钢梁-钢筋混凝土柱组合结构节点探讨
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摘要：在组合结构中出现了一种新型的结构形式，即由钢梁和钢筋混凝土柱组成的框架(RCS)结构。文中介绍了RCS结构的特点，在国内外的发展、研究及应用情况。
近年来，在组合结构中出现了一种新型的结构形式，即由钢梁(Steel beam)和钢筋混凝土柱(Reinforced concrete column)组成的框架(RCS)结构。柱子为压弯构件，采用钢筋混凝土柱，可以利用混凝土受压性能好，易于就地取材，以及利用混凝土构件刚度大、耐久性好和耐火性好的优点，以达到节约钢材，降低成本，增加结构的稳定性的目的。梁为受弯构件，采用钢材，可利用钢材强度高，以及钢结构构件质量轻、施工速度快的优点，从而减轻结构自重，减小构件截面尺寸，降低房屋高度，增大有效使用空间，降低基础造价，加快施工速度。由于这种结构具有以上种种优点，所以在组合结构中得到了迅速发展[1,2]。本文主要介绍了RCS节点在国内外的研究及应用概况。
l 国外RCS节点的研究及应用概况
在美国，RCS组合框架结构被视为传统中高层建筑结构的一种延伸，它是用钢筋混凝土柱代替钢框架中的钢柱，只是在钢筋混凝土柱的中心设置小截面的用于施工架立的钢骨(Steel erection column)，并且在节点处采用钢梁贯通(Through bean)的方式，即钢梁连续穿过钢筋混凝土柱，柱中钢骨不进入节点，而是焊接在钢梁的上下翼缘上。
这种节点的特点为：(1)对承受较大的轴向压力来讲，由于钢柱存在受压失稳的问题，通常都是由稳定条件来控制钢柱的截面尺寸，钢材强度高的优势并不能充分发挥，材料的利用率不高；而RC柱由于其断面不会太小，稳定问题不起控制作用，材料强度的利用率要高于钢柱，而且采用RC柱能够增加结构的抗侧刚度，减小侧向位移。(2)由于采用梁贯通式节点，可以将钢梁连接处设置在跨中受力较小的部位，这样就避免了梁柱节点处焊缝密集，焊接应力集中的不利局面，并且减少了现场焊接量，加快了施工速度。(3)美国式节点的施工方法也有其自身的优点，以一多层框架为例来示意的RCS组合框架的施工过程。先由架立钢柱与钢梁组成施工阶段的钢框架，然后从下而上逐层在钢梁上铺设压型钢板，焊接楼盖抗剪栓钉，同时绑扎钢筋，安装柱模板，浇筑柱混凝土。在某层柱的混凝土达到一定强度之后，浇筑该层的楼板混凝土。所以架立钢柱只需承担施工阶段钢结构部分的荷载，满足施工阶段的可靠度要求，因而其断面小于型钢混凝土中钢骨的断面。这样就可以使每一道工序在不同的工作面进行，互不干扰，加快了施工速度，实现了钢框架的立体施工。
美国式RCS组合结构具备以上的特点，得到了建筑界的广泛赞同。在1986年，美国学者Griffis指出，RCS组合结构具有“充分利用材料”、“资金利用率高”、“施工速度快”等优点，被称为“低成本高效率”结构。他的研究表明，在轴压力作用下，按强度和刚度的要求，钢筋混凝土柱比钢柱的利用率高(Cost-effective)高8至11倍。上个世纪80年代初，美国在中高层建筑中，开始使用RCS组合框架。例如休斯顿市一中心的“First City Tower”大厦和该市的另一幢52层的高层建筑“The Three Houston GultToeer Building”的建成，进一步促进了美国学者对RCS组合框架结构的研究。
2 国内RCS节点的研究及应用概况
我国对组合结构框架节点研究比较晚。从公开发表的论文来看，仅有天津大学杨建江于2001年在循环荷载作用下进行了试验，研究了节点强度和变形性能，并给出了承载力计算公式。清华大学土木系、北京市工业设计研究院及海登德莱赛中国有限公司和金港机场建筑有限公司在2006年共同研究了3个钢梁一钢筋混凝土连接节点在梁端往复加载的试验。结果表明：采用的梁贯穿型连接具有良好的抗震性能，能够实现“强柱弱粱”、“强核心弱构件”的抗震概念设计要求，并提出这种组合节点的设计建议。由于我国的科技工作者刚刚认识到这种结构的优越性，所以我国对结构节点的工作性能认识还不够，仅在一些工业厂房和轻型房屋中采用RCS组合结构。如华北电力设计院1988年完成的山西神头第二发电厂(2台500MW机组)厂房，框架结构，柱子为现浇钢筋混凝土平腹杆双肢柱，梁为焊接工字型梁，节点处采用钢梁通过柱竖肢并采用空腹式角钢辅助架加强节点核心区约束作用的刚性连接方案。这是我国首次在大型工业厂房中采用RCS组合框架。除此之外，在1999年，郑州粮油工程建筑设计院设计的粮仓一房式仓CB一30采用门式刚架，柱子为钢筋混凝土矩形截面柱，梁为焊接工字型梁。工程实践表明，梁柱采用不同的材料，可以充分发挥各自的优点，达到经济实用的目的。随着对RCS组合结构的研究不断深入，这种结构在我国也会得到越来越多的应用。
综上所述，现在我国学者主要研究的是这种组合结构在循环荷载作用下的滞回性能、延性和耗能能力等。这种组合结构的滞回曲线比同条件下的钢筋混凝土构件或钢构件的滞回曲线饱满。重庆大学学者研究表明：从荷载一位移滞回曲线的形状来看，结构有良好的滞回性能，呈现弓形，是介于钢节点的纺锤形和混凝土节点的反S形之间的一种滞回环形状。当节点区域的混凝士开裂后，试件的滞回曲线也有捏缩的现象，但即使到了加载后期其捏缩程度也远不及钢筋混凝土严重。不同设防烈度区各类多层多跨典型钢筋混凝土框架在多条地面运动输入下的非线性动力分析后，钢筋混凝土框架节点组合移延性系数能达到4．0，但是相同条件下组合结构的梁端有效位移延性系数可以达到5.0以上。这表明RCS框架梁柱节点较容易满足延性有效系数4.0以前节点不出现剪切破坏的抗震性能要求。通过以上分析可以说明：组合结构梁柱节点具有比钢筋混凝土和钢构件更好的性能。
3 钢梁-钢筋混凝土柱节点在低周反复荷载作用下受力性能分析
本次试验研究试验参数为轴压比n=0.6、0.3，节点构造和钢筋砼柱的截面尺寸(350×350、300×300两种)．钢筋砼柱混凝土强度等级c30，为保证在试验中破坏发生在节点区，节点核芯区的混凝土强度等级为C20．钢材：纵筋为II级钢筋：箍筋I级钢筋，钢梁为钢板焊接成型，截面商为300mm，上下翼缘厚度为10mm，宽度为100mm。腹板厚度为8mm。试件No．1、No．2和No．4钢梁的腹扳在伸入节点2.5cm的部位切断，但上下翼缘穿过节点核芯区，并在节点核芯区配置了竖向和水平箍筋。竖向箍筋与钢梁穿过核芯区的上下翼缘焊接联结。试件No．1、No．2的水平和竖向箍筋率分别为0.27％和0.90％，试件No-4的水平和竖向箍筋率分别为0.32％和1.05％，核芯区体积含钢量分别为0.62％和2.97％。试件No．3钢粱的腹扳和上下翼缘均穿过节点孩芯区．核芯区的水平箍筋穿过钢粱的腹板时，在钢梁腹板上的箍筋穿过部位打孔使水平箍筋形成闭合环．水平箍筋的箍筋率为0.32％，节点核芯区的体积含钢率为(包括铜粱腹板)3.97％．为防止钢粱与混凝土接触部位混凝土局部受压破坏，在节点区钢梁的上下部位钢筋砼柱和柱的上下端头各配置了五片正交钢筋网片。
通过上述四个模型试验可以得到，（1）试验的四个承受梁端反对称反复荷载的现浇平面钢梁一铜筋砼柱组合节点均为由于核芯混凝土被沿节点对角线方向的斜向压力压碎而导致的斜压破坏。轴压比过大时，使节点的极限承载力和延性降低。设计时需强调“强节点，强锚固”原则。（2）节点核芯区的水平和竖向箍筋具有约束核芯混凝土，控制核芯区斜裂缝的产生和发展，减轻核芯混凝土的剥落程度，提高混凝土斜压杆承受斜向压力的能力。（3）由于钢粱截面高度较相同抗弯承载力的钢筋砼粱截面高度小许多，故柱核芯区锚固问题比钢砼粱柱节点更突出，设计时应采取措施防止柱纵筋在节点核芯区发生滑移。（4）钢粱腹板通过节点核芯区可以显著提高节点的极限承载力、耗能能力和抗裂度和刚度：但在钢粱腹板通过核芯区的组合节点中，同样需要配置一定数量的箍筋。（5）支撑加劲肋对节点抵抗剪力起着重要作用。实际设计时，应设置支撑加劲肋，其尺寸、刚度及其与钢梁腹板、翼缘之间的焊缝强度和刚度，需满足节点核芯砼斜压杆抗剪。（6）这里所研究的钢粱-钢筋砼柱组合节点中，钢粱的截面宽度一般比混凝土柱的截面宽度小许多，因此此处钢梁上下翼缘下部的柱端混凝土受到的局部压力很大，实际设计中应采取的措施防止柱端混凝土的局压破坏。试验表明，在与节点相邻的上下柱的端部设置钢筋网片和在节点区钢梁翼缘上焊接承压钢筋，能有效防止混凝土的局压破坏。
4 结语
RCS结构在我国今后的发展中将得到越来越多的应用，但是我国在这方面的研究还落后于世界先进水平，还需要做大量的工作，使得RCS结构在我国有更好发展，为今后的社会发展作出更大的贡献。