RCS组合节点的构造措施与破坏模式分析

门进杰 熊礼全 管润润 史庆轩 李慧娟

（西安建筑科技大学土木工程学院，西安710055）

RCS组合节点的构造措施与破坏模式分析

门进杰*熊礼全 管润润 史庆轩 李慧娟

（西安建筑科技大学土木工程学院，西安710055）

钢筋混凝土柱-钢梁（RCS）组合节点受力复杂，不同的节点构造措施对其破坏模式和承载力影响显著。根据试验和数值模拟结果，分析了8种RCS节点构造措施的传力机理及其对节点承载力的贡献，并提出设计建议。分析了已有节点破坏模式的特征、受力机理、影响因素等；并根据国内外试验，提出了两种新的破坏模式：部分剪切破坏和节点-梁混合破坏。通过分析其破坏特征、发生条件、受力机理等，给出了承载力计算建议。研究成果为进一步建立RCS组合节点的受剪承载力公式提供依据。

钢筋混凝土柱-钢梁（RCS），组合节点，构造措施，破坏模式，受剪承载力

1 引 言

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。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；与混凝土框架相比，RCS组合框架可明显减轻结构自重，增大结构跨度，获得更大的使用空间［1］。在RCS组合框架结构中，有效的节点设计是保证结构构件传力的关键，然而由于该类节点构造措施的多样性，使其构造措施设计、受力机理、破坏模式和承载力计算等均不够完善［2-4］。为此，本文基于已有受力机理［5］，总结分析了不同构造措施对节点承载力的贡献；通过研究，提出了RCS组合节点的不同破坏模式及其发生条件，分析不同破坏模式的影响因素，为该类节点承载力公式的建立提供依据。

2 RCS组合节点的典型构造及作用分析

2.1 RCS组合节点的构造措施

图1是典型的RCS组合节点形式，根据对节点区混凝土约束情况的不同，将节点的构造措施分为内部措施和外部措施。

（1）内部措施。主要包括面承板、钢梁腹板、柱面钢板等。主要作用是使节点区的混凝土处于腹板、上下翼缘和这些构造的约束之中，使混凝土处于三向受力状态，从而提高节点区混凝土的抗剪能力。

图1 典型的节点构造Fig.1 Typical joint configuration

（2）外部措施。主要包括纵向钢筋、箍筋、竖向加强筋、钢环箍、加焊栓钉和架立钢柱等。主要作用是将剪力传递到节点外部区域的混凝土中，使外部混凝土形成斜压杆机构；此外，还能够承担节点区的一部分压力，防止承压破坏的发生。

2.2 RCS组合节点构造措施的作用分析

2.2.1面承板

RCS组合节点中的面承板有三种形式：一般的面承板、加宽面承板和延伸面承板，见图2。

通过对文献［4］中5个节点（编号为3，4，5，7，8）的试验结果，对面承板的作用进行分析，结果如表1所示。从表1中可以看出，设置面承板的作用非常显著，与不设置时相比，节点承载力提高了约61.2%；面承板长度和宽度对节点承载力的影响也较显著，当其分别增加60%和50%时，节点承载力分别提高了73.6%和27.1%；而面承板厚度对节点承载力影响比较小，当厚度增加约2倍时，承载力提高幅度很小，约为6.0%。分析原因是，面承板的存在、面承板长度和宽度的增加均会增加斜压杆的受压面积，并提高混凝土的强度，从而提高了节点的抗剪承载力；此外，延伸面承板还可以将钢梁翼缘传来的一部分压力传递到柱中，从而也间接减小了节点的受力。而面承板厚度的增大并不能增加斜压杆的受压面积，并且较厚的面承板在节点破坏时往往不能屈服，对承载力的贡献就相对较小。

图2 常见的RCS节点构造措施—面承板Fig.2 Various typical FBP details

2.2.2箍筋

RCS组合节点中，当节点区设置柱面钢板时，可以不设置箍筋。除此之外，一般均设置箍筋。

通过对文献［6］中3个节点（编号为ZJD-01、ZJD-02、ZJD-14）和文献［7］中3个节点的有限元分析结果，从有无箍筋和配箍率的变化两个方面进行分析，相关结果见表1所示。从表1可以看出，与没有设置箍筋时相比，当设置φ6＠100和φ8＠100的箍筋时，承载力提高约为7.0%和 18.9%；当配箍率从1.1%提高到1.59%和2.84%时，承载力仅提高了6.1%和9.8%。可见，箍筋对节点承载力虽有一定的影响，但当配箍率较大时，影响程度较小。分析其原因，是一定数量的箍筋的确可以与其他构造措施一起形成斜压杆机构，但是，过多的箍筋会导致其在节点破坏时不能达到屈服状态，也就不能完全发挥作用。因此，一味地提高配箍率并不会对节点承载力产生显著影响。

表1 构造措施对节点承载力的影响Table 1 Effect of joint details on the ultimate shear capacity

2.2.3纵向钢筋

通过对文献［8］中（编号分别为1，7，8）和文献［7］中3个节点的有限元分析结果，分别从纵筋强度和配筋率两个方面对纵向钢筋的作用进行分析，结果如表1所示。可以看出，增加纵筋强度对节点承载力的提高影响比较小。当纵筋配筋率不变，纵筋强度从452 MPa增加到500 MPa和700 MPa时，承载力仅提高了约1.9%和3.9%；增加纵筋配筋率对节点承载力有明显的影响，当配筋率从4.18%增加到5.06%、8.19%时，节点承载力提高了约3.1%和18.6%。分析其原因，是在文献［8］中，节点试件在整个受力过程中纵筋的最大压应力和拉应力分别为168.26 MPa和428.5 MPa，均未达到其屈服强度。此时，增强纵筋强度对节点承载力几乎是没有影响；而在文献［7］中，纵筋基本上都达到了屈服强度，并且纵筋配筋率的增加意味着纵筋数量的增加，这对提高节点承载力是有利的。

2.2.4钢环箍

钢环箍是环绕混凝土柱的封闭环形短钢板，设置在节点区柱根部，焊接在钢梁的翼缘上，一般成对设置，如图3（a）所示。利用文献［9］中的2个节点试件（节点编号分别为OJB2-0、OJB3-0），研究钢环箍（厚度为10 mm）对节点受力性能的影响，相关的承载力试验结果如表1所示。从表1中可以看出，设置钢环箍和不设置钢环箍时相比，节点承载力提高了约20.7%，对增强节点承载力的作用比较显著。分析其原因，是钢环箍的存在实际上增大了节点区的受力范围；同时，钢环箍可以约束混凝土，提高节点区混凝土的抗剪强度。此外，还能约束柱根部混凝土，有利于避免承压破坏。

图3 常见的RCS节点构造措施—钢环箍等Fig.3 Various typical details for steel band，etc.

2.2.5柱面钢板

通过对文献［10］中2个节点（编号为WJD4、WCS2）的有限元模拟结果，分析了柱面钢板对节点承载力的影响，见表1所示。从表1中可以看出，设置厚度为13 mm的柱面钢板和不设置时相比，节点承载力提高了约27.2%，对节点承载力的影响较显著的。分析原因是，柱面钢板可以约束整个节点区的混凝土，不但可以提高混凝土的强度，还可以有效抑制混凝土裂缝的发展。需要说明的是，柱面钢板的承载力较大，在受力过程中往往不会达到屈服，因此，本文建议柱面钢板的厚度取值不要太大，一般取3～5 mm。

2.2.6架立钢柱

在RCS组合框架的施工过程中，有时会在节点区钢梁上下翼缘正中位置焊接或螺栓连接一个小截面钢柱，称为架立钢柱，如图4（a）所示。通过对文献［4］中2个节点（节点编号为4，15）的试验结果，分析了架立钢柱对节点承载力的影响，如表1所示。可以看出，设置架立钢柱（截面采用W127×470 mm）和不设置架立钢柱时相比，节点承载力提高了约39.1%，影响还是十分显著的。从受力机理上分析，加设钢柱可以与节点核心区外部混凝土形成斜压杆机制，将型钢梁翼缘内部的力传递到节点外部混凝土中，传递钢梁中的部分荷载，从而提高节点承承载力。

图4 常见的RCS节点构造措施—架立钢柱等Fig.4 Various typical details for small column，etc.

2.2.7竖向加强筋

竖向加强筋是在靠近柱表面处设置并焊接在钢梁翼缘上的竖向钢筋，如图4（b）所示。通过分析文献［9］中两个节点试件（编号分别为OJB1-0、OJB5-0）的试验结果，竖向加强筋对节点承载力的影响如表1所示。可以看出，设置竖向加强筋和不设置加强筋时相比，节点承载力提高了约9.3%，对节点承载力的影响较小。

2.2.8抗剪栓钉

S3：将S1中选出的杰出个体与S2中生成的新子代组合成新的种群，将所得新的父代进行模拟退火选择，从中选出N个个体组成新的父代进行下一轮遗传操作。

抗剪栓钉是焊接在节点区钢梁翼缘上的一种构造措施，如图4（c）所示。通过对文献［4］中4个节点试件（编号为3，4，12，13）的试验结果，对抗剪栓钉的作用进行了分析，其中，节点12，13设置抗剪栓钉而节点3，4则没有设置。相关的承载力试验结果和对比结果，如表1所示。可以看出，设置栓钉时，节点承载力分别提高了60.9%和73.9%，可以看出抗剪栓钉对节点承载力的提高是十分显著的。虽然设置抗剪栓钉的初衷是减小钢梁翼缘与混凝土之间的滑移，实际上栓钉的存在使一部分荷载转移到柱中，从而间接提高了节点区的承载力。

3 RCS组合节点的破坏模式分析

对于RCS组合节点，除了节点区的各种构造对其承载力有显著影响，节点的破坏模式更是其承载力计算的依据。根据ASCE设计指南［5］，RCS组合节点的破坏模式分为两种：剪切破坏和承压破坏。

3.1 腹板剪切破坏

3.1.1破坏过程与受力机理

当钢梁的受弯承载力大于节点的受剪承载力，同时节点区的构造措施适当时，发生腹板剪切破坏，如图5（a）所示。剪切破坏的典型特征是节点腹板屈服和节点混凝土出现斜向裂缝，这与钢筋混凝土节点和钢节点是类似的。腹板剪切破坏是寻找节点合理抗震设计控制条件较为理想的破坏形式。其受力机理，可采用框架-剪力墙机构和斜压杆机构来模拟［9，11］。

3.1.2影响因素分析

要避免腹板剪切破坏，提高节点抗剪承载力，主要措施有两个：增强材料强度和采用适当的构造措施。根据本课题组的前期研究，在常规梁柱相对尺寸的条件下，腹板对节点承载力的贡献可以占节点总承载力的30%左右，可见，腹板强度对节点抗剪承载力的影响很大。然而，在实际工程中，节点区腹板往往与型钢梁腹板相同，因此，限制了腹板强度的提高。对于混凝土强度，根据本课题组的研究，在常规的梁柱相对尺寸的条件下，混凝土对节点抗剪承载力的贡献（考虑了各种构造措施对混凝土强度的提高作用）大约占60%。对于构造措施，根据本文前面分析可知，面承板、钢环箍、钢柱面板、架立钢柱、抗剪栓钉等对节点承载力均有较显著的影响。

3.1.3承载力计算依据

在建立承载力公式时，腹板对节点承载力的贡献，一般采用折减系数进行考虑。ASCE指南采用腹板平均剪切强度0.6Fy的概念；日本AIJ指南［12］根据节点构造措施的不同，取折减系数为0.46～0.51；Nishiyama等［13］根据试验结果，取折减系数为0.57。如前所述，混凝土和各种构造措施对承载力的贡献，往往是一起考虑的。不同的构造措施，对混凝土强度的提高程度不同。虽然美国、日本以及一些学者均给出了RCS组合节点承载力公式，然而，由于试验条件、节点构造措施以及计算模式的不同，所得出的承载力公式也有差别，甚至差别很大。因此，如何建立适用性更好的节点承载力公式，还需要更多试验与理论研究。

图5 节点的剪切破坏和承压破坏Fig.5 Joint failuremodes：（a）panel shear（b）vertical bearing

3.2 混凝土承压破坏

3.2.1破坏过程与受力机理

当节点混凝土强度较低、纵向钢筋强度或配筋率较低时，常发生混凝土承压破坏，如图5（b）所示。节点承受的竖向压力来自于由钢梁和混凝土柱所传来的弯矩和剪力，当柱中（往往是柱根边缘）受压承载力不足时，将会导致承压破坏。

3.2.2影响因素分析

除了提高材料强度，还可以通过采取构造措施来避免承压破坏的发生。显然，通过增大柱的混凝土强度或纵筋强度来避免承压破坏，效果不理想，也不经济。一般采用在节点区钢梁翼缘处焊接加强筋，在柱根部设置钢筋网片、角钢等构造措施来避免柱发生承压破坏。关于构造措施对承压破坏的影响，可参考文献［4，14］。

3.2.3承载力计算依据

由于承压破坏时，柱中混凝土被压碎属于脆性破坏，因此，不作为节点承载力计算的依据。然而，在实际工程中，必须采取必要的构造措施来避免承压破坏的发生。

4 本文所提RCS组合节点的破坏模式分析

通过对国内外有关RCS组合节点的试验研究和有限元分析结果进行总结分析，发现部分RCS组合节点的破坏过程、破坏特征与上述两种破坏均不同，本文称为部分剪切破坏和节点-梁混合破坏，分别介绍如下。

4.1 部分剪切破坏模式

4.1.1破坏模式的提出

通过对文献［9］中2个节点（编号为OB1-1，OBJS1-1）的试验结果进行分析，发现这2个试件均符合部分剪切破坏的特征，即在荷载施加到最大荷载的约50%时，在钢筋混凝土柱侧面出现斜向剪切裂缝。然后随着荷载的增加，裂缝不断发展，并贯通形成X形交叉裂缝。然而，随后节点区裂缝并没有进一步发展，混凝土相对较完整，没有被压碎。而钢梁翼缘开始进入屈服状态，随着荷载的进一步增大，梁翼缘的屈服区域不断扩大，导致钢梁的局部屈曲而最终破坏。这两个试件的最终破坏形态如图6所示。

国内也有不少类似试验结果。例如，在文献［15］（编号为LJD-01）的试验中，试件最终的破坏特征是，柱侧型钢梁端翼缘屈曲，而节点区并没有完全剪切破坏。文献［16］和［17］中2个节点（编号为CEJ3，JD-1）的破坏特征是：平面节点CEJ3梁端翼缘屈曲，腹板屈服且有轻微屈曲，同时，节点区混凝土出现较多交叉裂缝，但没有被压碎。空间节点JD-1的梁端弯曲破坏，节点区混凝土出现较多斜裂缝，混凝土仍没有被压碎，且节点区腹板出现部分屈服或者是没有完全屈服。

部分剪切破坏的典型特征是节点区的混凝土已经受剪开裂较严重，钢腹板的剪切应变也较大，但没有达到屈服。

图6 节点的部分剪切破坏Fig.6 Joint partial panel shear failure

4.1.2发生条件

当节点的受剪承载力大于钢梁的受弯承载力、局部屈曲承载力不够大时，或其他造成节点混凝土未能完全压碎、节点腹板未能达到屈服的情况，发生部分剪切破坏。

4.1.3 承载力计算依据

当发生部分剪切破坏时，严格来说是由钢梁的受弯或局部承载力等控制的，然而，对于节点受剪承载力的计算也并非没有借鉴意义，实际上，也有学者尝试建立RCS组合节点的承载力公式［14，15］。一般而言，可以通过腹板项的折减对承载力公式进行修正以达到相对准确的结果。目前，关于部分剪切破坏中，腹板折减系数的取值还没有学者给出明确数据，文献［14］中只建议节点腹板未能充分发生作用时，取值小于1。从受力机理上分析，仍可采用框架-剪力墙机构和斜压杆机构来模拟部分剪切破坏节点的受剪性能。本文建议，对于混凝土项对节点承载力的贡献，可参照已有公式计算；而腹板项对承载力的贡献，可取腹板的实际应力状态作为承载力计算的依据。

4.2 节点-梁混合破坏模式

4.2.1破坏模式的提出

通过文献［18，19］中3个节点（编号为GJ1-1，GJ1-2，GJ1-3）的试验结果进行分析，发现这3个试件均符合节点-梁混合破坏的特征，即在加载初期，节点出现垂直裂缝。然后，随着荷载的增加，钢梁与钢筋混凝土柱连接部位的钢梁翼缘开始屈服，在此阶段裂缝不断发展，这3个试件都是以钢筋混凝土柱边缘型钢梁翼缘屈曲且腹板隆起的破坏为主要特征，同时，节点区钢腹板也达到了屈服，节点区混凝土的裂缝贯通，且宽度较大。其中试件GJ1-3最终破坏形态如图7（a）所示。此外，文献［9］中的节点（编号为OBJS2-0）也有类似的破坏特征。

图7 节点-梁混合破坏Fig.7 Beam＆panel shear failure

4.2.2发生条件

当节点的受剪承载力与钢梁的受弯承载力或局部屈曲承载力基本相同时，发生节点-梁混合破坏。这种破坏形式可以看作是部分剪切破坏和腹板剪切破坏的界限破坏。

4.2.3 承载力计算依据

理论上来说，由于节点-梁混合破坏模式，既符合RCS组合节点破坏的特征，也符合钢梁破坏的特征，因此，其承载力计算既可以依据RCS组合节点的承载力计算公式，也可以根据《钢结构设计规范》［20］的相关公式进行计算。然而，本文根据文献［18，19］的试验结果，分别采用ASCE指南中节点的承载力公式和《钢结构设计规范》中钢梁的承载力公式，对其中的3个节点进行了计算，结果相差较大，偏差达20%～40%。分析原因，一是RCS组合节点公式是基于美国相关规范的，且其适用性如何还有待进一步验证；二是两套公式毕竟是基于不同构件、不同破坏模式建立的，公式中各个系数的取值，依据的可靠度或安全度储备均是不同的。由于国内外还未见有文献对该类破坏模式的承载力计算给出依据，因此，还有待于进一步的研究和探讨。

5 结 论

通过合理的节点构造措施设计，RCS组合节点可以有效地传递节点剪力，具有良好的延性和耗能能力。本文主要分析了面承板、箍筋、钢环箍、柱面钢板等8种节点构造措施的作用，并给出了设计建议。基于已有试验结果，提出了节点内单元的两种破坏模式：部分剪切破坏和节点-梁混合破坏。结合已有节点破坏模式，重点讨论了四种破坏模式：钢梁腹板剪切破坏、混凝土承压破坏、部分剪切破坏和节点-梁混合破坏的破坏特征、发生条件和受力机理等。受节点构造措施的影响，当节点的受剪承载力、钢梁的受弯承载力或局部屈曲承载力的大小关系变化时，节点将发生不同形式的破坏。不同的破坏模式，其破坏特征主要体现在节点腹板的受力状态、节点混凝土的受力状态以及钢梁的受力状态。本文根据破坏模式的不同，分别给出了节点受剪承载力计算的建议。

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Analysis on General Detailing Requirements and Failure M odes of RCS Com posite Joints

MEN Jinjie*XIONG Liquan GUAN Runrun SHIQingxuan LIHuijuan
（College of Civil Engineering，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，China）

The joint of the composite frame system consisting of reinforced concrete column and steel beam（RCS）is a complex part.The different detailing requirements and failuremodes have greateffects on the RCS composite joint behaviors.Based on great amount of experimental research and numerical simulations，the influence of eight parameters on the force transfermechanism and shear capacity were analyzed.Some suggestionswere presented for design.Two failure modes in RCS joints were introduced and suggestions were also presented for the joint design.In addition，two new failure modes，partial panel shear and beam＆panel shear，were proposed.Failure characteristic，failure condition，factor and force mechanism for these two modeswere described in detail.Some proposalswere presented for joint shear capacity calculation.This paper provides a basis for distinguishing the shear failuremodes.The shear capacity formula of RCS jointswere provided.

reinforced concrete column and steel beam（RCS），composite joint，joint details，failuremode，shear capacity

2013－11－11

国家自然科学基金（51008244，51108370）；陕西省教育厅专项科研基金（2013JK0982）*联系作者，Email：men2009＠163.com