基于钢管混凝土柱的梁柱混合节点研究进展分析

曹瑞雪 （中铁四局集团建筑工程有限公司，安徽 合肥 230022）

1 引言

近年来，随着建筑领域的不断发展和创新，梁柱节点作为结构设计的关键组成部分备受关注。梁柱节点是建筑结构中至关重要的组成部分，承载着连接梁和柱以及传递和转移荷载的重要任务[1]。国内外学者对梁柱节点开展了大量的研究工作，并研发了多种节点连接形式。新材料的应用、优化设计方法的发展和先进的施工技术的引入，都为梁柱节点的开发和应用提供了新的可能性。

钢管混凝土柱可充分发挥外包钢管和内填混凝土两种材料的优势，具有强度高、塑性好、抗震性能优越和施工便捷等优势[2-3]，广泛应用于高层建筑、大跨空间结构、桥梁工程和工业建筑等领域。目前钢管混凝土柱-钢梁连接节点在工程领域得到了系统的研究和成熟的应用。然而，随着结构跨度的增大或者荷载的增加，型钢混凝土梁、钢筋混凝土梁及其预应力梁因建造成本较低等原因常与钢管混凝土柱连接，形成新型结构体系。其梁柱混合连接节点的设计和施工依然存在挑战，需要设计师和工程师不断探索和实践，以确保梁柱节点的可靠性和安全性。为此，本文综述了此类梁柱混合节点的连接类型、试验研究、数值模拟、理论分析及其工程应用，并进一步拓展了梁柱混合节点研究内容，为理论研究和工程应用提供技术支撑。

2 基于钢管混凝土柱的梁柱混合节点

为了使钢管混凝土组合结构能够更好地应用于土木工程领域，国内外学者研发了基于钢管混凝土柱的梁柱混合节点，主要包括三种节点类型，即钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁混合节点、钢管混凝土柱-型钢混凝土梁混合节点和钢管混凝土柱-预应力混凝土梁混合节点。

2.1 钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁混合节点

钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁的连接形式主要分为加强环式节点、钢筋贯通式节点、环梁式节点、螺栓连接式节点等。目前，针对钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁混合节点的研究已较为成熟，很多学者对该类节点进行了试验分析与理论计算，同时对该类节点进行了有限元模拟，根据参数分析结果提出了相应承载力简化计算模型和设计方法。

2.1.1 加强环式混合节点

黄俊等[4]提出了一种外加强环筋式T 形钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁混合节点，如图1 所示。外加强环筋式混合节点是用环筋取代大尺寸的环板，通过环筋加大牛腿与钢管焊接处的刚度，提高了节点的抗弯和抗剪能力，保证了钢管的整体性。并且通过ABAQUS 有限元软件对节点进行抗震性能分析，结果表明，梁的配筋对节点的承载力和抗震性能影响最大。

图1 外加强环筋式T形钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁节点[4]

李彦鹏等[5]对两种钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁节点进行了有限元分析，如图2 所示。一类为设置了抗剪环的钢筋焊接节点，另一类为采用了长圆形螺栓孔的螺栓过渡板连接节点，通过对两种节点承载力、应力分布及耗能能力的研究，给出了相应的节点荷载-位移曲线。

图2 两种钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁节点[5]

2.1.2 钢筋贯通式混合节点

尧国皇等[6]提出了一种钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁的新型混合节点。在钢筋混凝土梁与钢管混凝土柱连接区的钢管局部开矩形孔，使钢筋混凝土梁中的纵向钢筋贯穿节点不截断，从而使节点域混凝土与混凝土梁形成整体，方便施工且保证了节点刚度，如图3 所示。通过4 个节点试件的试验研究了节点的破坏过程、破坏形态和耗能性能。结果表明，试件的滞回曲线饱满，试件达到极限状态时，节点尚未破坏，仅梁发生了开裂破坏，证实了此类节点的可行性，满足“强柱弱梁、强节点弱构件”的抗震设计原则。

图3 钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁的新型节点形式[6]

Han L等[7]对薄壁钢管混凝土柱-钢筋混凝梁柱节点进行了循环加载试验，典型节点如图4 所示。结果表明，双向钢管混凝土节点具有良好的抗震性能，在实际工程中，尤其是在高设防烈度区，具有较好的应用前景。

图4 薄壁钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁节点[7]

Gan D 等[8]提出了一种方形薄壁钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁的混合节点。节点中混凝土梁的纵向受力钢筋通过钢管内的矩形孔连续穿过节点域，以实现梁的荷载直接传递和节点的完整性，方形带孔薄壁钢管采用内隔板加固，如图5 所示。试验结果表明，内隔板有效地提高了节点的强度和延性。

图5 方形薄壁钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁节点[8]

Wang Qingxiang 等[9]给出了由6 种连接件连接的钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁混合节点在循环往复荷载作用下的试验结果，节点由钢管混凝土柱、钢筋混凝土梁和预制连接钢筋三部分组成，预制连接钢筋通过钻孔穿过钢管，钢筋两头分别焊有法兰，梁的钢筋分别焊接在法兰顶部和底部的表面上，如图6 所示。结果表明，节点延性直接依赖于钢筋混凝土梁，钢管对连接的强度只起到部分作用。

图6 钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁节点[9]

Zhang Y F 等[10]提出了一种内外双层钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁混合节点，节点核心区内部的圆形钢管贯通核心区，而外部方形钢管在核心区外打断。两层钢管之间预埋贯通的纵筋，核心区通过箍筋和贯通纵筋进行补强，如图7所示。共对4 个混合节点进行低周循环加载试验，均发生了梁端破坏，荷载-位移滞回曲线的捏缩效应较明显，提高环梁配箍率可提高梁端承载力，使破坏区域靠近节点核心区。

图7 内外双层钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁节点[10]

Tang X L 等[11]提出了一种新型钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁混合节点，柱内钢管在节点域断开，通过在钢管内预埋贯通的纵向受力钢筋保证节点域的连续性，并在节点域内通过箍筋和多层钢筋网进行补强，如图8所示。对5个节点构件进行了试验研究，发现节点核心区与梁的配筋率比值大于0.74，并且当节点核心区横截面积与柱横截面积比值大于4 时，可以保证“强柱弱梁”的设计原则。

2.1.3 环梁式混合节点

CHEN Q J 等[12]提出了一种钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁节点，在节点核心区设置环梁，钢管在节点核心区处开孔，用于通过钢筋混凝土梁内的纵向受力钢筋以保证其受力的连续性，如图9所示。通过6 个该类型节点的低周循环加载试验，验证了节点连接方式的可靠性。试验结果表明环梁式混合节点连接能够保证“强节点弱构件”的设计原则。精细化有限元分析结果发现高轴压比可以提高节点承载力，但会降低节点延性。

图9 钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁环梁节点[12]

Wang W 等[13]进行了4 个圆钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁节点滞回试验，试件采用环梁连接，钢管周围焊有圆形或方形钢筋作为抗剪肋，钢筋混凝土框架梁钢筋不穿过钢管，通过锚定的方式连接，如图10 所示。试验结果表明，环梁处于复杂应力状态，钢管直径和环梁纵筋率对环梁连接受力性能有重要影响。

图10 圆钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁节点[13]

2.1.4 螺栓连接式混合节点

ZHA X X 等[14]进行了钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁螺栓连接节点试验研究，该节点通过在节点核心区布置连接器将梁内纵筋与连接器螺栓连接，如图11 所示。纵筋螺栓连接可以避免施工现场焊接出现明火，也有利于加快施工进度。通过两个混合螺栓连接节点的低周循环加载试验，发现承载力的提高对荷载-位移曲线的下降段影响较小，轴压比越高，下降段刚度越大。

图11 钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁螺栓连接节点[14]

2.2 钢管混凝土柱-型钢混凝土梁混合节点

区别于普通混凝土梁节点，钢管混凝土柱-型钢混凝土梁混合节点，是将钢与混凝土重新进行组合，将型钢埋入混凝土中，极大地增强了混凝土梁结构的承载能力、刚度及延性。同时型钢与钢管有着材料同一性和可塑性的特点，无论是钢材焊接还是螺栓连接均可以提高安装效率。为此，学者研发了多种钢管混凝土柱-型钢混凝土梁的混合连接节点。

吴咏龙[15]提出了一种方钢管混凝土柱-型钢混凝土梁新型节点，节点域沿着主梁方向型钢不断开，型钢贯通钢管混凝土柱，如图12 所示。通过有限元软件建立的精细化分析模型对其进行了抗震分析，新型节点满足“强柱弱梁，强节点弱构件”的构造要求，并且节点的抗震和承载能力良好。

图12 方钢管混凝土柱-型钢混凝土梁节点[15]

FENG S 等[16]提出了一种连接钢管混凝土叠合柱与型钢混凝土梁的新型混合节点，其中部分型钢埋在预制混土梁中，钢管混凝土柱外包混凝土，纵筋钢筋直接焊接至预埋型钢梁上下翼缘表面，钢管混凝土叠合柱与型钢短梁通过焊接形式连接，如图13 所示。通过试验研究发现该节点具有较好的延性与耗能能力。

图13 钢管混凝土叠合柱-型钢混凝土节点[16]

MOSHEER K A-M 等[17]针对钢管混凝土柱-冷弯薄壁型钢混凝土梁连接节点进行了试验研究，如图14 所示。在静荷载下研究了4 个试样，结果表明，由于钢材有效面积的增加，节点承载能力和韧性都得到了提高；由于钢管和冷成形钢板段的约束效应，混凝土强度得到了提高；添加钢板可以控制裂缝宽度、减少裂缝长度。

图14 钢管混凝土柱-冷弯薄壁型钢混凝土梁[17]

XU X 等[18]提出了一种混凝土钢管柱-U 型钢混凝土梁连接节点，并且针对该节点开展了循环载荷试验。该节点钢管柱上有四个沟槽切口，使得横梁的主双C 通道和双C 通道完全穿过节点，在主双C 通道上有相同的凹槽切口，以允许横梁的双C 通道通过，U 型钢梁的弧形腹板用钢板焊接到双C 通道上，上下尖牙分别焊接在钢管柱和拱形钢支架上，如图15 所示。试验结果表明，轴向荷载对连接件的承载能力影响较大，且轴向荷载越大，延性越差，可以通过提高节点的配筋率来提高提高节点承载和耗能能力。

图15 混凝土钢管柱-U型钢混凝土梁节点[18]

ZHAO Y C 等[19]和古松等[20]针对钢管混凝土柱-型钢混凝土梁节点，通过有限元法的非线性分析，采用循环往复载荷对模型进行加载模拟，探讨了节点承载力、耗能能力以及动力响应。

邓国专[21]对钢管混凝土柱-型钢混凝土梁加强环节点进行了试验研究和分析，节点构造如图16 所示，钢管混凝土柱外侧焊接加强环板，结果表明，外加强环影响了节点承载力，通过改变节点加强环板的宽度，可以改变节点承载力与梁构件承载力之间的大小关系，从而满足抗震设计的“节点更强”的原则。

图16 钢管混凝土柱-型钢混凝土梁加强环节点[21]

何乐平等[22]提出了一种适用于快速施工的新型矩形钢管混凝土柱-型钢混凝土梁贯通式节点，通过工字钢穿插形式完成节点贯通及拼接，节点工字钢穿插示意图如图17 所示。对4 个节点进行拟静力加载试验，从试件的滞回曲线、刚度、延性等方面探讨了节点的抗震性能。结果表明，节点刚度较大，满足规范设计要求，同时可避免核心混凝土浇筑困难的问题。

图17 工字钢穿插示意图[22]

陈振明等[23]针对超高层钢结构建筑，提出了一种钢牛腿式钢管混凝土柱-型钢混凝土梁混合节点。该节点应用环梁包覆，钢管通过焊接钢牛腿起到连接过渡的作用，梁中焊接型钢与钢牛腿以达到节点连接的目的，具体连接方式如图18所示。

图18 钢牛腿式钢管混凝土柱-型钢混凝土梁节点[23]

2.3 钢管混凝土柱-预应力混凝土梁混合节点

钢管混凝土柱-预应力混凝土梁混合节点，不仅能够发挥钢管和混凝土两种材料高强度、良好延展性、抗疲劳性和抗冲击性的优势，同时可以结合预应力梁的超强抗压、承载力大、性价比高、整体刚性好和抗震性强等多种优势，弥补其容易开裂、抗拉性能差等缺点，充分利用高强度材料（高强度混凝土、高强度钢筋），提高结构的安全性和耐久性。但是由于节点的复杂性，针对钢管混凝土柱和预应力混凝土梁相结合的混合节点形式比较欠缺，仅少数学者进行了相应研究。

方梅等[24]和邱剑等[25]对3 个钢管混凝土柱-预应力混凝土梁节点试件进行了低周往复加载试验，该节点在核心区钢管上留有预应力孔洞，预应力筋穿管而过，如图19 所示。试验研究了不同预应力对试件的破坏形态、滞回曲线、刚度、延性及耗能能力等的影响。结果表明，预应力使得梁下部受拉区域的刚度退化加快，耗能性能降低，预应力对节点受力性能影响比较明显。

图19 钢管混凝土柱-预应力混凝土梁节点[24-25]

林聪等[26]采用有限元软件ABAQUS 对圆钢管混凝土柱-预应力混凝土梁混合节点在受力过程中混凝土梁的裂缝发展机理以及节点域内钢筋、环板、牛腿、抗剪环的应力分布情况进行了深入研究，探明了预应力在受力过程中对试件受剪性能的影响规律，并在此基础上对试件进行了不同预应力的参数分析。结果表明，预应力提高了节点的开裂荷载、屈服荷载和受剪承载力。有限元分析模型如图20所示。

图20 圆钢管混凝土柱-预应力混凝土梁节点[26]

丁阳等[27]对一种新型钢管混凝土柱-预应力混凝土梁T 形混合节点进行了数值模拟，节点设计如图21 所示。采取低周往复加载试验和数值模拟相结合的研究方法，通过对节点破坏形态、刚度、延性、节点承载力以及耗能能力进行分析。结果表明，该节点具有良好的延性、承载力以及耗能能力，满足规范的大震设计要求，节点域刚度大、剪切变形小。

图21 钢管混凝土柱-预应力钢筋混凝土梁T形混合节点[27]

范业庶[28]针对钢管混凝土柱与预应力钢筋混凝土梁相交形成的梁柱节点，通过对5 个试件进行低周反复荷载试验研究，主要考察其在地震作用下的破坏形态、受力机理、节点强度、刚度、延性、耗能能力来评判其抗震性能，如图22 所示。结果显示，预应力很好地减小了结构变形，满足结构“强柱弱梁”的设计原则。

图22 钢管混凝土柱-预应力钢筋混凝土梁节点[28]

宋曦麟[29]、侯志勇[30]和肖宝第[31]对钢管混凝土柱-无粘结预应力混凝土框架梁进行了分析研究，水平结构采用无粘结预应力混凝土框架梁，竖向结构采用钢管混凝土柱，二者有机结合，相较传统结构梁柱截面变得更小，梁柱承载力得到了大幅提高，具有更大的优势。同时，无粘结预应力混凝土梁施工工艺简单、操作方便、可有效利用施工空间。

3 混合节点工程应用

在工程结构中，为了满足独特的设计及构造要求，预应力梁柱混合节点能够很好地解决结构设计遇到的技术难题。

杭州东站站台层采用了钢管混凝土柱-预应力混凝土梁结构[32]。站房结构体系受力明确，与建筑形态相契合。通过大量的结构分析和必要的结构和节点试验，对复杂结构和节点受力进行了理论分析和验证，在确保结构安全性和经济性的前提下，结构设计提升了建筑的使用功能和建筑形态，如图23 和24 所示。

图23 杭州东站[32]

图24 节点预应力管道布置图[32]

田记旺[33]以兰州中川机场二期扩建航站楼工程为例，如图25 所示，重点对钢管混凝土柱-预应力混凝土梁节点施工关键技术进行介绍。

图25 兰州中川机场二期[33]

贵阳北站[34]高架候车层采用了大跨度预应力混凝土梁，如图26 所示，钢管混凝土柱-预应力混凝土梁节点是保证结构承载力和抗震性能的关键。该项目节点预应力筋贯穿钢管混凝土柱，钢管预留贯穿长圆孔，钢管内部焊接内隔板，外部焊接外环板用以补强，避免了过度开孔穿筋对钢管造成过大削弱。节点构造图如图27所示。

图26 贵阳北站[34]

图27 节点构造图[34]

高志宏[35]以呼和浩特东站站房为例（图28），采用ADINA 有限元软件建立钢管混凝土柱-预应力型钢混凝土梁节点模型（图29），研究了节点区域加强环板设置方式、厚度及预应力截断位置对节点受力性能的影响。结果表明，预应力筋在2.5 倍型钢梁高以外截断对节点的影响不大。

图28 呼和浩特东站站房[35]

图29 节点有限元模型图[35]

4 钢管混凝土柱-预应力钢筋混凝土梁（拟开展研究）

4.1 工程概况

广州至汕尾铁路新塘站站房位于广州市增城区新塘镇站前路以南、环城路以北、规划一路以东、新源路以西。新塘站建筑规模约为18 万m2，站房主体为3层，局部为4 层。建筑总高度为33.9m，站台层到屋面最高点为40.9m，站房分为站台层、地面候车层、高架进站层和商业夹层。新塘站站房屋盖为大跨度空间结构，其中南北侧区域为网架结构、中间区域为桁架结构，建设中的新塘站如图30所示。

图30 广州新塘站

预应力工程施工范围为9.75m候车层、16.75m 进站层，框架梁中采用直径15.2mm 有粘结预应力型式，楼板中采用直径15.2mm无粘结预应力型式。

4.2 混合节点设计

本工程候车层为圆钢管混凝土柱-预应力钢筋混凝土梁混合结构，采用了环梁节点和钢牛腿设计，如图31 所示。圆钢管混凝土柱截面尺寸为钢管半径750mm，壁厚40mm，高度12000mm，内灌C40 混凝土；主梁尺寸为1100mm×1600mm，总长18000mm，浇筑C40 混凝土；节点环梁直径2700mm，高2300mm，浇筑C40 混凝土；采用直径15.2mm 低松弛钢绞线作为预应力筋，预应力波纹管贯穿梁柱节点核心区。

图31 广州新塘站钢管混凝土柱-预应力钢筋混凝土梁节点

为了检验应用于该工程的混合节点受力的可靠性和抗震的安全性，并提出相应的抗震设计方法，同时为规范修订和工程应用提供技术支撑。结合实验室条件，按照1:5 的相似比原理设计加工了2 个节点试件，其中一个试件与实际工程保持一致，另一个试件去除钢牛腿形成对比件，未浇筑混凝土的试件如图32所示。

图32 缩尺的钢管混凝土柱-预应力混凝土梁节点试件

4.3 试验装置

采用实验室的MTS 作动器拟开展循环往复加载试验，分析试件在加载全过程中的承载能力、变形能力、裂缝发展规律、钢筋屈服顺序和传力分配机理，检验混合节点受力的可靠性和安全性。拟采用的加载装置如图33 所示，低周反复加载制度如图34 所示，每级加载位移下进行2～3 个循环。当测得的水平向柱端荷载下降到峰值荷载的85%以下时停止加载。

图33 试验装置

图34 加载制度

5 结束语

本文通过对基于钢管混凝土柱的梁柱混合节点的综述，主要得出以下结论。

综合国内外研究现状，钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁连接节点主要分为加强环式、钢筋贯通式、环梁式和螺栓连接式混合连接节点。

钢管混凝土柱-型钢混凝土梁节点构造根据梁柱整体性主要区分为两大类，一类钢管柱在节点处断开，梁贯穿节点，另一类型钢梁在节点处断开，钢管柱贯穿节点。

通过对预应力结构的数值模拟以及试验研究，试验结果都表明预应力能够增大节点承载力及提高结构的耗能能力。

提出的各类基于钢管混凝土柱的梁柱混合节点基本均满足“强柱若梁，强节点弱构件”的设计原则。在试验验证和理论计算的基础上，已应用于多个实际工程项目，并带来了良好的经济和社会效益。