钢-混凝土组合结构节点抗震性能研究现状

陈 浩，程 亮，胡 郢

(1.武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室，武汉 430070;2.中南电力设计院有限公司,武汉 430071)

随着经济社会的不断发展，人们对建筑物的性能要求不断提升，高层、大跨度和特种功能的建筑需求越来越多，钢-混凝土组合结构的应用日趋广泛。相较于普通钢筋混凝土结构，钢-混凝土结构材料利用效率高，在承载力、结构延性、抗震性能、防火耐久等方面有明显优势。

将钢构件和钢筋混凝土合理地组合在同一构件或结构中，充分考虑混凝土抗压性能、钢材抗拉性能、钢对混凝土变形约束和混凝土对钢包裹保护等因素，提高材料利用效率。其组合形式主要为在钢筋混凝土内配置各种形式型钢或者钢管内填充各种形式混凝土等。前者钢筋混凝土对型钢变形有约束作用，型钢局部屈曲减少，整体刚度提升，钢材强度得到更好的发挥。外包钢筋混凝土包裹覆盖内部型钢，隔离外界环境影响，使结构拥有良好的耐久性能和防火性能。相较于普通钢筋混凝土结构，内部实腹式型钢大大提高了构件的抗剪承载力，延性和塑性得到加强，提高了结构的抗震性能。后者当混凝土受到压力变形时，钢对其的约束作用可以提高混凝土受压性能，混凝土材料利用效率高。目前，由于钢-混凝土组合结构构造相对复杂，安装施工方面耗费相对较多，但是综合性能提高，钢-混凝土组合结构更加经济。随着建筑功能要求不断提高，钢-混凝土组合结构成为建筑结构研究应用的重要方向之一。

在钢-混凝土组合结构中梁、柱和斜撑的力通过连接他们的节点进行传递，节点破坏对结构整体造成的损伤极大。在地震作用下，节点处于复杂的受力状态，因此保证节点的安全可靠尤为重要。国内外学者对型钢-混凝土组合结构节点抗震性能进行了一系列的试验和理论分析，研究了合理的构造形式和设计评估方法。

1 钢-混凝土组合结构梁柱节点抗震性能研究

钢-混凝土组合结构最早出现在欧洲，后欧美国家进行大量试验研究，于20世纪50年代左右提出了一些简化的设计评估理论。随着应用研究的不断深入，各国纷纷提出适合本国的设计计算规范。目前关于型钢-混凝土组合结构梁柱节点抗震性能的研究主要集中在建造热土的我国和抗震需求较高的日本。

薛建阳[1,2]等为研究型钢混凝土节点的力学性能和构造影响，设计制作了8个型钢混凝土节点，对其进行单调荷载和循环荷载加载试验。结果表明，相较于钢筋混凝土结构的梁柱节点，钢-混凝土组合结构的梁柱节点延性表现更优，钢与混凝土共同工作的效果相对更好，在承载力和抗震性能方面也表现更好。型钢混凝土节点最后破坏主要是核心区剪切破坏，作者在此基础上提出了一些合理的构造措施。

随后作者制作三组不同区域的异形柱梁柱节点，研究型钢-混凝土组合结构异形柱梁柱节点的力学性能。结果表明，其节点在加载后的主要破坏状态为节点区域剪切破坏、节点内部钢梁和钢柱连接焊缝发生拉裂而破坏和发生在梁端区域的弯剪破坏。相较于配置有空腹式钢骨架结构的试件，配实腹型钢的试件在延性方面表现更好，其滞回曲线相对更加饱满，耗能减震性能更好。作者在此研究结果的基础上给出该类节点的设计建议。

李忠献[3]研究了强弱节点抗震性能区别，制作了一组强节点和一组弱节点，每组2个足尺节点试件，进行循环往复荷载加载试验。结果表明：四个节点延性符合要求，耗能能力较强，但是强节点试件耗能能力更好，且梁端根部与削弱的部位之间能先于节点破坏形成塑性铰，增加能量耗散，可以有效提高节点的抗震性能。

向平[4]等为研究型钢混凝土异形柱结构节点的抗震性能，设计采用了三种新型的梁柱节点连接方式，进行低周反复荷载试验，分析其工作机理。结果表明，箍筋对节点区核心混凝土的约束作用明显，提高节点抗震性能，轴压比在一定范围内可提高节点的开裂荷载和抗剪承载力，试验证明了此类节点设计方法可靠。作者在此实验基础上提出了相应于该连接方式的承载力评估方法。

Kitano[5]等以一组不同型钢截面形状的钢-混凝土组合结构梁柱节点为研究对象，进行了拟静力试验，同时结合有限元软件分析，研究节点的力学性能。结果表明，节点抗剪强度因型钢截面形状的不同而对混凝土的约束作用不同，型钢的抗剪强度取决于加劲肋的布置和钢板厚度；提出了如何考虑梁柱节点有效宽度的方法和梁柱节点抗剪评估方法。

曾磊[6]等研究了高强材料的钢-混凝土组合结构的力学性能。作者自研了一款高强混凝土，通过框架中节点试验和有限元计算相结合进行分析。结果表明，高强混凝土和高强型钢的节点破坏形式也是剪切破坏，轴压比对节点承载力有一定的影响，该类节点有一定的耗能减震性能。作者以试验研究和有限元分析结果为基础，充分考虑轴压比影响和混凝土强度影响，提出了该类型节点抗裂能力评估方法、抗剪承载能力计算公式。

郑山锁[7]等制作一组缩尺梁-柱中节点，试件采用了高强度钢材和高性能混凝土，进行了低周反复加载试验，以研究该类型梁-柱中节点的破坏机理和抗震性能。结果表明，与普通用材的节点比较，该类节点的延性性能和耗能能力稍差，型钢对混凝土约束能力更强，破坏为剪切破坏，腹板屈服时节点基本进入屈服阶段。

Seo Soo-yeon[8]等以五个 1/2 比例的型钢混凝土梁柱节点为研究对象，通过对梁端施加力矩，研究影响建筑物钢筋混凝土 (SRC) 柱-钢梁节点有效宽度的因素。结果表明：梁翼缘最先屈服，裂缝在此出现并扩大，最后混凝土被剥落。柱宽较宽的试件在受力作用下出现了扩展的斜裂纹，而梁深较短的试件破坏范围较小。最后，提出Deierlein设计方法中考虑梁深变化的计算有效宽度的公式。

张士前[9]等研究了在不同方向荷载作用下钢-混凝土组合结构节点的力学性能，作者对5个节点进行加载实验。结果表明，在斜向荷载作用下该类节点抗剪承载能力相对减弱，其中加载角度为主要影响因素。作者以该研究为基础提出在不同角度荷载作用下节点承载力评估方法。

陈宗平[10]等制作了一组型钢混凝土异形柱-钢梁节点，进行拟静力实验，研究其抗震性能。结果表明，在不同加载角度下节点的抗震性能有较大区别，45°加载时节点抗剪承载力为最大，30°时耗能能力最强。在一定范围内增大轴压比可以增强节点的抗剪承载力和耗能能力，同时节点的前期刚度有所提高，而后期刚度则退化更快。

Montava[11,12]等对钢筋混凝土T形节点和配有工字钢的型钢混凝土配T形节点进行低周反复荷载加载试验，研究其弹性和塑性阶段直至断裂的受力机理。结果表明，与钢筋混凝土试件相比，型钢混凝土试件破坏前塑性铰偏转更大，表现出更高的抗力和延展性。破坏过程中两者节点的裂缝发展过程相似，但是型钢混凝土试件耗能能力更强。采用IPN型钢的解决方案比HEB型钢的解决方案更加经济。

赵凯常[13]等对新型装配式型钢混凝土柱-钢梁框架结构边节点进行研究，对3个不同连接方式的边节点试件进行拟静力试验。结果表明：螺栓连接的试件延性较好，但是承载力较低。梁和柱采用焊接连接方式的试件的减震耗能能力更好，采用栓焊混合连接方式的试件抗震性能最好。增加连接处连接板的厚度和长度都对提高节点承载力和耗能能力有益。

钱芮[14]等以5个桁架式钢骨混凝土结构框架中节点为研究对象，其特点是钢筋可以不用焊接，直接穿过节点区域。结果表明，节点内部钢与混凝土之间存在一定的粘结滑移，节点破坏主要是剪切破坏。轴压比对节点力学性能有较大影响，轴压比过大时节点的减震耗能能力下降。作者最终以混凝土压碎为节点破坏标准，提出该类空腹式节点抗剪承载力评估方法。

Kishiki[15]等对用钢筋混凝土包裹的钢管混凝土梁柱节点进行了研究，通过对三组不同梁柱节点进行了循环荷载试验，发现钢管内填充有混凝土时，节点强度和刚度增加较大。结果表明，该类节点钢管内填充有混凝土时，节点强度和抵抗变形的能力增加较大。梁柱节点表面残余裂缝较小，可实现地震作用下的损伤预防。最后结合试验结果，重新评估节点各部分抗剪承载力贡献，提出适用该型节点的抗剪承载力计算方法。

2 带斜支撑的钢-混凝土组合结构节点抗震性能研究

普通框架结构设置斜支撑后，梁、柱和斜撑组成的三角形结构更具几何稳定性，提高建筑结构整体稳定和抗侧刚度。同时，梁、柱和斜撑组成的桁架结构传力直接，构件受到的弯矩和剪力相对更小，结构承载力大大提高。带斜支撑的钢-混凝土结构主要应用在对承载力和抗震性能要求较高的转换层、超高层建筑和特种工业建筑中。节点是连接梁柱和斜支撑的关键部位，是钢-混凝土斜支撑结构的传力枢纽，在地震作用下，节点处于弯剪扭复合受力状态，受力比较复杂，节点剪切破坏是导致结构失稳、倒塌的重要原因之一，因此保证节点的安全可靠尤为重要。国内外学者对钢-混凝土组合结构节点抗震性能进行了一系列的试验研究和理论分析，为工程应用提供理论依据。

黄超[16,17]等对高层建筑斜交网格体系两种形式节点进行了研究，通过不同厚度钢板的钢管混凝土短柱轴压试验和节点有限元分析。结果表明：混凝土受力变形时衬板等构造措施可以提高混凝土抵抗变形的能力，进而提高节点承载力和抗震性能。作者给出了构造措施建议，同时提出了考虑网格角度和衬板厚度的节点承载力计算公式。

袁政强[18]等对型钢混凝土桁架结构转换层节点进行了有限元分析，考虑了混凝土非线性,得到了内力作用下各节点的承载能力和施工阶段应力分布。作者在施工阶段对节点应力进行了检测，发现有限元分析计算结果与之相差不大。

张新明[19]对带斜钢支撑的型钢混凝土节点进行了研究，建立了中节点和边节点有限元模型，分析该类节点破坏机理和承载力影响因素。分析表明，型钢腹板相对于翼缘板对节点的影响更大，增加腹板厚度或者提高材料强度对节点耗能抗剪承载力提高有益。箍筋也对抗剪承载力有一定的影响，承担部分剪力。

金卫明[20]等针对有方形钢管斜支撑的钢-混凝土组合结构节点进行了研究。利用有限元软件进行分析，分析过程中引入合理的材料本构及损伤因子，模拟该节点在最不利荷载组合作用下的工作情况。根据节点的荷载-位移曲线得出节点极限承载力，满足设计要求，为类似工程实例提供参考。

相较于普通型钢混凝土梁柱节点，斜支撑的钢-混凝土组合结构节点构造更加复杂，影响节点承载力的因素更多。目前关于该类型节点的研究较少，主要是关于高层建筑转化层和斜交网格结构。研究主要集中于节点的承载能力和破坏形态方面,多为有限元工程应用分析，且工程设计为保守弹性设计,非线性因素影响较少研究。对节点内不同材料的实际受力状态、节点不同构造的影响和节点应力传递机理的研究不够深入，相关实验较少。

3 结 论

随着城市化进程不断加快，人们对建筑结构的性能要求不断提高，钢-混凝土组合结构无疑是重要的发展方向。在钢-混凝土组合结构中梁、柱和斜撑的力通过连接他们的节点进行传递，节点的破坏对结构整体造成的损伤极大。钢-混凝土组合结构节点两种材料协同工作，抗震性能优于普通钢筋混凝土结构，适用于对抗震要求较高的建筑。

a.钢-混凝土组合结构节点的抗震性能研究方法为：对节点区域带有一定长度梁柱部分的试件模型进行低周往复荷载加载试验或对整体框架进行震动台实验，同时结合有限元软件计算结构进行对比研究。

b.关于钢-混凝土组合结构梁柱节点的研究较多，各国都有相应的承载力评价方法，目前相关研究在向不同组合构造形式发展。但是相关研究不够完善，如型钢加劲肋布置、钢筋布置与锚固和梁柱型钢连接方式等对节点抗剪承载力的影响还需进一步研究。

c.装配式钢-混凝土组合结构施工阶段耗时短，对环境造成的影响更小，是未来建筑结构发展重要方向。关于其节点的研究在梁柱连接方式方面不够完善，已有的装配形式适用面较小。

d.带斜支撑的钢-混凝土组合结构传力直接，结构整体稳定性和承载力大大提高，适用于高层建筑。目前相关节点的试验研究较少，系统合理的承载力评估方法和设计方法需进一步研究。