型钢混凝土梁柱节点抗震性能的试验研究

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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，进行低周反复荷

3、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，证明了其具有良好的耗能

4、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形箍筋替代闭合箍筋是可行的；（2）SRCJ-03加以改进

5、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, highlights the intense of urba

6、n 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 the fortes of both steel an

7、d 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 restrict the popularization

8、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 still little. The beam-colu

9、mn 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 of steel beam. But in the

10、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, proposed three types join

11、t 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 phenomenon and measured data, com

12、pare 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, and joint cores were keepin

13、g 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 than SRCJ-01, that proved t

14、he 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 has the best bearing capac

15、ity 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 experiment were coincided,

16、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 analysis, we can get the concl

17、usions: 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 constructed in the form was a g

18、ood 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; finite element analysis第一章 绪

19、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，直接经济损失超过十个亿；2008年发生的汶川地震，里氏8.0级，造成近

20、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，

21、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

22、 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 Cr

23、oss-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

24、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。

25、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，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

26、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

27、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

28、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

29、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。

30、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

31、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，

32、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

33、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 str

34、ess 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，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

35、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

36、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。北京建筑工程学院的闫兴华等14针对钢混凝土组合结构中梁柱节点的三种不同连接形式，概述目前国内外的设计计算方法，并指出了我国规范对节点设计方法是基于完全刚接和理想铰接的假设，这与实际工程有出

37、入，有必要提出与实际受力更为符合的设计方法以改进设计精度；暗钢梁组合节点的研究还不够深入，对暗钢梁端板连接节点处螺栓、端板的取值问题还需进一步研究等问题。北京市建筑设计研究院的侯光瑜15等人以北京LG大厦工程为背景，分别以“弱梁强柱强节点”和“强梁弱柱弱节点”的设计原则设计了两组共6个圆形截面组合柱钢梁框架节点试件，并进行了低周反复荷载试验。试验结果标明，按“弱梁强柱强节点”原则设计的试件发生梁铰型破坏，节点核心区始终保持基本完好，试件承载力由梁端承载力控制，延性和耗能均满足设计要求；按“强梁弱柱弱节点”原则设计的试件的破坏模式为节点核心区破坏，但其性能明显优于钢筋混凝土框架节点，能满足抗震要

38、求。东南大学的程文瀼等16研究了在钢管上开孔对配有圆钢管的钢骨混凝土柱钢筋混凝土梁组合框架节点受力性能的影响，并本别对不开孔的、开穿筋小孔的和开矩形大孔的三种节点进行了低周反复加载的试验研究。试验结果标明，开穿筋小圆孔的节点受力性能最好，主要是由于穿过圆钢管的梁主筋与钢管内的混凝土有很好的粘结；在钢管的小孔处形成了钢筋混凝土抗剪销钉，小圆孔也使得钢管内外的混凝土得以沟通；同时钢管参加受剪的主要部位位于节点高度的中部，故在节点上下边缘处开小圆孔对节点受剪性能影响不大。该研究成果已应用于南京新世界大厦，并对研究其他的组合框架节点具有很好的参考价值。台湾科技大学的Cheng-Cheng Chen等1

39、7, 18进行了双向加载和单向加载的5个大尺寸的型钢混凝土梁柱节点在低周反复荷载作用下的力学性能与强度试验。试验结果表明，型钢混凝土梁的纵向钢筋的锚固长度对节点的抗剪强度与裂缝形式有明显影响；在节点区采用马蹄形的箍筋可以对柱的纵向钢筋产生明显的约束作用，并可以替代封闭箍筋从而避免了在梁型钢腹板上开孔；型钢混凝土梁柱节点在反复荷载作用下的荷载位移曲线的颈缩现象也不如钢筋混凝土节点明显。同济大学建筑设计研究院的禹慧等19以上海世博会主题馆的工程为实例，通过对4个节点模型进行的低周反复荷载试验，研究了预应力混凝土梁钢骨变截面劲性柱节点的破坏特征和受力性能。试验结果表明，预应力混凝土梁钢骨变截面劲性柱

40、节点典型破坏形态是梁端弯剪破坏，该类节点的延性与混凝土梁柱节点相似，柱内型钢可提高节点的承载能力及刚度；柱内钢骨变截面可有效改善节点的延性性能，而对承载能力没有影响；节点处混凝土的浇筑质量对节点的整体受力性能影响较大。并且根据对试验结果的分析，给出了设计和施工的建议。福州大学结构工程研究所的房贞政等20研究了劲性柱钢梁节点的受力性能，并对劲性柱钢梁节点进行了拟静力试验研究，分析了劲性柱钢梁节点在模拟地震作用下的破坏形态、承载力、延性、滞回性能等。并得出了初步结论：劲性柱钢梁节点在柱端低周反复荷载作用下，比普通SRC节点相比较具有更好的延性与耗能能力。同济大学的张卫海等21对两个1:3缩尺比例的

41、型钢混凝土梁混凝土柱十字节点试件进行了梁端低周反复加载试验，并分析比对了节点构造方式的强度、延性与耗能能力，指出了钢筋混凝土构件附加型钢以后，极限承载力较钢筋混凝土构件有较大提高，但比型钢混凝土构件低；两种不同的锚固方式均取得了较好的效果，锚固端充分发挥了抗弯作用，延性与耗能能力均比普通钢筋混凝土构件有较大提高。同时，作者根据试验结果，提出了实用承载力计算公式，为工程设计与施工提供科学依据。东南大学的高伟等22根据型钢混凝土节点的受力机理，分析了节点的受剪承载力的组成，对国内的4个典型的受剪承载力公式计算的理论值与试验值进行了对比分析。作者认为，对于采用普通混凝土的节点，4个计算公式都偏于安全

42、，其中，JGJ138-200123中提供的计算公式最安全；对于高强混凝土的节点，我国梁柱节点专题组和组合结构设计原理24中西安建筑科技大学建议的公式所得到的理论值与实测值比较吻合，对于高强混凝土也有一定的参考价值，而JGJ138-2001过于保守。台州职业技术学院的汪洋等25进行了3组共六个钢纤维型钢混凝土梁柱组合体试件在低周反复荷载作用下的拟静力试验。根据试验结果，给出了试件的滞回曲线，分析了梁中钢筋和型钢的粘结退化机理。作者通过对比梁正、反两面节点裂缝形态，加入钢纤维之后可以有效阻止节点的裂缝发展，可以防止因节点剪切裂缝过大而导致节点提前失效。清华大学的聂建国等26基于对分别采用内隔板、外

43、部板及螺栓锚固的方钢管混凝土柱型钢混凝土梁连接节点试验研究的结果，使用ANSYS软件建立了三种不同连接方式的三围非线性有限元模型并进行了力学性能分析。有限元分析中采用了单调加载和循环加载两种方式，采用有限元分析得到的荷载-位移曲线和剪力应变曲线与试验得到的结果基本吻合，分析单调加载方式下采用外隔板的参数来研究轴压比、宽厚比及外隔板尺寸的影响，结果发现在剪切破坏模式下，轴压比和尺寸对外隔板的强度、刚度的影响非常小，而钢管的宽厚比的影响非常大。聂建国等27介绍了核心型钢混凝土组合结构体系在高层住宅中的应用前景和性能优势，分析了核心型钢混凝土组合结构体系在国内外的研究现状，并探讨了核心型钢混凝土组合

44、结构目前存在的主要问题。同时对21个不同配钢形式的核心型钢混凝土柱试件进行截面非线性分析，分析结果表明，各种形式核心配钢均能有效提高柱截面在较高轴压比下的曲率延性系数。在综合分析的基础上，提出了核心型钢混凝土组合结构体系的抗震设计建议和深入研究思路。东南大学的钱东江28采用试验研究与理论分析的方法，结合实际工程，重点对钢骨混凝土结构中柱钢骨翼缘开孔的正节点和钢骨混凝土柱-钢筋混凝土梁斜节点的抗震性能、构造措施和设计方法进行了研究。通过建立不同的模型进行分析后，给出了相关的构造措施和设计建议。在试验的基础上对斜节点进行了有限元分析，相关结果与试验相吻合，提出了可将斜节点所受剪力进行正交分解，然后

45、按正节点的方法进行节点设计的观点。呼伦贝尔学院的张济梅29指出了组合结构相比钢筋混凝土结构与钢结构所具有的优点，同时也指出了组合结构的不足。分析了影响组合结构梁柱节点承载力及延性的因素，并引入了工程实例论证，最后得出组合结构框架梁柱节点抗震性能优良，可以保证组合框架结构在8度区推广使用的结论。东南大学的陈丽华30等人分析比较了当前较常用的型钢混凝土梁柱节点的构造形式、受力性能和影响因素。并根据已有的节点试验资料，对国内关于节点抗剪承载力计算公式进行分析比较，进而指出了我国型钢混凝土梁柱节点的试验研究较片面、内力传递机理不明确等不足。同济大学的崔大光等31指出了梁纵筋如何贯穿型钢柱是型钢混凝土结

46、构梁柱节点构造设计的难点。我国现行规程不推荐梁纵筋穿柱型钢翼缘或与柱型钢翼缘直接焊接，原因是翼缘被过大削弱或焊接产生的残余应力对柱抗弯十分不利。规程对梁纵筋穿柱型钢腹板后饿腹板截面缺损率规定了具体的限值，3中规定“截面缺损率不应超过腹板面积的20%”；23中规定“型钢腹板截面损失率宜小于腹板面积的25%”。对于配置较多纵筋的钢筋混凝土梁很难满足截面缺损率限值的要求，华森建筑与工程设计顾问公司的刘维亚等32在实际工程中采用镦粗直螺纹钢筋接头解决这一问题，简化了梁柱接头的构造。东南大学的殷杰等33针对实际工程中出现的梁纵筋必须穿过柱型钢翼缘的SRC节点，进行了节点抗震试验，根据模型试验和有限元分析

47、，提出了两种节点构造形式。徐州市建筑设计研究院的燕国强等34结合徐州国际商厦的工程实际，采用1:3的试验模型，设计了三种不同构造形式的梁柱斜节点试件进行梁端反复加载试验研究。通过对实验数据的分析整理，得出试件始于混凝土梁的受弯破坏混凝土梁的受弯破坏，而钢骨柱及节点核心区未受破坏，该种类型的节点具有良好的延性及耗能能力，满足“强节点弱构件”、“强柱弱梁”的抗震设计要求。南京工业大学的学者35在实腹式钢骨混凝土异形柱和桁架式钢骨混凝土异形柱的基础上，提出了蜂窝状钢骨混凝土异形柱。并利用ANSYS软件对蜂窝状钢骨混凝土异形柱进行了钢骨腹板开洞率、配钢率、加载角、偏心距等因素对异形柱力学性能的影响。模

48、拟结果标明：钢骨含钢量越大，加载角度越大及偏心距越小，柱子的承载力也越大，而钢骨腹板开洞率对柱子的承载力影响是有限的。西南交通大学的陈家夔等9进行了6个顶层边节点的矩形型钢混凝土柱型钢混凝土梁节点试件模型进行了单调加载试验研究，通过改变节点核心区内型钢腹板的厚度以比较型钢腹板的作用，并与纯钢结构节点受力性能进行对比，并得出了一些研究成果。东南大学的唐九如等36对5个按照1:2比例设计的边柱节点进行了低周反复荷载试验，重点考察了节点核心区的抗剪机理、抗剪强度，并与钢筋混凝土节点进行对比试验，同时研究了箍筋对节点性能的影响。西安冶金建筑学院的姜维山等37进行了10个矩形截面型钢混凝土柱型钢混凝土梁

49、中柱节点在低周反复荷载下的试验。通过试验探讨了型钢混凝土节点的破坏模式、抗剪强度、轴压比及钢骨腹板对节点性能的影响，同时，做了纯钢节点的对比试验，在试验的基础上提出了劲性钢筋混凝土节点剪切强度的实用计算方法。1.3.2 国外研究现状近30年来，日本是世界上应用型钢混凝土结构最多的国家，也是研究型钢混凝土结构较多并且较深入的国家之一。日本是个多地震的国家，其规范规定高于45m的建筑不得采用钢筋混凝土结构。在日本约45%的6层以上建筑采用了型钢混凝土结构，约90%的1015层的建筑采用了型钢混凝土结构，16层以上的建筑有50%采用型钢混凝土结构，50%采用钢结构。20世纪3070年代，日本建造的型

50、钢混凝土结构主要采用空腹式型钢，70年代之后主要配置实腹式型钢。在1923年的关东大地震、1968年的十胜冲地震及1995年的阪神地震中，采用型钢混凝土结构的建筑物基本未遭破坏，这推动了日本学者对型钢混凝土结构的研究与应用的热潮。在1928年，日本学者做了中心受压柱的试验，并于1932年做了梁柱节点试验。自1954年以来，日本对型钢混凝土结构规程进行了4次修订工作。日本的Pansourian对16个组合矩形梁柱节点进行了试验研究，重点研究在水平剪力作用下组合矩形梁柱节点的抗剪性能及传力机理，并与3个纯钢结构的节点进行了比较，推导出组合矩形梁柱节点在弹性阶段、开裂阶段以及屈服后阶段的剪切变形公式

51、，以适用于非线性矩阵桁架分析的形式给出了在塑性阶段节点的延性系数，同时也得出了组合矩形梁-柱节点具有自身的优越性的结论。美国的学者Tauqir M. Sheikh，Gregory G. Delelein，Joseph A. Yura和James O. Jirsa38等人对15个3:2的组合结构矩形梁柱节点分别进行了低周反复加载和单调加载下的试验研究，根据试验结果，得出的主要结论为：矩形钢骨混凝土梁柱节点具有较高的承载能力和良好的延性性能；合理的构造措施可以提高节点的强度、改善节点的抗震性能，并给出了相应的节点设计计算公式。Koichi Minami39进行了8个边柱节点的低周反复荷载试验，根据

52、试验结果阐述了钢梁组合柱节点剪力传递机理，并提出了一个合理的传力模型，这个模型能较准确地预测节点的极限强度，并于试验结果吻合良好。美国Nippon钢材公司的研究院Ryoichi Kanno和美国康奈尔大学的副教授Goregory G. Derieriein40研究了钢筋混凝土柱钢梁节点的抗震性能，提出了不同的破坏模型和节点构造，研究结果为美国关于此种类型节点设计指南所使用。日本和美国的几所大学和研究机构对型钢混凝土进行了有限元研究，并得出了一些结果。科罗拉多大学41进行了考虑滑移和部分组合效应的组合梁有限元建模分析。康奈尔大学41编制了二维和三维钢桁架和型钢混凝土桁架的静力和动力分析程序，其中

53、，在非线性分析中，包括了钢、混凝土和组合构件的刚度退化效应对梁柱节点塑性性能的影响。Georgia Cech41编制了组合梁钢柱桁架的分析程序。H. Noguchi41对型钢混凝土梁柱节点进行了三维非线性有限元分析。结果标明，美国规范中的节点强度公式存在一个约10%15%的保守值，这与试验测试结果一致。在这个梁柱节点有限元分析中，考虑了裂缝的开展和闭合、型钢与混凝土之间的粘结滑移以及梁型钢与周围混凝土之间的粘结滑移的影响。K. Uchida和H. Noguchi41对一个型钢混凝土桁架进行了三维有限元分析，其中包括了梁柱节点区的详细连续建模分析。结果表明，在非线性分析中，粘结行为对节点的性能有

54、重要的影响。日本千叶大学的学者41在其研究报告中指出，详细的有限元分析能够精确的模拟梁柱节点的非线性行为，是对节点性能研究的有效工具。因此，此类研究应进一步进行，可用来对试验研究中感兴趣的参数进行研究。1.4 组合结构梁柱节点研究存在的问题近年来，为了建立型钢混凝土结构梁柱节点的合理设计方法，国内外学者进行了许多试验研究与理论分析，研究了型钢混凝土结构梁柱节点的受力性能、破坏机理及影响因素，并在此基础上提出了一些计算方法。但是，由于型钢混凝土结构是由型钢与混凝土组合而成，对于该种结构的节点区剪力的传递、分配等仍无明确的理论依据。目前，对于型钢混凝土结构梁柱节点的研究仍落后于工程实际应用，仍需要

55、进一步进行研究。首先，虽然目前国内许多学者对型钢混凝土梁柱节点进行了研究，但是这些研究主要都是偏与某一方向，而且简单的针对某一情况做试验或者进行有限元分析，并没有形成一个完整的体系，这给将这些研究成果应用于工程实际带来了一些困难。其次，虽然我国已经颁布了关于型钢混凝土结构设计的相关规程，但是其中仍有一些问题有待进一步研究。例如，节点区箍筋不可避免的需穿过梁型钢腹板，对于梁型钢腹板的开孔率没有明确的规定；在实际工程中，往往会遇到梁与柱斜交的情况，而规范中并没有具体的梁柱斜交的承载力计算公式等等。最后，由于型钢混凝土结构具有钢结构及混凝土结构所不具备的优点，故其在我国有着广泛的应用前景，其理论计算

56、公式还有待进一步完善，因此还有许多后续工作要做。1.5 课题的提出目前，实际工程中型钢混凝土结构梁柱节点主要采用在梁型钢腹板上开孔，柱箍筋穿过型钢腹板的形式。但在采用这种节点形式时，在制作钢构件时，需要很精确的确定柱箍筋的位置，然后在梁型钢上腹板开孔，否则柱箍筋无法穿过梁型钢腹板，这不但给构件的加工增加了一道工序，而且会带来不必要的经济损失等。故有必要提出一种构造简单、受力合理的新型梁柱节点形式。本文针对上述原因，提出了两种新型梁柱正交及一种梁柱斜交的节点构造形式。第一种梁柱正交节点形式是在采用U型箍筋代替节点核心区的水平闭合箍筋；第二种梁柱正交节点形式是将节点核心区附近的梁腹板整块切去，并在

57、梁型钢翼缘上下分别焊接三角形加劲肋补强。梁柱斜交的节点形式，分别将柱中截断的纵筋与梁纵筋焊接在钢筋锚固板上。在组合结构体系的设计与计算中，梁柱节点是很重要的问题之一。节点处受力复杂，在地震作用下节点的性能决定了整个建筑能否正常使用，对梁柱节点的研究是重中之重，故本文基于沈阳恒隆市府广场超高层塔楼这一实际工程，对上述几种节点形式进行试验研究与理论分析。1.6 课题的主要工作1.6.1 课题的研究内容通过阅读大量参考文献，在总结之前各高校及科研机构所研究的节点形式后，提出连接方式合理、传力路线明确及施工简便的梁柱节点形式。在提出上述几种节点形式后，根据实际工程情况，考虑柱端轴压比、约束条件等实际情

58、况，研究这几种节点形式的抗震性能。本课题的主要研究内容如下：(1) 进行新型型钢混凝土结构梁柱节点形式大比例模型的低周反复荷载的试验研究；(2) 通过对试验过程的观察及对结果的分析，研究新型梁柱节点的破坏模式、变形性能、刚度退化规律、滞回曲线特性及延性耗能性能等抗震性能参数；(3) 初步分析节点核心区的剪切变形、节点核心区的混凝土、钢筋、型钢的应变分布情况、节点核心区滞回曲线特征、骨架曲线特性、耗能能力并与梁端抗震性能指标进行比较；(4) 运用大型有限元分析软件ABAQUS，建立新型梁柱节点弹塑性数值模型，通过变换参数，进一步研究轴压比、含钢率、体积配箍率等参数对节点力学性能的影响。并提出混合

59、体系梁柱节点的抗震优化设计方法和构造措施，为混合结构体系的发展和更广泛的推广应用提供依据。1.6.2 课题的研究方法本课题是混合结构体系梁柱节点试验研究与理论分析。课题的实施采取理论分析、有限元分析和试验研究相结合的研究方法，采取循序渐进的技术路线和步骤：首先搜集相关资料进行理论分析，然后对构件做初步设计，勾勒出具体的模型，确定构件尺寸后，采用ABAQUS软件进行有限元分析，然后加工试件，进行具体试验，之后对试验得出数据进行分析，与有限元分析得出的结论进行对比，最后得出试件在荷载作用下的P-滞回曲线、P-滞回曲线，通过对P-滞回曲线、P-滞回曲线和骨架曲线的分析，得出其受力机理和破坏过程，评估

60、其耗能能力和延性性能，并对混合结构体系中梁柱节点设计提出建议。第二章 型钢混凝土结构中间层梁柱边节点的试验研究2.1 试验目的近年来，世界各地地震频发，给人类造成了巨大的伤亡及经济损失。通过震后对各种建筑物的调查发现，框架结构发生破坏的位置大多数是柱子和梁的节点区。节点的破坏往往会导致整栋建筑物的破坏甚至倒塌，主要原因是由于节点区受力情况复杂，其往往处于弯剪扭共同作用下。由于节点处于复杂的应力状态下，将导致节点区发生复杂的变形，其中主要是剪切变形，节点在剪力的作用下剪切开裂、剪断破坏。而且，节点破坏后修复也比较困难。因此，研究节点的抗震性能具有重大的实际意义。为了研究框架结构抗震性能，对于框架

61、结构梁柱节点即梁端、柱端与核心区的组合体施加低周反复静力荷载的试验，是目前国内外常用的一种试验方法42。因此，本试验拟从以下几个方面进行研究：(1) 分析型钢混凝土框架中间层梁柱边节点在低周反复荷载作用下的基本性能、承载能力及破坏特征，塑性铰出现的位置；(2) 观察节点核心区混凝土的裂缝分布及其开展规律；(3) 实测P-滞回曲线、节点核心区剪切变形和塑性铰区转动值，探讨型钢混凝土框架中间层梁柱边节点的延性、耗能能力和刚度退化等参数；(4) 根据应变值的变化，分析梁型钢翼缘的抗弯性能，节点核心区柱型钢腹板和箍筋的抗剪性能。通过对上述内容的研究，为型钢混凝土结构中间层梁柱边节点在实际工程中的应用提

62、供科学依据。2.2 试件设计2.2.1 试件设计原则在实际工程结构设计中，应使节点的设计能够保证整个框架既安全可靠又经济合理，并保证节点处传力路线明确、构造简单。同时，使整个框架具有必要的承载能力、良好的变形能力和耗能性能，并遵守“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”的原则。所以，节点试验最理想的效果是让框架梁部分首先屈服，在梁端形成塑性铰，以吸收和耗散地震能量，梁端塑性铰出现后，在裂缝发展一段时间后，柱端塑性铰出现，最后节点核心区便发生破坏。2.2.2 试验节点选择根据普通框架结构在水平荷载作用下的弯矩分布情况，试件的柱的长度应取上下柱的反弯点处，即节点上下柱的各1/2柱高；梁的长度应根据试验

63、条件及试件制作条件尽量选取梁跨中反弯点处，即按照梁跨中反弯点的位置选取，且采用T字型试件，具体选取见图2.1。图2.1 中间层梁柱边节点试件选取位置Fig.2.1 Location of exterior joint in middle layer2.2.3 试件构造及尺寸本次试验中共选取了4种型钢混凝土梁柱节点形式和1个具有相同截面尺寸、配筋的钢筋混凝土梁柱节点，共5个试件。为了能够较好的反映节点的真实工作情况，以便能将试验结果应用于工程实际，故本次试验中采用了接近实际结构的大尺寸试件。根据节点形式的不同，将每个节点试件进行编号，编号分别为型钢混凝土的试件SRCJ-01、SRCJ-02、SR

64、CJ-03和SRCJ-04，以及钢筋混凝土的试件RCJ。其中，试件SRCJ-01、SRCJ-02、SRCJ-03和RCJ为梁柱正交的节点形式，SRCJ-04为梁与柱以45角斜交。编号及节点构造形式情况见表2-1。表2-1 试件编号Table 2-1 Number of specimens节点编号节点构造SRCJ-01梁型钢腹板开孔，柱箍筋从孔中穿过SRCJ-02节点区箍筋采用U型箍筋代替封闭箍筋SRCJ-03梁型钢腹板开矩形大孔，并在上下翼缘处焊接三角形加劲肋补强SRCJ-04梁柱以45角斜交，并在梁型钢腹板开孔穿过柱箍筋RCJ普通钢筋混凝土梁柱节点本次试验中，全部型钢混凝土节点试件中型钢的配置形式完全一致。柱中型钢为焊接十字形型钢，尺寸为H3001501214，含钢率为4.11%；梁中型钢为焊接H型钢，尺寸为H3001501012，含钢率为4.24%。梁、柱中含钢率均满足相关规范要求。同时，为了保证型钢与混凝土能够共同受力工作，故在梁型钢上翼缘处布置抗剪栓钉，每个栓钉间距200mm，共10个。钢骨混凝土结构技术规程(YB 9082-2006)3中规定：钢