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    型钢混凝土梁柱节点抗震性能研究综述.pdf

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    型钢混凝土梁柱节点抗震性能研究综述.pdf

    第39卷第11期 2012年11月 建筑技术开发 Building Technique Development Vo1.39,No.11 NOV.2012 型钢混凝土梁柱节点抗震性能研究综述冰 孙岩波 李晨光 邓思华 1北京市建筑工程研究院有限责任公司,北京 100039;2北京建筑工程学院,北京 100044 [摘 要] 介绍了国内外对型钢混凝土梁柱节点的研究与应用进展以及相关规范,指出了型钢混凝土结构梁柱节点在 抗震研究中存在的主要问题和今后需要进一步研究的方向。 [关键词] 型钢混凝土;梁柱节点;抗震 【中图分类号]TU398 9 [文献标志码] A [文章编号] 1001523X201211000105 SUMMARY oF SEISMIC RESEARCH oN STEEL REINFoRCED CoNCRETE BEAM-CoLUMN JoINTS Sun Yan-bo Li Chen--guang Deng Si-hua [Keywords] In this paper,the stateoftheart of seismic research about steel reinforced concrete beamcolumn joints and related specifications are summarized systematically.The main problems in seismic research of the SRC beamcolumn joints are pointed out and the research work to be done in the future is suggested. steel reinforced concrete;beamcolumn joints;seismic 型钢混凝土Steel Reinforced Concrete,以下简 称SRC组合结构是指混凝土内配置型钢轧制或 焊接成型和钢筋的结构。由于SRC结构具有强 度高,刚性大,以及良好的延性和耗能性能,由SRC 构件组成的构件具有良好的抗震能力,因此SRC结 构特别适用于地震区。尤其是地震区的高层及超高 层建筑中采用SRC结构更具优越性。 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,因此节点工作的安全可靠是保证结 构正常工作的前提。同时节点处于压弯剪复合应力 状态,受力比较复杂。因此研究并弄清楚节点的受 力性能、破坏机理,使节点设计得传力明确,计算可 靠,构造合理是十分重要的。在复杂的地震作用下. 更应重视节点的合理设计。在抗震设计中,提出 课题名称全装配式混凝土框架受力性能与设计施工关键技术住 房和城乡建设部2011年科学技术项目计划 课题编号2011一K221 收稿日期20120815 作者简介孙岩波1986一,男,山东枣庄人,北京建筑工程学院结构 工程硕士在读。 “强柱弱梁,节点更强”的设计原则,充分体现了节 点在结构中的重要地位 。 尽管自20世纪80年代以来,SRC结构在高层 建筑工程中的应用也得到了快速发展,但到目前为 止,国内外对其研究的成果多集中于构件的强度、刚 度等方面的研究,对梁柱节点和SRC结构整体体系 的研究并不系统和完善。本文介绍了SRC结构梁 柱节点分类及其特点,着重总结论述了SRC结构梁 柱节点在抗震性能方面的研究现状,指出了其抗震 研究中存在的主要问题及今后的研究方向。 1型钢混凝土梁柱节点分类 SRC框架梁柱节点,是建筑结构设计和施工的 关键部位,它要求内力传递机理简单明了,不得产生 局部应力集中和局部变形,同时要求钢筋布置合理, 宜于浇筑混凝土,连接型钢及焊接隔板方便。 根据节点构造形式的不同,SRC梁柱节点类型 主要有以下3种 1SRC梁一SRC柱节点;2钢 梁一SRC柱节点;3RC梁一SRC柱节点。根据施 工工法的不同,SRC梁柱节点可以分为,现浇SRC 梁柱节点和装配式SRC梁柱节点。另外,根据所用 第11期 孙岩波,等型钢混凝土梁柱节点抗震性能研究综述 第39卷 混凝土强度的不同,SRC梁柱节点又可以分为型 钢普通混凝土SRC梁柱节点和型钢高强混凝土 HSRC梁柱节点。 2试验研究 2.1 国外研究 日本是对钢骨混凝土结构研究与应用较多的国 家,对SRC柱一SRC梁节点作了较为系统的研究。 1967年日本学者横贯义尾、若林实等进行的SRC节 点试验 研究表明,荷载较小时节点核心区基本处 于弹性阶段,钢骨腹板与混凝土的剪切变形基本一 致。当核心区形成一条主斜裂缝,沿对角线方向基 本贯通,钢骨腹板开始达到屈服。钢骨腹板屈服后, 由于箍筋和钢骨翼缘框的约束,核心区混凝土仍能 继续承受一部分剪力。此外,钢骨腹板由屈服进入 强化阶段及斜裂缝间骨料咬合和摩擦力的存在,节 点受剪承载力还可继续增加5%~20%,但核心区 剪切变形发展明显增大。1985年Koichi Minami 进行了SRC柱一SRC梁边节点的试验,采用梁端反 复加载,轴压比为0.2,试件主要发生节点核心区剪 切破坏,试验参数为型钢抗弯强度与极限弯曲强度 比。2000到2004年,Atsunori KITANO等进行了两 批1/2比例的SRC柱一SRC梁柱中节点试验 。 第一批试验结果表明对于配置十字形型钢的SRC 节点,AIJSRC规范在计算其极限承载力时,结果 过于保守,应计人与节点内腹板方向相同的翼缘 的面积,并提出改进的SRC节点承载力计算公式。 第二批试验补充了梁柱存在偏心的试件,发现相 较于RC节点,偏心对SRC节点抗剪承载力的影 响较小。 欧美对SRC梁一SRC柱节点研究较少,对SRC 柱一钢梁和RC柱一钢梁研究较多。1989年Tauqir M.Sheikh等人对15个模型比例为2/3的组合结构 梁柱节点进行了低周反复荷载和单调荷载下的试验 研究 ,其中包括SRC柱一s梁节点。通过内含 型钢柱、设置剪力键、在翼缘上焊接纵筋、改变FBP 板的厚度等不同形式的构造措施,研究不同的节点 构造对节点性能的影响。试验结果表明,矩形型钢 混凝土梁柱节点具有较高的承载能力和良好的延 性;合理的构造措施可以改善节点延性、提高节点强 度;提出了抗剪机理,给出相应的节点设计计算公 式。2002年ChungChe Chou等通过对两个足尺 SRC柱一钢梁节点低周往复加载试验 ,其中钢梁 采用的是狗骨式梁。文中详细地分析了此类节点的 受力机理,说明NEHRP规范中关于SRC节点配箍 2 量的要求过于严格;柱型钢内混凝土斜压杆仅在中 节点中形成。 2.2 国内研究 我国对型钢混凝土结构的试验研究始于20世 纪80年代。西安建筑科技大学、东南大学、西南交 通大学、冶金部建筑科学研究总院、清华大学、同济 大学、东北大学、天津大学、湖南大学、重庆大学、大 连理工大学、北京建筑工程学院等单位等对不同类 型的型钢混凝土节点的受力性能进行了大量的试验 研究。 2.2.1 SRC梁一SRC柱节点 1986年西安建筑科技大学赵鸿铁等进行了l0 个配实腹工字钢的型钢混凝土中节点低周反复荷载 下的试验 ,试验测点所有节点延性均较好,延性 系数均大于4。型钢混凝土节点耗能能力强,大约 为普通钢筋混凝土节点的3倍。并基于试验提出了 SRC节点剪切强度的实用计算公式。1990年东南 大学唐九如等对4个1/2比例的SRC边柱节点和1 个RC边柱节点进行了低周反复荷载下的试验 , 结果表明SRC节点具有良好的抗剪能力和耗能能 力;钢梁和SRC柱的组成的节点形式比SRC梁一 SRC柱的节点有更好的延性和耗能能力,应优先采 用。SRC节点的抗剪强度可由型钢腹板、混凝土、 箍筋三部分的抗剪能力组成,并提出相关计算公式。 1992年西南交通大学陈家夔等对15个劲性钢筋混 凝土节点的静力和抗震性能试 。试验发现顶层 边节点在正、负弯矩作用下的抗剪机制不同,负弯矩 作用下的抗剪强度高于正弯矩时。2001年西安建 筑科技大学薛建阳等根据8个型钢混凝上节点在低 周反复荷载作用下的试验 ,研究了型钢混凝上节 点的破坏形志、滞回特性、延性及刚度退化等力学性 能,在此基础上提出了相应的连接构造方法。2004 年湖南大学的陈勇等进行了3组缩尺比为13共 6个SRC梁柱节点低周反复荷载下的试验 ,重点 研究了型钢混凝土梁柱节点的破坏性态、延性、耗能 以及较大轴压力对试件性能的影响等,试验中,在加 载后期,柱型钢翼缘处会出现竖向裂缝,并不断延伸 发展。因此建议设置剪力栓等措施,以增强混凝土 与型钢的粘结作用。 2.2.2钢梁一SRC柱节点 2002年福州大学陈伟恩等进行了SRC柱一钢 梁的中节点和边节点的低周反复荷载下的试验,同 时用ANSYS进行了有限元数值模拟 。试验发现 钢梁一SRC柱节点在柱端低周反复荷载作用下,与 第39卷 孙岩波,等型钢混凝土粱柱节点抗震性能研究综述 第11期 普通SRC节点相比较,具有更好的延性与耗能能 力;钢梁一SRC柱节点的型钢与混凝土的粘结性能 较差,试验中,在加载后期,柱型钢翼缘处出现了很 明显的竖向裂缝,并不断延伸扩展,形成主裂缝。 2002年北京工业大学邹景春通过5个钢梁一SRC 柱节点在低周反复荷载下的试验 ,其中3个节点 是按“强柱弱梁、强节点弱构件”原则设计,另外2 个节点为“强梁弱核心”构件包括核心区带FBP板 的构件和相应对比试件,试验发现按照强柱弱梁 设计的构件塑性变形区域集中在梁端塑性铰区,而 节点核心区始终基本完好,其节点承载力由梁端承 载力控制,延性、耗能均能满足要求。加强了对核心 区混凝土的约束,并扩大了核心区混凝土参与抗震 的范围。因而提高了承载力、延性和耗能。2011年 北京建筑工程学院司建超进行了两个钢梁一SRC 柱节点低周反复荷载下的试验并对节点进行了 ABAQUS有限元分析Ⅲ ,其中一个为型钢混凝土 柱一钢梁水平剪力板新型组合节点。试验发现型钢 混凝土柱一钢梁节点有良好的延性、耗能能力和受 剪承载力。新开发的这种节点具有很好的受剪承载 力,且施工方便,减少型钢开洞的受力损失,有很好 的工程应用前景。 2.2.3 RC梁一SRC柱节点 2000年北京市建筑设计研究院和清华大学叶 列平等提出了两种RC梁一SRC柱节点连接形式, 并开展了RC梁一型钢混凝土柱的节点试验” ,重 点考察节点连接形式是够可靠及含钢量、配箍率对 节点性能的影响,试验结果表明梁纵筋在核心区焊 接在牛腿上的连接方式的内力传递是可靠的;含钢 量和钢骨形式对节点的承载力有很大影响;箍筋对 提高节点抗剪承载力有一定作用,但若含钢量较大 时,可以适当减小节点配箍率,以方便施工。2002 年东南大学钱东江等针对实际工程中出现的钢筋混 凝土梁部分纵筋穿过柱型钢翼缘的十字形节点,对 其受力性能和试件破坏过程进行了试验研究 ,文 章建议柱型钢翼缘的缺损率应控制在20%以内,穿 过节点的梁内纵筋面积不宜超过纵筋总面积的 40%,并确保其余纵筋在钢牛腿上的焊接长度及形 式符合计算和规范要求。2007年同济大学梁威通 过4个不同构造的SRC节点,考虑轴压比影响的低 周反复加载拟静力对比试验 。四种节点破坏都 发生在梁端,在节点屈服时,梁纵筋大部分达到屈服 应变;节点屈服时,柱内型钢都未发生屈服,型钢腹 板接近于纯剪切状态;箍筋承担一部分剪力,其抗剪 作用主要在混凝土开裂后才发挥。 2.2.4型钢高强混凝土HSRC梁柱节点 1999年同济大学张誉等就两个不同梁柱刚度 比、内置实腹I字钢的钢骨高强混凝土C75梁 柱十字节点试件分别进行了低周反复荷载下的试 验 ,试验发现高强型钢混凝土HSRC梁柱十字 节点在梁端反复荷载作用下承载力较高,与普通混 凝土节点相比具有较好的延性与耗能能力,位移延 性系数内可达到3以上。其中强柱弱梁型节点承载 力、延性、耗能能力均优于强梁弱柱型节点。HSRC 梁柱十字节点抗剪贡献由高强混凝土、型钢腹板、箍 筋三部分组成,其缘框对节点起约束作用,不直接参 与节点抗剪,其中高强混凝土在抗剪贡献中占大部 70%。2003年东北大学的徐亚丰等通过5个 RC梁一高强混凝土型钢混凝土柱HSRC边节点 低周反复荷载下的试验研究 ,明确了RC梁一 HSRC柱边节点的破坏模式,得到了RC梁一HSRC 柱节点的位移延性系数、等效粘滞阻尼系数及影响 因素;建立了RC梁一HSRC柱边节点的抗裂及抗剪 承载力计算公式;明确了梁边节点各加载历程的损 伤变化,分析了含钢率、轴压比和节点核心区配箍率 对损伤性能的影响,给出了节点的损伤模型;建立了 节点的有限元模型,进行数值模拟计算。2008年大 连理工大学刘博通过6个型钢混凝土梁一型钢超高 强混凝土柱的低周反复荷载试验 ,分析了轴压 比、配箍率等因素对其抗震性能的影响,建立了适用 于型钢混凝土梁一型钢超高强混凝土柱节点的抗裂 承载能力计算理论与实用计算公式。试验得出型钢 超高强柱节点的滞回曲线比钢筋高强混凝土梁柱节 点的滞回曲线丰满,外包面积大,延性较好,耗能能 力较强,但较普通型钢混凝土节点和纯钢节点,其滞 回曲线的丰满程度及耗能能力相对较差,且配箍率 越高,节点滞回曲线越平缓,其外包面积越大,延性 越好。2009年湖南大学黄英省通过9个型钢高强 混凝土HSRC边节点在低周反复荷载试验 ,与 钢筋混凝土结构框架节点的滞回曲线相比,HSRC 框架边节点的滞回曲线比较丰满,外包面积大,具有 较好的延性性能和耗能能力;由于高强混凝土的脆 性,与SRC节点相比,其滞回曲线的丰满程度不如 后者,延性性能和耗能能力也相对较差;对试件梁型 钢翼缘进行“狗骨式”削弱以后,塑性铰可以出现在 梁上较长的削弱部分,能更好的发挥型钢的特性,并 且在强度上没有使整个节点的承载力降低,试件滞 回曲线丰满,外包线面积也相对较大,具有相对较好 第11期 孙岩波,等型钢混凝土梁柱节点抗震性能研究综述 第39卷 的延性和较强的耗能能力。因此,对梁型钢翼缘进 行削弱可以很好的改善节点的抗震性能。2009年 大连理工大学闫长旺对12个钢骨超高强混凝土 柱一钢骨混凝土梁SRUHSC柱一SRC梁框架节 点,进行低周反复荷载作用下的抗震性能试验研 究 。试验参数考虑了轴压比、配箍率和钢骨形式 的变化。试验结果表明,该类节点具有良好的延性 和耗能能力;随着轴压比的增加或配箍率的减少,延 性和耗能能力有明显降低,刚度与强度退化增快;内 置十形钢骨有利于改善框架节点的抗震延性与耗能 能力,缓减刚度与强度退化。 2.2.5装配式SRC梁柱节点 2005年天津大学李忠献、张雪松通过对2组、 每组2个足尺寸节点试件进行的低周反复循环荷载 试验 ,研究了装配整体式钢骨混凝土框架节点的 抗震性能;其中第一组试件为按“弱节点”设计的中 节点,第二组试件为按“强节点”设计的边节点,且 对第二组的1个试件的节点核心区附近框架梁H 型钢的上、下翼缘采取狗骨式削弱的构造措施。试 验结果表明在相同轴压比的条件下,2组试件均有 较好的延性,且第二组试件的耗能能力明显高于 第一组试件;对节点核心区附近框架梁H型钢翼 缘采取狗骨式削弱,能够将框架梁的塑性铰从梁 端根部转移到削弱部位,从而有效地提高节点的 抗震性能;节点核心部分和梁拼接部位的型钢腹 板采用高强螺栓连接、钢筋采用套管连接的构造 方式是安全的。 3工程应用 3.1 国外应用 型钢混凝土结构在20世纪初在西方国家和13 本就开始应用。日本是世界上应用型钢混凝土结构 最多的国家,在13本6层以上建筑,采用型钢混凝土 结构的约占45.2%,10~15层的建筑约有90%采 用型钢混凝土结构;16层以上的建筑则有50%采用 型钢混凝土结构,50%采用钢结构。由于型钢混凝 土结构具有刚度大、抗震性能好及承载能力高等优 点,国外已应用型钢混凝土结构建成了大量的高层、 超高层建筑 ,如美国休斯顿第一城市大厦,49层, 高207 m;休斯顿得克斯商业中心大厦,79层,高 305 m;达拉斯第一国际大厦,72层,高276 m;日本 北海饭店,36层,高121 m;新加坡财政部办公大楼, 55层,高242 m;雅加达中心大厦,21层,高84 m;悉 尼款特斯中心,高198 m。 4 3.2 国内应用 20世纪80年代后期,随着我国高层建筑的发 展,型钢混凝土结构开始得到应用。北京新世纪饭 店,较早采用了型钢混凝土柱;北京香格里拉饭店, 24层,柱子均为型钢混凝土柱;北京的亮马河大厦 采用了型钢混凝土梁;北京长富官饭店地上25层, 地下3层,高88 m,地下部分至二层为型钢混凝土 结构;上海瑞金大厦,地下1层,地上27层,1~9层 为型钢混凝土结构;上海金茂大厦外框采用了8个 型钢混凝土巨型柱 ’ 。近年来除北京、上海之外, 广州、深圳、重庆、成都、武汉等地也先后建造了型钢 混凝土结构建筑。 4国内外相关规范 目前日本采用的规范为,1987年日本建筑学会 出版的SRC结构设计规范第三版AIJSRC,由 于没有考虑型钢与混凝土之间的相互约束作用,该 规范的设计结果偏于保守。美国的ACI规范及 AISCLRFD规范中仅包含型钢混凝土结构的非抗 震设计内容,而NEHRP规范则在综合前两规范的 基础上,纳入了组合结构抗震设计这部分内容。前 苏联规范SRC结构设计指南cN378以下简 称前苏联规范以实腹式型钢为主要内容,认为型 钢与混凝土之间具有可靠的粘结力,即将型钢与混 凝土视为一个整体,设计结果偏于危险。1985年由 英、德、法及荷兰四国共同制定了欧洲组合结构设计 规范EurocodesEuropean Codes,Commission of European Communities,此规范假定型钢与混凝土 完全交互作用,构件截面仅有一个对称轴,将型钢与 混凝土按矩形应力块理论考虑,采用极限强度设计 方法设计 。 至今我国实际上尚未有型钢混凝土结构的设计 规范出台。原冶金工业部于1997年颁布了行业标 准钢骨混凝土结构设计规程E2s],这套规程基本 上套用日本规范,构件承载力计算采用的是型钢和 钢筋混凝土强度叠加理论,并于2007年进行了修 订,增加了含有钢骨混凝土构件建筑结构的抗震等 级等内容。国家建设部于2002年颁布了型钢混凝 土组合结构技术规程。该规程中引入了平截面假 定,基本上反映了我国对型钢混凝土结构研究的最 新成果,其设计思路基本上与我国钢筋混凝土结构 的设计思路一致,比较适合我国设计人员的设计 习惯 。 5小结与展望 本文介绍了SRC梁柱节点分类、SRC结构在国 第39卷 孙岩波,等型钢混凝土粱柱节点抗震性能研究综述 第11期 内外的应用及国内外相关规范,总结了国内外对 SRC梁柱节点的研究成果,研究表明SRC梁柱节 点耗能、延性良好,适于在抗震地区和高层建筑中采 用;HSRC梁柱节点的抗震性能比RC梁柱节点好, 但比SRC梁柱节点差;梁型钢翼缘削弱的装配式 SRC节点具有良好的抗震性能。总体说来,国内 外对SRC梁柱节点的抗震性能做了较多研究,但 还不够完善,本人认为还需从以下几个方面来进 行研究。 1开展SRC节点空间性能和动力试验研究。 由于试验条件限制,对SRC节点所作的研究绝大多 数为平面静力试验,未考虑实际工程中通常存在的 平面外纵向框架梁和地震作用下瞬间动力荷载对节 点受力的影响。 2开展钢与混凝土粘结性能研究。现有研究 表明 ,在加载后期,柱型钢翼缘处出现了很 明显的竖向裂缝,并不断延伸扩展,此时钢骨和混 凝土之间将产生较大的相对滑移,变形不能协调 一致,因此有必要研究该类构件在地震荷载作用 下的粘结滑移问题,并建立相应的粘结一滑移分 析模型。 3开展装配式SRC梁柱节点抗震性能研究。 由于装配式混凝土结构具有施工速度快、节约材料、 有利于建筑工业化、经济和社会环境效益好等优点, 因此工程界积极倡导开展装配式混凝土研究与应 用。然而目前国内外对装配式SRC梁柱节点研究 较少,装配式SRC节点抗震性能及构造要求等有待 于进一步研究。 参考文献 [1]中华人民共和国行业标准.型钢混凝土组合结构技术规程 JGJ138--2001[S].北京中国建筑工业出版社,2002 [2]赵鸿铁.钢与混凝土组合结构[M].jE京科学出版社,2001 [3]刘维亚,张兴武,姜维山,吴真一,巴桂江.型钢混凝土组合结构 计算与构造手册[M].北京中国建筑工业出版社,2004 [4]吴平川,张令心,杨克勇.钢骨混凝土构件的受力性能研究综述 [J].世界地震工程,2007,2341318 [5]Koichi Minami.Beam to Column Stress Transfer in Composite Structures[J].ASCE,1985215226 [6]Atsunori KITANO,Yasuaki GOTO and Osamu JOH.Investigation on Stress-Transfer Mechanism of SRC Interior Beam-Column Joints[C]. 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