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钢筋混凝土柱和钢梁组合结构节点抗震性能研究

发布时间:2020-03-18 15:18 来源:

核心摘要:摘要:组合结构作为一种新型结构形式,近些年在工程中应用越发广泛,组合结构的研究也逐渐深入。本文着重介绍了钢筋混凝土柱和钢梁组合结构(简称RCS组合结构)节点的特点与性能,概述相应节点的发展情况。另外,本文通过近年来国内外学者对组合节点的试验及理论研究,综合分析组合节点的受力特点及抗震性能。本文据此提出

?摘要:组合结构作为一种新型结构形式,近些年在工程中应用越发广泛,组合结构的研究也逐渐深入。本文着重介绍了钢筋混凝土柱和钢梁组合结构(简称RCS组合结构)节点的特点与性能,概述相应节点的发展情况。另外,本文通过近年来国内外学者对组合节点的试验及理论研究,综合分析组合节点的受力特点及抗震性能。本文据此提出一些建议,以便今后研究与应用中能够采纳。

关键词:组合结构;抗震性能;RCS组合节点

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? ?1 引言

从广义上讲,同一截面或各杆件由两种或两种以上材料制作的结构称组合结构,因此各种建筑材料如钢、混凝土、砌体、木材组合制作而成的结构均可称为组合结构。但是随着结构工程发展,钢和混凝土成为了当今结构中应用最多的材料,并且由于抗震设计中主要运用的是钢和混凝土,因此本文所介绍之组合结构即为钢-混凝土组合结构。

目前结构工程中常用的组合结构形式有RCS组合节点、钢骨混凝土节点、钢管混凝土组合节点这三种,本文将主要围绕RCS组合节点的进行抗震性能研究,并提出目前存在的问题。

? ?2 RCS组合节点构造

RCS组合结构即为钢筋混凝土柱和钢梁所组成的组合结构,它是近年来出现的一种新型组合结构形式。这种结构形式是纯钢结构和钢结构混凝土结构的一种继承和发展,可以发挥出两种材料各自的优点,在国内外得到广泛研究和应用。

从八十年代起RCS组合节点在美国日本等发达国家得到应用,并且两国产生了两种不同的结构形式。美国的RCS组合结构节点都是采用梁贯通式, 即钢梁连续穿过钢筋混凝土柱,而日本的RCS组合结构节点大部分采用的是采用柱贯通式, 即钢梁不连续穿过混凝土柱,而是连接在钢筋混凝土柱节点四周的柱面钢板上,如图1,图2所示。

?QQ截图20201026084630

图1 美国RCS 组合节点(梁贯通)???????????图2 日本RCS 组合节点(柱贯通)

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天津大学杨建江等[1]对两国不同的组合节点形式进行了对比试验,发现在反复荷载作用下,美国的RCS组合节点的极限承载力、耗能能力、抗裂度以及刚度都要强于日本RCS组合节点,因此美国的RCS节点构造优于日本。

目前主要的RCS节点构造为在钢梁上加设面承板、嵌入式承载板、外伸式面承板、钢柱、焊栓钉等构件(如图3),这种构造可增大节点处混凝土抗压和抗能力,从而大幅度提高节点的强度。

QQ截图20201026084656

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? ? 3 ?RCS组合节点抗震性能研究概况

目前国内外对RCS组合节点抗震性能研究的主要方式为试验研究。美国和日本最早进行了RCS组合节点研究,通过相关试验得出动力作用下的受力性能。我国根据美国的研究成果,对RCS组合节点的承载力和延性进行了进一步分析,运用有限元等工具,研发出既符合国情需要又满足抗震性能的新型RCS节点,更多RCS节点的研究问题正在逐渐解决。

国内最早是天津大学[1]对四个节点在反复荷载作用下进行了试验,得到了承载力和相应的破坏特征,并给出了梁贯通式和柱贯通式组合节点的建议承载力公式。从试验中看出梁贯通式组合节点能够提高结构构件的承载力和延性,这种性能有利于抗震。

同济大学通过试验将梁贯通式和柱贯通式组合节点进行对比,同时也和普通混凝土节点抗震性能进行了对比[2]。本试验为拟静力加载试验.加载程序采用荷载一变形双控方法。研究通过试验装置得到数据发现梁贯通式节点的承载力、位移能力大于柱贯通式,并且通过比较两种节点的滞回曲线包络线面积和耗能系数,发现柱贯通节点耗能能力明显小于梁贯通节点。因此梁贯通节点抗震性能要强于柱贯通节点,并且也比普通混凝土的抗震性能要强。

由于美国的经典梁贯通式组合节点抗震性能要更强,因此梁贯通式节点在现实中得到了更广泛的应用。然而湖南大学提出了一种新型柱贯通式节点,通过端板螺栓连接钢筋混凝土柱和钢梁,并进行试验研究发现抗震性能大有提升,如图4所示。这种节点的特点是在浇灌钢筋混凝土柱后待混凝土达到一定强度,用高强螺栓将混凝土柱和钢梁连接起来,并在高强螺栓中施加预拉力。他们通过两个足尺节点的伪静力试验来研究其抗震性能和破坏形态。通过试验得知,使用高强螺栓预压力的方式,柱贯通式节点破坏时的延性以及节点处的抗剪能力都显著提高,并应尽量采用工厂焊接,从而保证节点的变形及耗能能力。

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QQ截图20201026084709

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? ? 4 研究存在的问题与建议

(1)未考虑柱轴力对节点的影响。美国在研究和计算RCS节点时只考虑了剪力和弯矩的作用,并未顾及轴力对节点强度的作用。而国内的各种抗震性能研究中也因轴力作用下的节点受力比较复杂,未具体分析轴向力对节点的影响,因此还需进一步探索。

(2)研究的方法主要依靠试验,由于试件及器材的差异以及各种客观条件导致的误差,最终得到的试验结果并不一定准确。即使一些论文中运用到了有限元模拟分析,也是结合仅有的几个试验结果进行研究,得到的计算公式并不完善,因此亟需更深层次的理论研究得到合理的结果。

(3)影响此节点抗震性能的参数过多,包括了梁截面、柱截面、节点的形式、节点的布置、组合板细部、抗剪连接件的数量、楼板及荷载类型等。我们需要通过更多的理论研究来找到参数之间的关系,通过更多不同变量的试验来确定其准确的抗震性能。? (作者单位? 湖北城建职业技术学院? ? 胡永骁 李澍)

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