部分填充式钢混组合结构研究进展

青岛理工大学土木工程学院,山东 青岛 266000

部分填充式钢混组合结构（Partially Encased Steel-concrete Composite Structures，简称PECS）是组合结构形式的一种，亦简称为“部分填充式组合结构”，它是在工字钢或H 形钢构件的翼缘之间设置纵筋、箍筋或翼缘连杆等，并填充混凝土浇筑而成的新型组合结构[1]。

部分填充式组合结构最早是在20 世纪90 年代初，由欧洲标准委员会在欧洲规范4 中提出，并对其一般设计准则和相关的设计方法进行说明。部分填充的混凝土最初设计目的是为了提高钢构件的抗火能力，因此在设计计算时未考虑混凝土的承载能力。但经过十几年的研究和发展，研究人员发现部分填充的混凝土不仅具有防火防腐的作用，同时也可提高构件的稳定性、抗屈曲能力、承载能力和刚度等性能；同时，开口型钢也可抑制混凝土的过早开裂，保证钢与混凝土共同工作[2,3]。与型钢混凝土结构和钢管混凝土结构相比，PECS 具有钢材利用率高、构件的预制化和装配化程度高以及防火、防腐等优点[4,5]。PECS 因其良好的承载能力和抗震性能，使其在一些典型的实际工程中得到广泛应用[6]。

在国家“十三五”时期，装配式建筑已然成为建筑业发展的热点，随着住宅产业化和建筑工业化的发展，部分填充式组合结构必将成为当今装配式组合结构体系中研究的焦点，并将得到广泛应用。在此，本文首先对部分填充式钢-混组合构件、节点以及框架结构的理论、试验研究及设计方法方面进行梳理，然后总结与归纳国内外关于部分填充式组合构件、节点、框架结构的研究成果与现状，最后，提出一种适合装配且高效节能的装配式部分填充组合节点，通过该新型组合节点可进一步扩展研究由其组成的框架结构，以期为我国装配式部分填充式组合结构体系的研究和应用提供参考。

1 部分填充式组合构件受力性能研究

在部分填充组合结构中，梁、柱截面可分为一类为厚实工字钢截面，称为标准截面；另一类为薄柔工字钢截面，称为非标准截面[7]。两类截面形式如图1 所示，其中标准截面为欧洲规范4[1]所推荐，其由工字钢、混凝土、纵筋、箍筋、抗剪键5 部分组成，构造较为复杂，施工中通常采用工厂预制、现场装配的方法。非标准截面是在1997 年由Canam 公司提出[8]，可以不设置纵筋、箍筋、抗剪键或其中某些配件，在翼缘间设置连杆以提高翼缘局部屈曲承载力，构造相对简单，施工方便。

图1 PEC 构件截面形式Fig.1 Section form of PEC components

1.1 部分填充式组合柱构件受力性能

在国外，许多专家学者对部分填充式组合柱（Partially Encased Composite Column，PEC 柱）构件进行了大量的试验和理论研究，取得了丰硕的研究成果。如，在1991 年～1994 年之间，英国帝国大学的Elnashai AS 团队[9-13]通过拟静力和拟动力试验，对7 个非标准截面PEC 柱的抗震性能进行研究。通过试验及分析模型验证了部分填充式组合梁柱构件的优良性能，并肯定了PEC 构件在多层结构抗震设计中的适用性，相应的研究成果已被欧洲规范4 所采纳。之后，Chicoine T 等[14]对7 个带有横向加劲连杆的焊接薄壁工字形非标准截面PEC 柱施加150 d 的静力荷载，研究PEC 柱在长期荷载作用下的力学性能及构件内部应力与加载顺序的关系。Begum M 和Driver RG 团队[15,16]研究了高性能混凝土对薄壁PEC 柱力学性能的影响，并基于文献[17]建立了一种能够预测高强混凝土整体应力-应变特性、应变软化、强度退化的本构模型。2016 年，Hanna EM 等[18]设计了5 根非标准截面的PEC柱，通过试验研究不同参数对PEC 偏心受压柱受力性能的影响。结果表明，PEC 柱的承载力几乎是纯钢试件的三倍；比钢筋混凝土试件承载力降低22%左右，但钢筋混凝土构件存在施工周期长、工艺复杂的缺陷，而PEC 构件可以通过采用高强混凝土或薄柔截面钢来提高22%的承载力。Song YC,Wang RP 等[19]采用有限元技术的动力显式计算方法，对PEC 柱中钢构件的局部屈曲和后屈曲性能进行了有限元建模和参数化研究。通过引入OR 模型和SP 模型分别用于分析整个柱的受力变形和柱翼缘局部屈曲与局部后曲屈性能，通过将有限元分析的结果与相关文献中的试验结果进行比较，验证了模型的正确性。基于宽厚比、横向连杆间距、材料屈服应力、残余应力和几何缺陷等因素的研究，提出了PEC 柱翼缘临界屈曲强度和后屈曲强度的预测公式，并与加拿大钢结构设计规范[20]的公式和已有的试验结果[9,14,16]进行比较，得到了有效性验证。

内蒙古科技大学的赵根田课题组[21,22]对采用非标准截面构造的焊接H 型钢PEC 柱进行了轴心受压、偏心受压的试验研究。考虑的主要因素有含钢率、偏心距、配箍率、钢系杆间距和翼缘宽厚比等，分析了不同影响因素对PEC 柱的极限承载力、破坏形态及延性性能的影响规律。苏州科技大学的方有珍课题组[23,24]通过在恒定轴压下的低周往复加载试验和数值分析，对非标准截面的PEC 柱在强轴、弱轴两个方向的滞回性能进行研究。其中PEC 柱分为薄板PEC 柱（翼缘之间采用拉结筋连接）和新型卷边PEC 柱（翼缘之间采用拉结箍板连接）。试验中以混凝土强度、拉结筋间距为主要分析因素，从承载力、抗侧刚度、延性与耗能、破坏模式等方面，对PEC 柱的力学性能和抗震性能进行评价。同济大学的陈以一课题组[25]，对非标准截面PEC 柱构件的受压、压弯等不同荷载作用下的稳定性、滞回性能、局部屈曲与后曲屈性能进行了试验和数值模拟研究，分析不同影响因素对构件的破坏模式、承载力、延性变形的影响规律。最后提出了关于轴心受压、偏心受压稳定设计公式、屈曲后强度与整体应力-应变关系的预测公式，以及横向系杆、抗剪栓钉及纵筋设置的构造措施。此外，研究者通过假定计算条件，利用ANSYS 有限元软件进行分析并提出了一种简化的分析模型。

1.2 部分填充式组合梁构件受力性能

在部分填充式组合梁（Partially Encased Composite Beam，PEC 梁）构件受力性能方面，国内外学者从不同研究角度进行了一系列试验和理论研究。在欧洲规范4 最初的几个版本中，通常不考虑钢梁翼缘之间的钢筋混凝土对PEC 梁构件承载能力和挠度计算的影响，只是假定钢筋混凝土仅对局部屈曲或侧扭屈曲的抗力起作用。但Kindmann R,Bergmann R 等[2]认为这种规定是过于保守的，之后通过对13 个试件进行受弯性能试验，研究结果表明：钢梁翼缘之间嵌入的钢筋混凝土对构件的极限抗弯、抗剪承载力和变形均有明显改善。从试验结果中推导出了考虑钢筋混凝土引起的承载力和刚度增加的计算方法，研究成果为编写新版欧洲规范4 提供了重要数据源。此外，Lindner Joachim等[26]在考虑混凝土扭转刚度的基础上，提出了一种新的侧向扭转屈曲设计方法；Maquoi R,Heck C等[27]基于试验和数值验证，针对现行标准中与PEC 梁的弹性临界力矩和极限侧向扭转屈曲力矩设计不合理的地方进行了修正和改进。

在考虑火灾影响方面，Ahn JK 等[28]针对带楼板的标准截面PEC 组合梁的抗火灾性能进行了试验和仿真分析。结果表明，在荷载比为0.3 时的PEC 组合梁的耐火性能能够达到规范标准的2 h 甚至更长时间的要求；现有规范中耐火等级的评价标准已不适用于该类型组合梁，主要是因为部分填充的钢筋混凝土对腹板具有一定的保护性，提高了PEC 梁构件在火灾下的抗弯能力；最后建议应尽快提出一种适合该类型组合梁防火性能的简化设计方法。为进一步研究PEC 组合梁耐火性能，通过ABAQUS 开展了对带楼板的标准截面PEC 组合梁的热应力耦合分析，结果表明，PEC 组合梁的耐火性能仅由弯矩承载力来评定不够合理，应同时考虑挠度相关准则。此外，Piloto PAG[29]、Hosser D等[30]对火灾条件下的PEC 梁横截面不同位置处的温度变化及受力性能也进行了试验研究。

基于不同的试验变量或构造方式，如混凝土强度或类型[31]、纵向受力钢筋或箍筋的数量与间距[32-34]、栓钉布置[35]、含钢率[36]、是否考虑带楼板的组合作用[37]等，国内外学者也进行了相关的试验或理论研究。其中，Konstantinos Daniel Tsavdaridis 等[38]、Samer Ahmad[39]等针对腹板开孔式PEC 梁进行了试验和计算研究。结果表明，腹板开孔钢梁的抗弯承载力会有所降低，但通过在开孔PEC 梁翼缘之间填充混凝土可使其抗弯承载力提高108%，且裂缝开裂控制、刚度和能量吸收能力效果显著，可防止腹板开孔PEC 梁的局部屈曲，同时也增加了试件的延性，降低了结构的自重及节约钢材用量；在没有抗剪键的条件下，腹板开孔式PEC 梁的抗剪承载力主要由约束混凝土和钢梁翼缘厚度提供；填充混凝土支柱作用的水平分量取决于摩擦力、抗剪粘结阻力和腹板开口区域的承载强度。通过ABAQUS、ANSYS 有限元软件建立了腹板开孔式PEC 梁的有限元模型，仿真结果表明有限元模拟结果与试验结果吻合良好。

在国内，西安建筑科技大学的郝际平、赵桥荣等[40]对非标准截面的部分填充式组合受弯构件的力学性能进行了研究。同济大学的李炜、陈以一等[41]以系杆形式为变量，研究非标准截面的PEC 梁构件在纯弯与剪弯受力状态下的力学性能。南京工业大学的胡夏闽课题组对标准截面PEC 梁构件的挠度计算与分析[42]、受弯承载力与抗弯刚度[35]、粘结滑移性能[43]、受剪承载力[44,45]以及PEC 梁负弯矩区翼缘开裂弯矩和裂缝宽度[46]等进行了一系列试验研究和理论分析。研究结果表明：①PEC 梁具有良好的抗弯承载能力和抵抗变形的能力；②混凝土强度、接触面状态及接触长度是影响型钢与混凝土间黏结滑移性能及PEC 梁受弯承载力和刚度的关键因素；引入考虑滑移的刚度折减系数法更加符合PEC 梁构件的实际挠度计算；③受剪承载力受栓钉（数量、直径、布置方向）、型钢翼缘宽度、黏结长度的影响较大，当栓钉数量由2 根或4 根连接时，受剪承载力分别可提高近100%和250%；而腹部箍筋的布置方式对极限荷载的影响较小；④在理论计算方面，提出了PEC 梁塑性受弯承载力的计算公式、纵向受剪承载力公式、黏结-滑移公式以及PEC 梁负弯矩区混凝土板开裂弯矩和裂缝宽度的计算公式。

2 部分填充式组合节点受力性能

相对于部分填充式组合构件的研究，部分填充组合节点（Partially Encased Composite Joints，PEC节点）、框架的研究则相对较少。在PEC 节点方面，比萨大学的Walter Salvatore[47]等对高延性的局部加强钢-混凝土组合梁柱平面节点（边节点、中节点）进行了设计、试验及理论分析。该类型组合节点由PEC 柱、钢梁（S 梁）及组合楼板组成，PEC 柱采用欧洲规范4 所推荐的标准截面构造，并通过文献[48]中相关设计要求对节点抗力进行设计。在两种假定的破坏机制条件下，通过静力试验分析得出，平面节点在强度和延性方面性能良好。在试验研究的基础上，Walter Salvatore 分别通过ABAQUS 软件[49]和ADINA8.0.2 软件[50]建立了PEC-S 组合节点的三维有限元模型，进一步对组合节点进行参数化分析。此外，该团队提出一种基于“组件法”的力学分析模型[49]，通过该模型分析得到的力位移关系与欧洲标准比较，验证了该力学模型的可靠性。米兰理工大学的Vasdravellis G[51]通过试验研究了在循环载荷下4 个足尺半刚性部分强度钢混凝土组合节点的抗震性能。结果表明，4 个组合节点均具有较高的稳定性、延性及耗能性能，并达到了EC8 对高延性框架非弹性转角的限值要求；填充混凝土内的箍筋可有效提高节点延性变形并避免发生脆性破坏；柱腹板对整个节点转动的贡献显著；在考虑混凝土板作用下的节点区传力机制、杆系模型得到了验证。

内蒙古科技大学赵根田课题组[52,53]通过试验研究，对焊接H 型钢PEC 柱-钢梁端板连接的边节点进行抗震性能试验研究。柱采用非标准截面构造的PEC 柱，梁为热轧工型钢梁，钢梁与PEC 柱之间的连接形式主要有两种，一种是钢梁端板连接，另一种是钢梁顶底角钢连接，主要研究变量有节点盖板厚度、角钢厚度、螺栓距离（与盖板相连角钢短肢上螺栓中心到角钢肢背的垂直距离）、荷载形式、端板厚度、加劲板、背垫板。系统性的分析了不同影响因素对节点破坏模式、应力应变、滞回性能、刚度、延性耗能和承载力的影响。结果表明，两种连接形式的组合节点均有良好的抗震性能且满足规范要求。苏州科技学院方有珍教授对PEC 柱与钢梁通过对拉螺栓连接的边节点[54,55]、中节点[56-59]抗震性能进行研究，其中，PEC 柱分为薄钢板PEC 柱或新型卷边PEC 柱，PEC 柱与钢梁的连接包括端板对拉螺栓连接和T 型连接件对拉螺栓连接两类。考虑的影响因素有轴压力、组合柱布置（强轴、弱轴）、梁端翼缘截面削弱位置变化、梁端T 型件与钢梁的连接方式（螺栓连接、焊接连接）、T 型件类型（摩擦耗能T 形件、BRS 型T 形件）、是否设置预拉螺杆等作为设计参数，系统性的对节点的破坏模式、承载能力、滞回曲线、强度与转动刚度退化、延性与耗能能力及节点传力机理等力学性能进行了研究。结果表明：新型卷边PEC 柱的卷边措施、轴压力、预拉对穿螺栓和预拉杆以及T 形件等均对节点的承载力、延性变形、能量耗散等性能具有重要影响。国内外仅同济大学的传光红、陈以一等[60]对部分填充组合结构框架装配节点进行了静力试验及受剪承载力计算。试件设计的节点域内布置横向钢筋和无钢筋节点两种，其中柱采用非标准截面构造的PEC 柱、梁为PEC 梁，在梁上下翼缘外侧和腹板位置处通过端板与柱翼缘进行螺栓连接，翼缘连杆采用C 形连接方式，PEC 柱内不设置纵筋、箍筋、抗剪键等配件。

3 部分填充式组合框架结构抗震性能

基于前期对PEC 构件、节点的试验和理论研究，以及取得的一些研究成果，研究人员后期对由构件、节点进一步扩展组成的框架结构进行抗震性能研究。如，Braconi A 和Bursi OS 团队[61]在2010年，对采用标准截面的PEC 柱、钢梁连接的三榀两跨二层钢-混凝土组合框架进行了多级拟动力抗震试验和仿真分析。结果表明，通过梁端板弯曲屈服、柱腹板区域剪切屈曲实现了框架预期的设计，结构体系的构件和节点在受力、延性方面满足欧洲规范8 的规定，达到非弹性响应要求。基于增量静态和动态分析的仿真结果表明，所提出的组合框架体系表现出令人满意的延性和超强度，并且为欧洲规范8 常规设计提供了安全系数值。在理论研究方面，提出一种基于恢复力面（Restoring Force Surface，简称RFS）的计算方法并应用于拟动力试验数据的对比验证。

赵根田等[62,63]对通过端板连接和顶底角钢连接的框架结构进行了拟静力试验研究，以柱含钢率、柱翼缘厚度、端板厚度、角钢螺栓边距和轴压比为参数变量，研究骨架曲线、延性、耗能能力等抗震性能指标。结果表明：两种连接形式的框架层间屈服机制为先期梁端截面形成塑性铰，后期柱根部屈服，实现了利用塑性屈服耗能的设计目标；节点域填充混凝土形成斜压带传力模式，满足了节点域薄腹板的抗剪需求；结构具有良好的屈服机制和抗震性能。基于已研究的不同连接形式的PEC节点，方有珍等[64-71]提出了相应连接形式的框架结构，并对PEC 框架结构的抗震性能进行试验和理论研究。结果表明：试件结构具有较高的承载力和初始抗侧刚度；层间剪切角和节点连接转角均满足规范设计要求，具有良好的抗震倒塌性能。

综上所述，目前国内外针对PEC 梁、柱构件的研究已较为广泛，但对于PEC 节点及其框架结构的研究涉及较少，尤其是预制装配式的PEC 节点及其框架结构的研究几乎处于空白。目前国内外对PEC 节点及其框架结构的研究存在一些不足，如：国内外研究人员对PEC 节点、框架结构的研究尚未考虑组合楼板的作用，PEC 节点形式局限于平面内，对PEC 柱强轴方向的连接构造并不适用于弱轴方向的连接，此外，在已有的文献中，存在PEC 柱与PEC 梁（S 梁）之间采用端板或角钢连接的构造形式，该连接构造存在当外部荷载较大时，PEC 柱翼缘易发生严重屈曲或断裂破坏现象，严重影响节点的抗震性能。

此外，通过查阅国内外钢混组合结构设计规范可以发现，仅欧洲规范4 中有针对PEC 构件及节点的相关设计条文。如，EC4 中6.3～6.4 节对PEC 梁构件的应用范围、受弯、受剪及同时承受弯剪作用时承载力计算，以及对PEC 梁构件侧向受扭屈曲的简化校对进行了规定；6.7 节中对PEC 柱构件的一般规定、一般设计方法、设计简化方法、剪切连接与荷载介绍以及细部构造等方面，进行了详细说明。第8 章中对组合框架节点的应用范围、分析模型、分类、设计方法（基本规定、承载力、转动刚度、转动能力）及基本连接组件进行了规定。除上述外，针对组合节点的承载力、转动刚度、转动能力等规定，欧洲规范4 均按照欧洲规范3 中钢结构节点设计相关规定进行计算。

4 装配式部分填充钢混组合节点的提出

针对当前国内外对PEC 节点及其框架结构研究存在的不足，结合我国建筑产业化和工业化的快速发展，本文提出一种适合装配式的部分填充组合节点，它是由部分填充式组合柱（PEC 柱）、钢扁梁、深肋组合楼板及辅助零部件组成。在装配式的部分填充组合结构体系中，梁柱节点的连接技术及抗震性能是该新型结构体系研究的关键，其节点示意图如图2 所示，节点各部件三维拆分示意图如图3 所示。其中，柱构件采用PEC 柱，其截面形式既可采用图1 所示的标准截面也可采用非标准截面，梁构件采用的是H 型钢扁梁，组合楼板为深肋压型钢组合楼板，节点域内待各钢部件连接好后与混凝土同时浇筑高强灌浆料。

图2 节点示意图Fig.2 Node schematic

图3 节点拆分示意图Fig.3 Node splitting schematic

本文提出的装配式部分填充组合节点具有的优势或特色主要表现在以下几个方面，①在受力变形方面，通过节点及梁柱连接的构造设置，保证节点具有足够的承载能力和延性耗能能力，实现梁端塑性铰外移达到保护节点目的；②在节点及连接构造方面，通过设置上下翼缘环向连接板，保证了强、弱轴方向连接的灵活性；在强、弱轴腹板的焊接段设置开洞构造措施，可防止PEC 柱翼缘及节点域发生严重屈曲破坏和失稳现象；在节点域内安装金属阻尼器，既可提高节点竖向承载力，又可提高节点的水平剪切耗能性能；上下翼缘环向连接板与H 型钢扁梁连接位置处腹板连接采用梅花式布置的高强螺栓，中心螺栓直径尺寸大于其余四个角部螺栓，原因是考虑翼缘屈服后，腹板连接位置将形成转动塑性铰，较大直径的中心螺栓将作为转动中心，同时也可使其他角部螺栓充分发挥抗剪能力；③在梁板构件组成方面，通过采用H 型钢扁梁，可使压型钢组合楼板支撑在钢梁下翼缘，可避免房间内部钢梁的外露；组合楼板自重轻，施工方便快捷；在房屋净高保持不变的条件下，结构上最大限度的减少结构层高；④在施工与环保方面，PEC 柱、H 型钢扁梁及深肋压型钢组合楼板的预制化程度高，现场装配化安装程度高；现场安装施工简便，人工需求低，消耗材料少，垃圾产量少，且质量可控，建造效率高，有利于实现装配式建筑的智能建造，其经济、社会、环保效益显著，具有广泛的推广价值和应用前景。

5 结论与展望

通过对国内外最新成果的归纳总结发现，经过长期的理论和试验研究，欧洲规范针对部分填充式钢混组合结构已经形成了相对完整的设计理论和计算方法，但是近十年来国际上针对部分填充式钢混组合结构基础理论的后续研究相对较少。我国则是在近十年才开展对部分填充式钢混组合构件、节点及框架结构的一系列基础性研究，且研究人员、研究内容及研究方法相对集中，我国目前也尚未形成一套完整的技术规范或规程，亟需通过大量的试验和理论研究来完善该类框架结构的设计计算和构造分析，为规范制定提供技术支撑和理论依据。

在PEC 组合构件方面，国内外学者针对不同截面形式、荷载作用、参数变量等影响因素，通过试验或数值分析的方法，对PEC 构件的局部屈曲分析、抗扭刚度、承载力与挠度变形、防火性能、滞回特性、计算模型及构造措施等方面进行分析。结果表明PEC 构件具有良好的受力性能和抗震性能，肯定了PEC 构件在多高层结构抗震设计中的适用性。

在PEC 节点及其框架结构方面，国内外对PEC 节点及其框架结构的试验和理论研究主要集中在平面节点、平面框架的层次，研究内容相对集中且不够深入。针对PEC 节点在考虑组合梁板作用、双向H 钢截面的基本构造和设计方法、抗火性能设计、PEC 框架结构侧向支撑设计及三维空间节点等方面尚未有涉及，应继续广泛深入的开展相关试验和理论研究。

基于PEC 结构具有良好的装配性能，可以在建筑工业化方面进行深入研究，对此，文中提出了更加适合预制装配的部分填充钢混组合节点，并对装配式的PEC 节点构造和特点进行了阐述，通过对该新型组合节点的装配化、产业化及模块化等方面的研究，将更有利于我国建筑产业化快速发展。