性能和抗震性能研究较少:从现有的试验资料来看, 因试验条件限制, 型钢混凝土梁柱节点的试验多为平面加载的静力试验。平面加载无法对节点承载力公式中直交梁约束系数进行试验验证; 静力试验使节点轴压力影响系数的取值只能从偏于安全的角度估计。

4) 节点承载力的计算公式还有待于进一步改进和完善, 从安全和经济的角度提出适合我国国情的承载力计算公式, 以推动型钢混凝土组合结构的应用和推广。

程学报, 2000(5)

参考文献

1 叶列平, 方鄂华. 钢骨混凝土构件的受力性能研究综述. 土木工2 YB 9082-97 钢骨混凝土结构设计规程3 J GJ 138-2001 型钢混凝土组合结构技术规程

4 钱冬江, 蒋永生, 梁书亭, 等. 正交钢骨混凝土节点抗震性能的试

验研究. 江苏建筑, 2002(1)

5 程文氵襄, 高仲学, 苏 毅, 等. 钢骨混凝土柱框架节点的试验研

究. 建筑结构学报, 2002(2)

6 梁柱节点专题组. 劲性钢筋混凝土梁柱节点性能及受剪承载力.

见:混凝土研究报告选集(3). 北京:中国建筑工业出版社, 19947 赵鸿铁. 钢与混凝土组合结构. 北京:科学出版社, 2001

8 唐九如, 陈雪红. 劲性混凝土梁柱节点受力性能与抗剪强度. 建

筑结构学报, 1990(4)

9 日本建筑学会. 钢骨钢筋混凝土结构设计规范及其说明. 冯乃

谦, 叶列平, 译. 北京:能源出版社, 1997

10 翁正强, 陈诚直, 等. 钢梁与S RC 柱之梁柱接头耐震试验. 建筑钢

结构进展, 2002(3)

11 蔡益燕. 对组合结构应用的几点思考. 建筑钢结构进展, 2002(3) 12 Weng C C, Yen S I, Chen C C. Shear Strength of C oncrete Encased

Com posite S tructural Me mbers. ASC E J ournal of S tructural Engineering, 2001, 127(10)

13 Lee Tai 2kuang, Austin D E Pan. Analysis of C omposi te Beam 2Colum ns

under Lateral Cyclic Loading. ASC E Journal of Structural Engineering, 2001(2)

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工业建筑 2005年第35卷第1期

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型钢混凝土梁柱节点的研究现状

陈丽华 李爱群 赵 玲

(东南大学土木工程学院 南京 210096)

摘 要:分析了当前较常用型钢混凝土梁柱节点的构造形式、受力性能和影响因素。根据已有的节点试验资料, 对国内关于节点抗剪承载力计算公式) ) ) 特别是5钢骨混凝土结构设计规程6(Y B 9082-97) 和5型钢混凝土组合结构技术规程6(JGJ 138-2001) 规定的计算公式进行分析比较, 进而指出了我国型钢混凝土梁柱节点研究中的不足。

关键词:型钢混凝土 梁柱节点 抗剪承载力

PRESENT SITUATION OF RESEA RCH ON STEEL REINFORCED CONCRETE

BEA M 2COLUMN JOINTS

Chen Lihua Li Aiqun Z hao Ling

(College of Civil Engineering, Southeas t U niversity Nanjing 210096)

Abstr act :It is analyzed that the construction styles, behavio r and influence factors for co mmonly used steel reinfo rced co ncrete beam 2column join ts. Acco rding to the existing test data on join ts, this paper co mpares several fo rmulas in our co untry o f calculating the shear 2carrying capacity on joi nts ) ) ) especially the formulas prescribed by /Specification for D esign of Steel Reinforced Concrete 0(YB 9082-97) and /Technical Specificatio n fo r Steel Reinforced Concrete Co mpo si te Structures 0(J GJ 138-2001) .The inadequacy in o ur studies o n steel reinforced concrete beam 2column joi nts is pointed out. Keywor ds :steel reinforced co ncrete beam 2column joints shear 2carrying capacity

型钢混凝土结构是指由型钢和其外包钢筋混凝土共同承受荷载的结构。构件截面中型钢的配置, 使结构具有构件截面小、承载力大、抗震性能好、方便施工的优点; 截面中钢筋混凝土的配置, 克服了型钢防腐、防锈、防火性能差, 易发生局部和整体失稳的缺点, 抗侧移刚度大, 节约钢材, 降低了造价。梁柱节点是框架传力的枢纽, 是保证结构承载力和刚度的重要部位。本文介绍了型钢混凝土梁柱节点的构造形式、受力性能, 探讨了国内关于节点抗剪的承载力计算方法的适用性, 指出研究中的不足, 以供参考。1 型钢混凝土梁柱节点的形式

根据结构形式的不同, 型钢混凝土梁柱节点的形式主要有三种:1) 钢筋混凝土梁-型钢混凝土柱的连接; 2) 型钢混凝土梁-型钢混凝土柱的连接; 3) 钢梁-型钢混凝土柱的连接。

由于钢筋混凝土的造价较低, 我国型钢混凝土柱和钢筋混凝土梁配合使用的较多, 国内对此类节点所做的试验研究也较多。研究的方向集中在梁中纵筋在节点区的锚固连接上。一种意见认为, 梁中主筋不应穿过柱型钢翼缘, 也不得与柱型钢直接焊接, 否则将影响柱的抗弯承载力和节点的受剪承载力。根据北京市建筑设计院和清华大学的试验研究[1], 文献[2, 3]推荐的节点构造形式主要是:在柱型钢上设 56 Industrial Construction 2005, Vol 135, N o 11

第一作者:陈丽华 女 1972年1月出生 博士研究生 合肥工业大学讲师

收稿日期:2004-08-20

置工字钢牛腿, 梁内部分主筋穿过型钢混凝土柱连续配置, 部分主筋在柱两侧截断与钢牛腿焊接或搭接。这种连接方法将使梁端塑性铰外移, 因此要求从梁端至牛腿端部以外有一段箍筋加密区。但有试验表明, 若处理不当, 在牛腿末端位置处, 由于截面承载力和刚度突变, 很容易发生混凝土挤压破坏, 故钢牛腿的翼缘常设计为变截面翼缘, 构造较为复杂。另一种意见则认为, 在型钢上开穿筋孔不会影响型钢柱的承载力和节点受剪承载力。东南大学的试验研究表明:1) 对柱内配十字形型钢的梁柱节点[4], 节点构造采用梁内部分纵筋穿过柱翼缘, 部分纵筋焊接在短牛腿上, 但在柱型钢翼缘开孔处, 用加强钢板进行补强。试验表明, 部分纵筋穿过柱型钢翼缘, 对节点抗震性能的不利影响并不明显, 穿过型钢翼缘的梁内纵筋在节点区没有滑移, 锚固性能好, 可获得良好的耗能能力和延性。2) 对柱内配箱形或圆管形等封闭式型钢的梁柱节点[5], 节点构造采用在梁的上、下纵筋与型钢相交处开设小的圆形或半圆形穿筋孔, 梁筋从孔中穿过。试验表明, 在型钢上开设小的穿筋孔不仅不会削弱节点的受

工业建筑 2005年第35卷第1期

力性能而且会提高节点的受力性能。因为型钢小开孔处形成了钢筋混凝土抗剪销钉, 增加了型钢与混凝土的粘结, 使型钢内外侧的混凝土在开孔处得以贯通, 提高了节点核心区混凝土的整体性; 此法构造简单, 施工较为方便。

我国对型钢混凝土梁或钢梁与型钢混凝土柱的连接的节点构造研究较少, 特别是对内配箱形或圆管形等封闭式型钢的柱与型钢梁的连接节点, 国内还未见相关的文献和报道。文献[2]给出的十字形节点型钢连接形式基本上是参考了日本的节点型钢连接形式, 柱内型钢大都采用贯通型, 在对应于型钢梁的上下翼缘处, 设置水平或垂直加劲肋。(b c +b b ) P 2; 当框架梁为钢梁时, b j =b c P 2; 第二项表示箍筋抗剪能力; 第三项表示型钢腹板抗剪能力; 第四项表示轴压力对抗剪有一定的提高作用。

文献[3]规定:根据框架节点的抗震等级和结构形式, 在地震作用组合下, 节点的受剪承载力满足:

一级抗震等级V j [

A f 1A

RE (2)

二级抗震等级

2 型钢混凝土梁柱节点的受力性能和影响因素

根据我国已有的试验资料表明[1, 5~11], 型钢混凝土梁柱节点在低周反复荷载下有较好的刚度和延性, 可提高节点的抗裂度和抗剪承载力, 增加结构的耗能能力, 防止节点脆性破坏。

1) 抗剪承载力:型钢混凝土梁柱节点内含型钢, 型钢腹板参与工作, 增加了一个重要的抗力因素, 加之翼缘框对核心区混凝土的约束作用, 使节点抗裂度和极限承载力都高于普通混凝土梁柱节点。影响因素主要有型钢腹板和翼缘截面面积(型钢含钢率) 、节点区箍筋的配箍率、混凝土的强度等级、轴压比、型钢的形式即节点核心区混凝土所受约束程度等。

2) 延性和耗能性能:节点荷载(F ) -位移($) 滞回曲线表明, 无论是延性还是耗能能力, 型钢混凝土节点都优于钢筋混凝土节点。钢筋混凝土节点在承载能力达到极限后便急剧下降, 滞回环呈/捏缩0现象, 位移延性系数仅为210左右; 型钢混凝土节点由于型钢的塑化作用, 达到极限荷载后承载力下降速度缓慢, 滞回环很丰满, 位移延性系数均大于410, 具有良好的延性和耗能能力。影响因素主要有型钢的含钢率和形式、配箍率和轴压比等。

3) 核心区的剪切变形及刚度退化:试验表明, 按5混凝土结构设计规范6(GB 50010-2002) 配有最小配箍量的型钢混凝土节点, 其剪切变形比同条件的普通混凝土节点要小, 而且型钢混凝土节点的刚度退化缓慢。影响因素主要是核心区的约束程度和梁筋在节点内的锚固状况。3 型钢混凝土梁柱节点抗剪承载力计算公式

目前, 国内对型钢混凝土梁柱节点抗剪承载力计算还未形成统一的公式, 对各种因素影响节点承载力的程度存在分歧, 现分别介绍如下:

文献[2]规定:在地震作用组合下, 梁柱节点受剪应满足:V j [

1011D A j f c b j h j +f y v sv j +f ssv t w h w +011N rc

c (1)

RE 式中, 括号内第一项表示混凝土的抗剪能力, D j 为节点形式系数, 由于我国节点试验中关于节点形式影响的研究不足, 此系数是根据日本有关的试验结果给出的, 十字形节点取3, T 形节点取2, L 形节点取1, 以考虑梁柱对节点核心区混凝土约束程度; b j 、h j 为节点核心区受剪截面宽度和高度, h j =h c -2a c ; 当框架梁为型钢混凝土梁或钢筋混凝土梁时, b j =型钢混凝土梁柱节点的研究现状) ) ) 陈丽华, 等

V j [

1

j G j A +0105f c b c h c f c b j h j +RE f A sv y v

(h f

a 0-a c s ) +B t w h w (2a)

节点的受剪承载力由混凝土、箍筋和型钢腹板三部分组成。式中, A 、B 是考虑型钢混凝土柱与各种不同类型的梁形成节点时, 梁端内力传递到柱的途径有差异的梁的形式系数:型钢混凝土柱与型钢混凝土梁连接的梁柱节点, A =013, B =110; 与钢筋混凝土梁连接的梁柱节点, A =0114, B =0135; 与钢梁连接的梁柱节点, A =0125, B =110;

我国梁柱节点专题组根据课题组所做的36个型钢混凝土节点的试验结果, 在文献[6]中提出节点受剪承载力建议公式:

V j [

1

(h f

0-a c s ) +a t w h w (3)

节点的受剪承载力亦由混凝土、箍筋和型钢腹板三部分组成。式中,

西安建筑科技大学在文献[7]中, 建议型钢混凝土节点的抗剪承载力计算公式表示为混凝土、箍筋、型钢腹板和型钢翼缘四项抗剪能力的叠加:

V 1

j [

013+011f c b j h j +RE 2

f A sv (h 0-a c f a

s ) +t b f h f y v

w h w +bw f a

(4)

式中,

57

数, 其回归公式为:

W =

1+117(X -0125) 1

0125[X 0125>X

缘的厚度) ; h bw 为梁中型钢腹板截面的高度。

从形式上比较上述关于型钢混凝土梁柱节点抗剪承载力计算公式, 共同点在于都考虑了混凝土、箍筋和型钢腹板三部分的承载力; 在一定的范围内, 考虑了轴压力对节点抗剪能力的提高。不同点在于计算混凝土的抗剪能力时, 如何考虑各种因素如节点的位置、梁柱的约束、轴压力、翼缘框以及箍筋约束等对混凝土受剪的影响。

根据文献[6]的试验资料, 本文对上述计算公式的安全性和精确性加以比较, 见表1。

其中, X =A P (h c b c ) , 表示约束梁截面在节点范围内的面积覆盖率, A 为直交约束梁的截面积; h c , b c 分别为梁与柱截面的高度; 式(4) 中第四项为节点翼缘框所承担的剪力; G 为折算截面轴压比, G =

N

; b 为节点区型钢翼缘的宽

(A c +A E A ss ) f c f

度, 取梁中型钢与柱中型钢翼缘宽度的平均值:b f =(b bf +b cf ) P 2; h f =

c f +h bf (h bf , h cf 分别为梁中型钢与柱中型钢翼

表1 节点受剪承载力计算公式的比较

式(1)

试验单位

试件编号

试件特征

实测V t j

1V c j

kN

式(3)

式(4)

V j V c3j [***********][***********][***********][***********]1151117

t

式(2a)

V j V c1j [***********][***********][***********][***********]91137

t

V c2j [***********][***********][***********][***********][***********][***********]596131

V j V c2j [***********][***********][***********][***********]1130

t

V c3j [***********][***********][***********][***********][***********][***********]660165

V j c[***********][***********][***********][***********][***********][***********]696101

V j V j c[***********][***********][***********][***********]5911081111

t

西南交通

大学

J-11J-22J-31J-32S RC-9

顶层边节点S RC 梁

[***********]1757915

[***********][***********][***********][***********]304167

[***********][***********]

中国建筑科

学研究院

SRC J-1SRC J-2SRC J-3SRC J-4SRC J-6

中柱节点RC 梁

[***********]1168315

西安建筑科

技大学

S RC1-0S RC1-1S RC1-2S RC1-3S RC1-4

中柱节点S RC 梁

[***********]1660916

东南大学

S RC-02S RC-03S RC-04S RC-05

S 梁S RC 梁

[***********]19

注:东南大学的试件为边柱节点, 试件03为S 梁, 破坏形态为钢梁失稳, 不考虑抗震调整系数。

从表1中数据可看出, 对型钢混凝土柱和型钢混凝土梁连接的梁柱节点, 文献[2]推荐的式(1) 、文献[3]推荐的式(2) 计算的结果都偏于安全, 因式(1) 中节点核心区混凝土受剪截面的高度取值略有不同, 更为安全, 实测值与式(1) 计算值之比平均为1153, 与式(2) 计算值之比平均为11348; 对型钢混凝土柱和钢筋混凝土梁连接的梁柱节点, 式(1) 较为经济安全, 实测值与计算值之比平均为1115, 而式(2) 因将混凝土和型钢腹板的抗剪能力同时做了折减, 实测值与计算值之比的平均值高达21024, 有浪费之嫌; 对型钢混凝土柱和钢梁连接的梁柱节点, 试验数据较少, 表中显示式(1) 的计算结果相对可靠。表中数据可说明的另一问题是:西安建筑科技大学建议的公式(4) , 有关型钢翼缘抗剪能力一项, 比较适用于梁、柱内配轧制型钢的节点承载力计算, 西南交大所做试件采用的是钢板焊成的厚翼缘工字钢, 计算中型钢翼缘抗剪能力一项所占比例偏大, 计算结果有些不合理。

4 型钢混凝土梁柱节点研究中存在的问题

1) 节点的试验研究较片面, 缺乏完整性:目前, 虽然我国钢材的产量较高, 多年供过于求, 但工程中与型钢混凝土柱配合使用的大都仍为钢筋混凝土梁, 梁中钢筋较多, 与柱中型钢交叉, 且柱中型钢形式多样, 构造十分复杂, 节点的试验大都根据具体的工程, 集中在钢筋混凝土梁与型钢柱的连接构造和节点承载力上, 缺乏系统性; 型钢混凝土梁与型钢混凝土柱的连接节点试验研究大都集中在节点的破坏形态和承载力上, 对节点的构造和应力传递机制的研究还不够深入, 且试件梁、柱内大都采用轧制Ñ型钢, 不能适应柱内多样的型钢形式; 钢梁与型钢混凝土柱连接节点的试验研究则较少, 不利于型钢混凝土组合结构在超高层、大跨建筑中的应用和发展; 另外, 我国目前还需要对采用高强度混凝土的型钢混凝土梁柱节点的性能、结构过渡层中型钢混凝土柱与钢结构柱或钢筋混凝土柱的连接构造以及柱脚部位的连接构造等进行深入的研究。

(下转第36页)

工业建筑 2005年第35卷第1期

58

在一般的工程结构中, 可用等效粘滞阻尼系数的大小(图7) 来反映结构在不同阶段时的耗能能力, 其值可按式(1) 计算:

h e =

1环形曲线面积ABC @三角形面积O BD

(1)

展比较充分, 屈服范围较大, 塑性铰的转角也相对较大。

3) 带斜筋剪力墙S W-2与未带斜筋剪力墙S W-1相比, 其滞回曲线更加饱满, 中部的捏拢现象也相对较轻。究其原因, 这主要是因为在剪力墙纵筋屈服以后, 无斜筋的剪力墙SW-1的裂缝范围较小, 但裂缝宽度较大, 同时还产生了比较大的粘结滑移, 而有斜筋的剪力墙SW-2由于斜筋的存在, 能够抑制墙体的裂缝宽度、粘结滑移及剪切变形的影响, 从而使其裂缝分布范围较广, 裂缝宽度较细, 粘结滑移相对较小, 因此其耗能能力可以有较大的提高。

4) 比较两个试件的承载力和变形性能可以看出, SW-2比S W -1的承载力有明显提高, 其提高值约为10%~1817%, 而SW-2比SW-1的延性在推力方向降低了215%左右, 在拉力方向提高了大约1104%。说明带边框柱有斜筋剪力墙在延性变化不大的情况下, 其承载力比无斜筋剪力墙有明显提高, 相应地其抗震性能比无斜筋剪力墙要优越一些。

参考文献

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3 曹万林, 刘春燕, 等. 暗支撑倾角对剪力墙抗震性能的影响. 世界

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4 刘春燕. 钢筋混凝土带暗支撑剪力墙抗震性能试验研究:[博士学

位论文].北京:北京工业大学, 2000. 16~38

由式(1) 可以算出SW-1极限点滞回环的等效粘滞阻尼系数h e =01184, 而SW-2极限点滞回环的等效粘滞阻尼系数h e =01361, 增幅达到9612%, 说明SW-2的耗能能力比SW-1有明

显提高。

图7 等效粘滞阻尼系数计算示意

4 结 论

1) 试验结果表明, 以原型结构为基础设计的剪力墙模型结构在地震作用下, 钢筋的屈服顺序为:边框柱中纵筋y 墙板外侧根部部分纵筋y 墙板中的斜筋(仅SW-2) y 墙板根部部分水平钢筋y 边框柱中箍筋。

2) 两个试件最后都在其根部形成了弯拉型塑性铰, SW-1的裂缝主要分布在其根部以上700mm 范围内, 而SW-2的裂缝主要分布在其根部以上1200mm 范围内, 且裂缝延伸较长, 数量较多, 宽度也相对较小, 说明SW-2的塑性发

(上接第58页)

2) 节点的内力传递机理不明确:节点承受梁端、柱端传来的轴力、弯矩和剪力, 处于复合受力状态, 内力传递机理较复杂, 受很多因素如节点连接的框架梁类型、型钢混凝土柱中所配制的型钢形式和节点连接的构造形式等的影响。文献[3]虽然考虑到梁的类型不同将影响节点内力的传递途径, 但其规定的关于钢筋混凝土梁、钢梁与型钢混凝土柱连接节点的承载力计算公式还有待推敲; 日本根据其理论和试验研究规定, 为使梁柱间内力传递不发生障碍, 柱钢骨的受弯承载力与梁钢骨的受弯承载力之比应大于014, 虽然文献[2, 3]都参考此规定提出了相应的要求, 但值得一提的是日

本在采用型钢混凝土柱时通常采用钢梁, 而我国在采用型钢混凝土柱时多采用钢筋混凝土梁, 有必要对此规定的合理性和适用性进行研究。

3) 节点的空间性能和抗震性能研究较少:从现有的试验资料来看, 因试验条件限制, 型钢混凝土梁柱节点的试验多为平面加载的静力试验。平面加载无法对节点承载力公式中直交梁约束系数进行试验验证; 静力试验使节点轴压力影响系数的取值只能从偏于安全的角度估计。

4) 节点承载力的计算公式还有待于进一步改进和完善, 从安全和经济的角度提出适合我国国情的承载力计算公式, 以推动型钢混凝土组合结构的应用和推广。

程学报, 2000(5)

参考文献

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6 梁柱节点专题组. 劲性钢筋混凝土梁柱节点性能及受剪承载力.

见:混凝土研究报告选集(3). 北京:中国建筑工业出版社, 19947 赵鸿铁. 钢与混凝土组合结构. 北京:科学出版社, 2001

8 唐九如, 陈雪红. 劲性混凝土梁柱节点受力性能与抗剪强度. 建

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9 日本建筑学会. 钢骨钢筋混凝土结构设计规范及其说明. 冯乃

谦, 叶列平, 译. 北京:能源出版社, 1997

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36

工业建筑 2005年第35卷第1期


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