1、型钢混凝土梁柱节点抗震性能的试验研究摘 要近年来，我国经济总量迅速增长，建筑技术水平不断提高。随着城市人口数量剧增，为了缓解城市建设用地紧张，大量城市均已建成或正在建设数百米高的建筑。混合结构体系在这一背景下应运而生。混合结构兼具钢结构与混凝土结构的优点，能够充分发挥型钢与混凝土两种材料的特性，在抗震性能及建筑适用性方面具有无可比拟的优势。混合结构作为一种新兴的建筑结构体系，虽然已经被国内外大量高层建筑采用，但是在实际应用过程中仍然存在一些问题，这些问题的存在限制了混合结构体系的推广应用。目前的研究主要集中在型钢混凝土柱-钢(钢筋混凝土)梁节点抗震性能上，对于能够简化型钢混凝土梁柱节点施工工序
2、的新型梁柱节点构造形式研究较少。梁柱节点是结构的关键部位，受力复杂，其性能直接关系到整体结构的抗震性能。我国现有规范及实际工程中，梁柱节点均采用节点核心区水平箍筋穿过梁型钢腹板孔洞的构造形式，但是在实际施工过程中，水平箍筋弯钩难以穿过梁型钢腹板孔洞，这给施工工序及质量保证带来了难题及隐患。本文通过改进现有型钢混凝土梁柱节点构造形式，在规范规定的节点构造形式的基础上，提出了两种梁柱正交及一种梁柱斜交的改进型节点构造形式。将一种普通节点形式(SRCJ-01)、三种新型的节点形式(SRCJ-02 ，SRCJ-03，SRCJ-04)以及同尺寸、同配筋的钢筋混凝土梁柱节点(RCJ)制作试件，进行低周反复
3、荷载作用下的拟静力试验，研究其抗震性能。根据试验现象及量测的数据，对比了各节点形式在低周反复荷载作用下的破坏形态、极限承载力、强度退化规律、滞回特性、耗能性能及关键部位应变分布等。对比结果表明：各试件均发生了梁端塑性铰破坏，节点核心区保持完好，证明了“强柱弱梁强节点”的设计原则的正确性；型钢混凝土梁柱节点的承载力、延性、耗能能力等方面均明显优于钢筋混凝土节点；采用 U 形箍筋的 SRCJ-02 的极限承载力和抗震性能均优于SRCJ-01，这证明了使用 U 形箍筋替代闭合箍筋的构造形式是合理可行的；腹板开矩形孔的 SRCJ-03 在承载力方面略有不足，但是其等效粘滞阻尼比系数均大于其他试件，证明
4、了其具有良好的耗能性能；梁柱斜交的 SRCJ-04 的极限承载力优于其他试件，延性处于其他试件之间，证明了该梁柱斜交节点构造形式是合理的。在试验完成后，采用 ABAQUS 有限元软件对试验进行了有限元模拟计算。有限元计算结果与试验结果较吻合，验证了有限元分析型钢混凝土梁柱节点的可行性与可靠性。通过变换 SRCJ-02 和 SRCJ-03 的梁型钢翼缘宽厚比、腹板高厚比等参数，建立有限元模型，进行模拟计算。通过对模拟结果的分析后得出，增加梁型钢翼缘的宽度、厚度可提升节点的极限承载力，在抗震性能上有所提高。最后得出结论：（1）采用 U 形箍筋的 SRCJ-02 具有良好的抗震性能，U 形箍筋替代闭
5、合箍筋是可行的；（2）SRCJ-03 加以改进也是一种比较好的节点构造形式；（ 3）梁柱斜交的 SRCJ-04 构造合理，可以对其应用于工程实际起到指导作用；（4）增加梁型钢翼缘、腹板宽度或厚度可以提高节点承载力，改善其抗震性能。关键词：型钢混凝土；梁柱节点；抗震性能；试验研究；有限元分析AbstractIn recent years, rapidly increase with Chinas GDP and constantly improve of the science of architectures level. With the population explosion, high
6、lights the intense of urban construction land. A large number of cities have been built or are building hundred meters high buildings. Hybrid structure came into being in this background. Hybrid structure has combined the advantages of steel structure and reinforced concrete structure, fully exert t
7、he fortes of both steel and concrete. It has incomparable advantages on seismic behavior and applicability.As a new type of building structure, hybrid structure has already used in many buildings around the world. But there are still existed a few problems in practical application. These problems re
8、strict the popularization of hybrid structure. The current research mainly concentrated in the seismic behavior of steel reinforced concrete (SRC) column-steel beam or reinforced concrete (RC) beam joint, and the research on new type of SRC beam-column joints about simplify construction process is s
9、till little. The beam-column joint is the key part of structures, the performance of joints directly related to the seismic behavior of the whole structure. In the existing norms and actual projects, the forms of conformation are all use the type of column stirrups pass through the holes in the web
10、of steel beam. But in the actual constructed, column stirrups cant pass through the holes in steel beams web easily and can not guarantee the constructions quality.This paper by improve the SRC beam-column joint existed and based on the constructed form of SRC beam-column joint provided by the code,
11、 proposed three types joint constructed forms: two beam-column orthogonality and one skew intersection. Make specimens with three types of joints described above, one traditional type and a reinforced concrete structure joint, and research the seismic behavior of all joints. According to the phenome
12、non and measured data, compare the failure mode, ultimate bearing capacity, strength degradation rule, hysteretic characteristics, dissipation capacity and strain distribution of specimens under cyclic load. The results shows: the failure mode of all specimens was plastic hinge appear at beam end, a
13、nd joint cores were keeping in good contion, that proved the design rule of “strong column weak beam strong joint” is correct; the bearing capacity, ductility, dissipation capacity, etc. of SRC joint is overmatch to RC joint; SRCJ-02 with U stirrups is good at bearing capacity and seismic behavior t
14、han SRCJ-01, that proved the U stirrups replaced the closed stirrups is feasible; SRCJ-03 with rectangular hole was insufficient at bearing capacity, but the equivalent viscous damping ratio modulus is higher than the other specimens, that proved the SRCJ-03 has a good dissipation capacity; SRCJ-04
15、has the best bearing capacity of all the specimens, ductility is at a middle stage, that proved the constructed form of SRCJ-04 is reasonably.After the experiment, use the finite element analysis software ABAQUS to simulate the specimen in the experiment. The results of finite element analysis and e
16、xperiment were coincided, that verified the finite element analysis on SRC beam-column joints is feasible and reliable. Then, by change the parameters of web flakiness ratio and flange height-thickness ratio, establish the finite element models to simulate. Compare the results of finite element anal
17、ysis, we can get the conclusions: The increase of web or flange can improve the bearing capacity and seismic behavior.Finally, The following conclusions: (1) SRCJ-02 with U stirrups has good seismic behavior, use U stirrups to replace the closed stirrups is feasible; (2) To improve the SRCJ-03 const
18、ructed in the form was a good type; (3) SRCJ-04 which beam-column skew intersection was reasonable constructed; (4) The increase of web or flange can improve the bearing capacity and seismic behavior.Key words: steel reinforced concrete; beam-column joint; seismic behavior; experimental research; fi
19、nite element analysis第一章 绪论1.1 研究背景高层建筑是一个城市经济繁荣和现代化的标志。随着科学技术的进步和社会经济的发展，世界各地的高层建筑如雨后春笋般层出不穷。随着高层建筑的高度不断增加，虽然能够缓解一部分由于城市人口不断增长带来的压力和城市发展用地的紧张等问题，但是，建筑物高度的增加也为建筑的设计和施工带来了很多问题。近年来，地震在世界各地频频发生，导致了巨大的人员伤亡并且给人类造成了巨大的经济损失损失。我国地处环太平洋火山地震带和地中海-喜马拉雅地震带两大地震带交界处，是地震多发国家。1976 年发生在唐山的里氏 7.8 级地震造成了 24 万余人死亡，直接经济
20、损失超过十个亿；2008 年发生的汶川地震，里氏 8.0 级，造成近 10 万人的遇难，直接经济损失达 100 亿。我国人口基数大、密度大，当地震发生时，往往会造成严重的后果，故我国建筑抗震设计规范(GB50011-2010) 1中规定：抗震设防烈度为 6 度及以上地区，必须进行抗震设计。根据规定，我国国土面积 60%以上的抗震设防烈度为 6 度及以上，大部分城市的抗震设防烈度为 7 度甚至更高，由此可见，建筑物的抗震设计在我国尤为重要。目前，在高层及超高层建筑结构中，钢结构被普遍采用，虽然钢结构具有良好的抗震性能，但是由于其较高的造价，使其在某些经济不发达地区并不适用。近年来，随着我国经济的
21、迅猛发展，在一些大、中城市高层建筑随处可见。但是，钢结构的大面积推广依然受到其高造价的制约，于是，受力合理、更加经济的混合结构在中国得到了大力的推广。混合结构(hybrid structure)是指“由钢框架或型钢混凝土框架与钢筋混凝土筒体(或剪力墙 )所组成的共同承受竖向和水平作用的高层建筑” 2或“由部分钢骨混凝土构件和部分钢构件或混凝土构件组成的结构” 3。目前，钢与混凝土混合结构已经成为一种公认的新型结构体系，它与传统的四大结构(钢结构、木结构、砌体结构和钢筋混凝土结构)并列，扩展称为第五大结构。钢与混凝土组合结构按照钢材形式与配钢方式的不同可以分为多种类型，其中，型钢混凝土结构是其应
22、用的一个主要方向。本文中所提到的混合结构特指型钢混凝土结构(steel reinforcement concrete, SRC)，又称钢骨混凝土结构或劲性钢筋混凝土结构。1.1.1 型钢混凝土结构的种类由于钢材形式与配钢方式的不同，型钢混凝土构件具有多种截面形式。其中所配型钢可以选用轧制或者焊接成型。根据配钢方式的不同，型钢混凝土构件可以分为实腹式与格构式两大类。实腹式型钢主要有工字钢、H 型钢及槽钢等，空腹式型钢是由角钢或槽钢通过焊接或其他连接方式构成的空间骨架。不同形式配钢的型钢混凝土构件截面形式如图 1.1 所示。(a) 实腹式型钢混凝土柱截面(b) 空腹式型钢混凝土柱截面(c) 实腹式
23、型钢混凝土梁截面 (d) 空腹式型钢混凝土梁截面图 1.1 型钢混凝土梁、柱常用截面形式Fig.1.1 Cross-section forms of SRC columns and beams空腹式配钢比较节约钢材，在日本和前苏联都有大量应用，但由于制作较复杂，抗震性能较实腹式配钢差，故现在已较少使用。实腹式配钢制作简单，承载力大，抗震性能好，可用于高层及超高层建筑，近年来国外大量采用该种配钢形式。本文中所研究的型钢混凝土梁柱节点即是实腹式配钢构件。1.1.2 型钢混凝土结构的特点相比于钢结构和钢筋混凝土结构，型钢混凝土结构具有下列优点：1. 承载力高，受力合理。型钢混凝土构件充分利用了混凝土
24、的抗压性能和钢材的抗拉性能。由于在混凝土中配置了型钢，与钢筋混凝土结构相比具有更高的含钢率，因此对于具有相同截面的构件，型钢混凝土构件具有更高的承载力。同时，由于混凝土的约束作用可以有效防止钢构件的局部失稳，提高了构件的整体刚度，使钢材的强度得到了充分的利用。2. 良好的抗震性能。由于在混凝土中配置了型钢，大大提高了型钢混凝土构件的延性与耗能能力，所以型钢混凝土比普通钢筋混凝土结构具有更好的抗震性能，特别适用于对抗震有较高要求的建筑物。3. 耐火、耐腐蚀性能好。由于混凝土的包裹，使型钢混凝土构件相比于钢结构具有更好的耐火、耐腐蚀性能。4. 工业化程度高，施工质量好。由于型钢主要是在工厂制作，这
25、样可以保证较高的施工质量，同时构件中的型钢可以承受施工荷载，可以提高混凝土模板的使用效率，可以大大缩短工期。5. 节约材料，经济效益好。型钢混凝土构件极大的减小了截面面积和结构自重，可以较好的实现建筑使用功能、结构抗震性能和结构经济指标三者之间的协调统一 6。虽然混合结构具有上述优点，但在实际工程的应用中也存在一些问题，主要表现在目前对该体系研究的深度、广度与实际工程有一定的差距 7,8，其中难点之一就是梁柱节点的设计和施工问题。1.1.3 型钢混凝土结构的应用欧、美等西方国家从 20 世纪初开始了对型钢混凝土结构的研究工作。美国将关于型钢混凝土柱的设计条款写入了混凝土规范(ACI-318)中
26、，同时将有关型钢混凝土梁和柱的设计规定列入了钢结构设计规范。英国标准 BS 449、BS 5400 中编入了有关型钢混凝土梁柱的设计方法和构造要求。欧洲统一规范中也有专门的组合结构规范。前苏联针对型钢混凝土结构的研究始于 20 实际 30 年代，并大量应用于实际工程中。前苏联电力部于 1951 年颁发了劲性钢筋混凝土设计规范 ，于 1978 年颁发了劲性钢筋混凝土结构设计指南 ，随后又进行过多次修订。日本在 1951 年成立了日本建筑学会型钢混凝土结构分会，并进行了大量的试验研究，并于 1958 年出版发行了第一本型钢混凝土结构设计标准。日本建筑学会在 1987 年、1998 年、2001 年
27、对该标准进行了多次修订。我国于 20 世纪 50 年代开始对型钢混凝土结构的应用，当时主要是根据苏联的设计方法将型钢混凝土结构局部应用于工业厂房。从 20 世纪 80 年代开始，我国才开始对型钢混凝土结构进行系统的研究，并且在全国各高校及研究机构的大量试验研究及工程实践的基础上，由原冶金工业部在 1998 年颁发了钢骨混凝土结构设计规程 ，建设部于2001 年颁发了型钢混凝土结构技术规程(JGJ 138-2001)。混合结构最早在 1972 年应用于美国芝加哥的 Gateway Building(36 层，137m) 4。我国从上世界 80 年代开始对混合结构体系进行系统的研究，至今在上海、北
28、京、深圳、天津以及大连等城市已有数十栋建筑建成 5。目前，我国大部分在建高层建筑采用了混合结构体系，其在我国有广阔的应用前景。到目前为止，我国建成的混合结构体系的工程中，主要是由型钢混凝土柱-钢框架梁(或型钢混凝土梁)-钢筋混凝土筒体( 或钢筋混凝土剪力墙或型钢混凝土筒体、剪力墙)构成9,10。梁柱节点主要由钢梁(或型钢混凝土梁)与型钢混凝土柱组成，设计与施工的技术水平往往表现在如何保证设计安全与顺利实现设计意图的节点构造措施上。尽管国内外对型钢混凝土梁柱节点的试验研究工作开展较多，但由于节点核心区应力状态复杂，影响因素较多，现有研究成果还不能全面有效地评估型钢混凝土梁柱节点的受力状态，尤其是
29、地震作用下的性能。因此，对混合结构体系的梁柱节点进行与工程实际结合的试验研究与理论分析是非常有必要的。本课题依托沈阳恒隆市府广场项目超高层塔楼的工程实际情况进行梁柱节点的理论分析与实验研究，为节点优化设计及简化施工提供依据。1.2 型钢混凝土梁柱节点1.2.1 型钢混凝土梁柱节点简介节点是连接梁和柱的关键部位。梁和柱的内力通过节点传递，因此节点的安全可靠是保证结构安全工作的前提 11。同时节点一般处于压弯剪复合应力状态，受力复杂，因此研究并搞清楚节点的受力性能，破坏机理，使节点设计得传力明确、计算可靠、构造合理、施工简便是十分重要的。在地震作用下，一旦某个节点遭到破坏，不仅与其相连的梁、柱不能
30、正常工作，而且该节点以上各层梁、柱均无法正常工作。在抗震设计中提出的“强剪弱弯、强柱弱梁、节点更强”的原则，充分体现了节点在结构中的重要地位。因此，应特别重视节点的合理正确的设计计算与相应的构造措施。对于型钢混凝土梁柱节点，由于梁内型钢的存在，节点核心区柱箍筋不能自由穿过，目前最普遍采用的是在梁型钢腹板开孔以使柱箍筋穿过的节点形式，由于所开孔的位置需要事先在图纸上标明，如果箍筋位置或直径更改，会给施工带来极大的不便，故需研究一种新型的构造合理的节点形式，为实际工程中的设计与施工带来方便。1.2.2 型钢混凝土梁柱节点受力机理型钢混凝土结构中梁端、柱端传递的轴力、弯矩与剪力由节点承受，使得节点处
31、于复合受力状态。节点通过混凝土、钢筋、型钢三部分有机联系传递内力 11。目前，常见的节点受力机理有刚桁架机理、钢筋混凝土桁架加钢框架-剪力墙机理和剪摩擦机理三种12。(1) 刚桁架机理。柱型钢翼缘与水平加劲肋构成一个刚性框。节点混凝土受力后形成斜压杆，可视为刚性框中的斜压腹杆。柱型钢腹板可视为刚性框中的斜拉腹杆。这样构成了图 1.1 所示的五次超静定刚桁架。当梁截面工字钢对称配置时，认为梁柱端传来的弯矩、剪力、轴力等效地作用在腹板四周的翼缘与加劲肋重心处。图 1.2 节点刚桁架受力机理Fig.1.2 Joint truss stress mechanism型钢混凝土节点受力并达到一定程度时，节
32、点区混凝土形成裂缝，若干平行的裂缝将节点区混凝土分割成斜压杆。荷载继续加大，型钢腹板剪切屈服。型钢屈服前，它有效地约束着节点混凝土，阻止着混凝土的变形。在配实腹钢的节点中，尽管型钢与混凝土之间的粘结有所破坏，但在型钢屈服前，混凝土一般不可能压碎而导致节点破坏。在配钢量适当的情况下，节点达到极限状态前，型钢一般都能达到屈服。当荷载继续增加，翼缘框四角形成塑性铰，但由于混凝土斜压杆及钢板（腹板）斜拉杆的存在，节点成为超静定桁架。只有当继续加载至型钢腹板剪切屈服，继而混凝土达到极限强度，变形达到极限压应变，混凝土被压碎，鼓出而剥落，整个节点变成可变体系，节点即告破坏。(2) 钢筋混凝土桁架加钢框架剪
33、力墙机理。节点受力由钢筋混凝土和型钢两部分来承担。其中混凝土斜压杆与钢筋（纵筋）及箍筋构成钢筋混凝土桁架，如图 1.2 所示。型钢翼缘与水平加劲肋构成“翼缘框”作为“框架” ，柱型钢腹板作为“剪力墙” ，故型钢部分构成钢“框架剪力墙”体系，如图 1.3 所示。由于翼缘的抗侧刚度比腹板小得多，因此钢“框剪”体系所受到水平剪力主要由腹板来承担。由试验观测分析，当柱上无轴力作用时，这个框剪体系基本处于纯剪状态，如图 1.4a 所示。当柱上作用有轴压力时，框剪体系处于压剪共同作用状态，如图 1.4b 所示。(a) 混凝土斜压杆 (b) 桁架 (c) 斜压杆+桁架图 1.3 节点中钢筋混凝土部分的桁架受
34、力机理Fig.1.3 Stress mechanism of reinforced concrete in joint(a) (b) (c)图 1.4 节点中型钢的“框剪”受力机理Fig.1.4 Frame-shear wall stress mechanism of steel in joint(a) (b)图 1.5 节点中型钢受力Fig.1.5 Stress of steel in joint钢筋混凝土桁架与钢“框剪”体系共同承担着传到节点的内力。达到极限状态前，钢框架的四角形成塑性铰（即翼缘框屈服） ，钢剪力墙即腹板屈服，称为机动体系。最后，因钢筋屈服，混凝土被压碎即钢筋混凝土桁架崩溃
35、，节点破坏。(3) 剪摩擦机理。剪摩擦机理适合于核心区混凝土受剪破坏、水平箍筋屈服而梁主筋尚未屈服且未发生粘结破坏的情况。核心区剪切破坏的临界裂缝常沿对角线发生，将核心区分成两大块，两块核心混凝土之间产生滑动摩擦，与主裂缝相交的水平箍筋、型钢腹板皆受拉屈服。因此，节点的抗剪能力可以由三部分组成：一部分是穿过裂缝的箍筋受拉屈服时所承担的剪力；一部分是型钢腹板屈服时所承担的剪力；另一部分是核心区的对角处，在弯曲压力下所产生的混凝土摩擦力。这三者组成的摩擦阻力即为节点的抗剪能力，故称剪摩擦机理。1.3 组合结构梁柱节点研究现状国内外对混合结构体系中不同形式的型钢混凝土梁柱节点进行了试验研究、数值模拟
36、以及施工方法等方面的研究，并取得了一些研究成果。其中，梁柱节点试验主要是针对型钢混凝土柱与钢梁或钢骨混凝土梁的连接开展研究。1.3.1 国内研究现状中国建筑科学研究院对 6 个矩形型钢混凝土柱钢筋混凝土梁的中柱节点进行了低周反复荷载试验。主要研究了这种节点的抗震性能以及轴压比、柱型钢等对节点性能的影响。华侨大学的王会丽等 13对 4 种不同连接形式的蜂窝钢梁焊接环式箍筋混凝土柱的梁柱节点试件进行了低周反复加载的拟静力试验，分析了其节点在模拟地震作用下的破坏模式、承载力、延性及滞回性能等，初步探讨了蜂窝钢梁焊接环式箍筋混凝土柱的抗震性能。通过对比发现，节点核心区的配箍率对节点的承载力有较大影响，并证明了抗震设计中“强节点弱构件，强柱弱梁”的设计原则的合理性。
