钢管混凝土框架环板贯穿节点抗震性能研究

李成玉 赵 峰

1 概述

钢管混凝土构件由于集合了钢筋混凝土和钢结构的诸多优点，且克服了二者的很多缺点，近年来在高层及超高层建筑中得到越来越多的应用。高层或超高层一般建设在地震区，因而面临着严重的地震灾害威胁。然而，地震灾害产生的最主要根源不在于地震本身，而是房屋建筑的倒塌和破坏。谢礼立院士指出，地震灾害属于一种典型的土木工程灾害，即由于土木工程自身不能抵御突发的地震作用而导致土木工程失效和破坏乃至倒塌而造成的灾害。因此，为了减少地震灾害，必须提高结构体系的抗震能力。建筑结构体系作为一个系统，结构系统的整体性能取决于构件之间的组成方式和构件之间的相互作用。采用同样的结构构件，但按不同方式组成的结构系统，其整体性可能表现为截然不同的效果。由此可见，尽管钢管混凝土构件具有优良的抗震性能，但节点方式及其性能在提高钢管混凝土结构的整体抗震性能中起着关键性作用。

2 外加强环式节点及隔板贯通式节点的受力特点

钢管混凝土框架结构的主体一般由钢管混凝土柱与钢梁通过节点连接而成。考虑到管内混凝土的浇灌效果以及抗震性能，通常是采用柱贯通而梁从侧面通过节点与之连接，因此外加强环式节点成为一种最普遍的连接方法，世界上很多国家为此开展了相关研究，取得了一系列成果。

1)加强环应力分布及截面设计研究。

日本AIJ在20世纪60年代做了早期研究，并提出了环板的设计方法。李至钧(1987年)借鉴日本早期研究结果，在国内最早进行了加强环形式的试验和理论研究，钟善桐(1999年)等也做了相关研究。总结出同心圆弧式、内凹圆弧式、直线式和折线式四种形式。与此同时，他们先后用结构力学的方法，考虑柱与加强环共同作用，建立了曲梁模型，以确定加强环的截面尺寸。申请者(2005年)进行了同心圆弧式节点不同环宽的试验研究，对节点域的应力分布特征进行了测试;另外利用有限元程序对节点受力进行了模拟，归纳分析了节点域应力分布规律。

2)节点承载力研究。

承载力的研究包括节点抗剪、抗弯以及刚度三个方面。国内外对这种节点的承载力进行了比较多的研究。加藤勉等(1960年～1965年)提出了受压混凝土约束构成的桁架模型，解释了梁柱节点的基本压力传递机理。李至钧(1987年)设计了12个加强环单向拉伸节点试件，分四组进行了内凹弧形节点的抗拉承载力的试验。薛立红(1994年)、钟善桐等(1996年)进行了节点剪力传递的试验。申请者(2003年、2005年)设计了四组共12个足尺同心圆弧加强环式空间梁柱节点，分别采用平面对称加载和空间对称加载，对其进行了抗弯极限荷载和刚度等方面的研究，并对节点的破坏机理进行了分析;利用有限元软件，用单因素法和正交设计法，对节点刚性进行了大量分析，归纳提出了加强环式节点的刚度表达式。

3)节点抗震性能研究。近年来，由于对结构的抗震性能越来越重视，不少单位相继开展了钢管混凝土结构抗震性能的研究，取得了不少成果。李至钧、闫善章(1991年，1994年)两次进行了钢管混凝土柱—钢梁节点的滞回性能试验研究;Alostaz，Schneider(1996年)设计了6种不同柱—梁连接方式的试件，主要进行了节点细部改善对节点抗震性能的研究，与此同时，他们还在大型有限元ABAQUS平台上，实现了节点受力性能的模拟;张素梅、张大旭(2000年)进行了钢管混凝土节点反复荷载作用机理研究;王远志(1999年)、郑锦铜(2003年)等进行了梁柱节点在反复荷载作用下剪力传递机理的研究;天津大学的李忠献、丁阳等(2004年)还进行了两跨三层钢管混凝土框架模型的抗震试验研究;申请者(2005年)利用ANSYS商用有限元软件进行了节点在反复荷载作用的滞回性能分析，指出研究钢管混凝土节点的滞回性能时应首先着重分析节点域的变形情况，即保证节点的完整性，其次才是节点宏观的延性耗能指标。

通过对已有研究成果分析，因为应力集中的原因，外加强环式节点的破坏多发生在翼缘与环板接合部位，以及环板与柱管的环形连接焊缝上，这些节点破坏现象一旦发生，都会引起柱管的爆裂，最终导致整体结构的失效(见图1);另外由于外加强环对柱管的约束不足，使得柱管在面外弯矩的作用下在节点域还常常会发生鼓胀现象，从而使节点失效(见图2)。

图1 梁与环板接合部位断裂

图2 节点域发生鼓胀破坏

应力集中导致钢结构梁柱节点发生脆性破坏是一种普遍存在的现象，为此美国学者提出在钢结构梁柱连接节点中考虑延性设计。基本思路是通过对离梁柱连接处一定距离的梁翼缘进行定向人为削弱，促使塑性屈服在梁的削弱位置出现并扩展，其目的是通过控制“弱梁”来实现“强节点”，确保节点的完整性。美国学者为了将这种节点应用于钢结构做了大量试验和理论研究。目前，我国学者也开展了在钢结构梁柱节点中采用延性设计方面的研究。钢管混凝土外加强环式节点的应力集中产生的原因和钢结构节点基本相同，因此也有研究者着手将这种概念应用于钢管混凝土节点做了一些研究，取得了一些成果。

研究结果还表明，在钢管混凝土结构中采用柱贯通式连接并没有达到预期的强柱效果。相反由于节点区容易鼓胀导致柱壁与混凝土的粘结失效从而影响承载力。而为了保证节点足够的刚度，必须加大外加强环板的宽度，这又使得节点区过于庞大而影响防火及建筑美观等。因此环板贯通式连接成了一个新的研究方向，日本在这个方面的研究处于领先，我国最近也开始有所研究。

“强柱弱梁”破坏机制是框架结构抗震设计所希望的，但研究者发现在汶川地震中几乎没有看到框架结构出现“强柱弱梁”机制，相反基本都是出现柱铰机制。分析者认为造成这种不利破坏模式的一个主要原因是在一般设计中只针对裸框架结构进行分析计算，没有将楼板对框架梁的刚度和承载力的贡献充分考虑进去，聂建国等(2006年)，刘洪波等(2008年)对此开展了研究，证明了这一观点。

3 结语

环板贯通式连接可显著提高节点刚度，而延性设计则可明显改善环板区域的应力集中现象，这些都是保证强节点的有效措施。而为了保证“强柱弱梁”机制的真正实现，必须考虑楼板对钢梁的影响，考虑了楼板作用的梁其实质为组合梁。由于基于性能的抗震设计理论已逐渐被应用，因此项目将以基于性能理论作为指导，开展钢管混凝土柱—组合梁框架环板贯通式延性节点的研究，对完善节点设计理论、提高钢管混凝土框架的抗震能力，有着重要的理论意义及社会价值。

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