空间钢构架混凝土梁柱节点域受剪承载力分析

朱成杰，唐兴荣

（苏州科技学院土木工程学院，江苏苏州215011）

空间钢构架混凝土梁柱节点域受剪承载力分析

朱成杰，唐兴荣

（苏州科技学院土木工程学院，江苏苏州215011）

空间钢构架是由横向或斜向缀条与纵向弦杆焊接而成的承重轻钢结构，具有一定的刚度和承载能力。采用空间钢构架约束梁柱节点域，形成空间钢构架混凝土梁柱节点。在空间钢构架混凝土梁柱节点试验研究的基础上，提出了空间钢构架混凝土梁柱节点域受剪承载力的计算公式，计算值和试验值吻合得较好，为空间钢构架混凝土节点的应用提供技术依据。

空间钢构架；梁柱节点域；受剪承载力；计算公式；斜压杆机理

框架梁柱节点是框架结构设计的关键，在地震作用下框架结构梁柱节点以剪切变形为主，可能发生剪切破坏。因此，采取措施提高框架梁柱节点的受剪承载力和改善节点的抗震性能成为国内外学者研究的热点之一。国外学者针对现有混合节点存在的问题，提出新型钢筋混凝土柱-钢梁（RCS）混合节点构造形式[1-4]，为开展新型RCS节点抗震性能和设计方法研究提供参考。国内对组合节点试验起步较晚，大多在国外已有研究成果总结的基础上，找出存在问题，通过试验手段和有限元模拟，对影响参数进行全面的分析，建立设计计算方法[5-7]。尽管国内外研究者对组合节点进行了大量的试验研究，但是尚未见到有关空间钢构架混凝土梁柱节点域抗震性能和受剪机理的试验研究和理论分析，对其节点更没有统一分析模型和计算方法，所以开展对空间钢构架混凝土梁柱节点域的研究有其必要性。

空间钢构架由纵向弦杆（通常采用角钢或者角钢与圆钢组合）和横向缀条以及斜向缀条（缀条采用钢板、普通钢筋或角钢）焊接而成，将空间钢构架替代传统的普通钢筋骨架便形成了空间钢构架混凝土结构。唐兴荣等进行了一系列空间钢构架混凝土结构构件的静力、拟静力试验研究[8-12]，结果表明，空间钢构架对内部混凝土具有一定约束作用，不仅能提高结构构件的承载力和刚度，而且能改善混凝土结构构件的抗震性能。

为了探索采用空间钢构架约束框架梁柱节点核心混凝土来改善节点的受剪承载力和抗震性能，刘新娟等[12]进行了4个通长空间钢构架混凝土梁柱节点在低周反复荷载作用下的试验研究，以探讨利用通长空间钢构架（见图1（a））对框架梁柱节点域的约束作用。为了进一步探索局部空间钢构架（见图1（b））对框架梁柱节点域的约束作用，进行了4个局部空间钢构架混凝土梁柱节点低周反复荷载作用下的试验研究。在文献[12]中试验研究和本次局部空间钢构架混凝土梁柱节点试验研究的基础上，提出空间钢构架混凝土梁柱节点域受剪承载力的计算公式，为此类节点的应用提供依据。

图1 空间钢构架混凝土梁柱节点示意

1 局部空间钢构架混凝土梁柱节点试验

1.1 试件概况

为了探索局部空间钢构架对框架梁柱节点域的约束作用，以梁柱节点域轴压比n、空间钢构架弦杆配筋率以及与普通混凝土梁柱节点的对比为设计参数，按照“强柱、弱梁、更弱节点”的原则设计了缩尺比例为1:2的4个梁柱边节点试件——RCJD2-0、SRCJD2-1、SRCJD2-2、SRCJD2-3，其中试件RCJD2-0为普通钢筋混凝土梁柱边节点试件，作对比试件；试件SRCJD2-1、SRCJD2-2、SRCJD2-3为局部空间钢构架混凝土梁柱边节点试件。4个试件的几何尺寸相同，各试件的几何尺寸及配筋见表1和图2。

试件混凝土设计强度等级C25，空间钢构架的弦杆（角钢）和缀条均采用Q235级钢，梁柱纵筋采用HRB400级，箍筋采用HPB235级；试件实测材料性能见表2。4个试件均发生了梁柱节点域剪切破坏，达到了试验的目的。峰值荷载Pm时，4个试件的主要梁柱节点域承受的剪力值Vjt见表3。

表1 试件配筋和轴压比

图2 试件SRCJD2-1的配筋图

表2 试件实测材料性能

1.2 试件梁柱节点域的受剪分析

图3（a）给出了局部空间钢构架混凝土梁柱节点试件的加载图；图3（b）为梁柱边节点域的受力图。在梁端荷载P作用下，梁柱节点域剪力Vj为

式中，T为节点界面处梁受拉纵筋拉力；V1为节点界面处柱截面水平剪力，其值等于柱端支反力Vc。由图3（b）得

图3 边节点受力图

式中，P为梁端荷载；l为梁端荷载到节点界面处的距离；hb为梁截面高度；hb0为梁截面有效高度；a's为梁端受压区混凝土保护层厚度；Hc为上、下柱端剪力的距离。将式（2）、式（3）代入式（1）可得梁柱节点域承受的剪力值

表3给出了按式（4）计算的各试件在峰值荷载Pm时梁柱节点域所承受的剪力值Vjt。

从2016年实施《居住证暂行条例》的功能来看，对于城市移民在教育、住房以及就业方面的特别保护措施，实质上趋向于提升城市移民群体的民生利益。

表3 峰值荷载时各试件梁柱节点域承受的剪力值

2 空间钢构架混凝土梁柱节点域受剪承载力计算

空间钢构架混凝土梁柱节点试件的试验研究表明，空间钢构架对梁柱节点域有约束作用，空间钢构架不仅改善了梁柱节点的抗震性能，而且还能提高节点的受剪承载力。空间钢构架对节点受剪承载力的提高作用主要体现在两个方面：一则是空间钢构架对梁柱节点域混凝土的约束作用，这部分的有利影响主要在混凝土部分抗剪能力增强中表现；二则是空间钢构架角钢也承担一部分剪力。因此，文中假定空间钢构架混凝土节点的受剪承载力Vu由混凝土承担的剪力Vc、缀条承担的剪力Vs和角钢承担的剪力Vd之和构成，即

2.1 梁柱节点域缀条的受剪承载力Vs

空间钢构架混凝土梁柱节点域缀条的抗剪类似于普通钢筋混凝土节点箍筋的抗剪[13]，取梁柱节点域缀条的受剪承载力

式中，fyv为缀条抗拉强度设计值；Asv为同一截面内缀条总截面面积；s为缀条形心之间的距离；hb0为梁截面有效高度；a's为梁中受压钢筋合力点到受压区混凝土边缘的距离。

2.2 梁柱节点域角钢的受剪承载力Vd

由于试验条件的限制，局部空间钢构架混凝土梁柱节点试验研究中并未对节点核心区处角钢的抗剪能力进行测量和采集，只能从整体抗剪能力的提高中反应出角钢的有利影响。故本文的梁柱节点域角钢受剪承载力通过大量类似试验（外包钢节点试验）总结得出。

根据文献[14]得知，外包钢节点中角钢的抗剪能力在屈服前后所占比例是不一样的。而文献[15]证明外包钢节点中角钢销栓力的存在，而且核心区的角钢处于复杂应力状态，同时承受竖向应力σ和剪应力τ，根据Misses屈服准则认为，复杂应力状态下角钢的抗剪强度明显低于纯剪状态，故建议角钢抗剪公式中影响系数取0.5。文献[16]发现外包钢节点中角钢受剪承载力随轴压比的增大呈下降趋势，主要原因是高轴压比使节点核心区混凝土承受较大的轴向约束，也使角钢处于复合受力状态，抗剪强度降低，给出的角钢抗剪影响系数仍然是0.5。由于空间钢构架中角钢与外包钢受力的相似性，取梁柱节点域角钢的受剪承载力

2.3 梁柱节点域混凝土的受剪承载力Vc

梁柱节点域混凝土受剪机理基本符合斜压杆模型（见图4），斜压杆的承载能力是混凝土总的承载力Nc，其水平分量即是混凝土的受剪承载力Vc。斜压杆模型中T为梁端受拉纵筋的拉力，C为梁端受压区混凝土传入梁柱节点域的压力，T1和T2为柱端受拉纵筋的拉力，C1和C2为柱端受压区混凝土传入梁柱节点域的压力。梁柱节点域混凝土斜压杆的承载力

式中，α为空间钢构架的综合影响系数；H为核心区混凝土斜压杆的高度；bj为节点宽度；fc为混凝土抗压强度设计值。

则梁柱节点域混凝土受剪承载力Vc=Nccosθ；将式（8）代入，可得Vc=αHbjfccosθ。因为H和θ都与hj有关，令β=αHcosθ/hj，上式可得

式中：θ为斜压杆与受剪面的夹角；β为梁柱节点域混凝土抗剪承载力影响系数。

图4 梁柱节点域模型

根据试验得到的空间钢构架混凝土节点的受剪承载力Vjt减去节点区缀条的受剪承载力Vs和角钢的受剪承载力Vd，即得到了节点核心区混凝土的受剪承载力Vc=Vjt-Vs-Vd，然后可求出核心区混凝土抗剪承载力影响系数β。分析表明，β与多个因素有关，在此只考虑轴压比n对其的影响。考虑局部空间钢构架混凝土梁柱节点试验研究中试件的轴压比n为0.3和0.4，故在边节点试件SRCJD2-1的基础上，仅改变轴压比n，建立节点JD1（n=0.2）、JD2（n=0.5）和JD3（n= 0.6）分析模型，将其有限元非线性分析值一并列入，核心区混凝土抗剪承载力影响系数β与轴压比n的回归关系见表4。式（10）为β的回归公式，相关性系数r=0.976。

将式（10）代入式（9）可得梁柱节点域混凝土的受剪承载力

表4 约束混凝土抗剪承载力影响系数β计算

2.4 空间钢构架混凝土梁柱节点域受剪承载力计算公式

将式（11）、式（6）和式（7）代入式（5），可得空间钢构架混凝土梁柱节点域受剪承载力计算公式

表5给出了空间钢构架混凝土节点受剪承载力试验值Vjt与计算值Vjc的比较，Vjt/Vjc的平均值为0.997，均方差为0.000 32。可见式（12）计算合理。（注：*为文献[12]中梁柱节点试件）。

表5 空间钢构架混凝土节点受剪承载力试验值与计算值的比较

3 结论

（1）对空间钢构架混凝土梁柱节点域进行受剪分析，得到文献[12]和本次试验中各节点试件在峰值荷载时梁柱节点域所承受的剪力值。（2）在空间钢构架混凝土梁柱节点试验研究的基础上，提出了空间钢构架混凝土梁柱节点域受剪承载力Vu的计算公式，试验值与计算值的比值的平均值为0.997，均方差为0.000 32，故计算值和试验值吻合较好，可以为空间钢构架混凝土节点的应用提供依据。

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Analysis of shear bearing capacity of spatial steel frame concrete beam-column joint regions

ZHU Chengjie,TANG Xingrong
（School of Civil Engineering,SUTS,Suzhou 215011,China）

The spatial steel frame is a bearing light steel structure,which is composed of horizontal or diagonal lacing bar and longitudinal chord welded together,and the frame has certain stiffness and bearing capacity.The spatial steel frame concrete beam-column joint regions form the spatial steel frame constraint beam-column joints.Based on the experimental study on the spatial steel frame concrete beam-column joint regions,the calculation formula of the shear bearing capacity of the spatial steel frame concrete joint region is proposed in this paper.The calculated values are in good agreement with the test values,which can provide the technical basis for the application of the spatial steel frame concrete joints.

spatial steel frame；joint region of column and beam；shear bearing capacity；calculation formula；diagonal strut mechanism

TU398

A

1672-0679（2015）04-0037-05

（责任编辑：秦中悦）

2015－05-11

住房与城乡建设部科学研究项目（99-031-2）；苏州科技学院研究生科研创新计划项目（SKCX13S_026）

朱成杰（1990-），男，江苏盐城人，硕士研究生。