钢管混凝土节点性能研究与优化

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钢管混凝土节点性能研究与优化李浩国际学院土木13・3班摘耍：节点作为连接梁柱的关键部位，及其重要。钢管约束混凝土柱・钢筋混凝土梁节点是一种新型的节点形式，深入研究此类节点的力学性能和设计方法具有重要的理论意义和实用价值。木文对影响钢管约束混凝土柱■钢筋混凝土梁节点的剪力•变形关系的主要参数进行了分析，最后，给岀了一些钢管约束混凝土柱■钢筋混凝土梁节点的构造建议。关键词：钢管混凝土；钢管约束混凝土；节点；节点优化。1引言1.1钢管混凝土特点钢管混凝土是指在钢管中充填混凝土形成的结构。按截面形状不同，分为圆形钢管混凝土、方形钢管混凝土及多边形钢管混凝土构件等，目前，以圆形钢管混凝土构件的应用最为普遍。钢管混凝土主要用作受压构件，其优势在于可以充分发挥钢管与混凝土两种材料的受力性能。混凝土收到钢管的横向约束而处于三向受压状态,具有更高的抗压强度和变形能力；钢管壁较薄，在受压状态下容易局部失稳，在其中填实了混凝土后，则显著增强了钢管壁的稳定性，其承载力的潜力也得到充分利用。钢管混凝土结构以为优越的受力性能显示了广阔的发展前景。其优点 在于：承载力高，重量轻，塑性好，耐疲劳，耐冲击；可以使用高强混凝土。三向压应力避免了核心高强混凝土的脆性破坏；钢管混凝土截面为轴对称，为各个方向上的惯性矩、承载力均相同，因而很适合用于承载地震、风载等作用方向不确定的结构；钢管兼有纵筋和箍筋的双重作用；制作钢管比制作钢筋骨架要方便的多；钢管内的核心混凝土部分不设钢筋，浇灌混凝土方便，钢管本身就可作为模板，省工省料，并且很适合使用泵送混凝土；钢管在施工阶段可起支撑作用，从而可以简化施工安装工艺，节省部分支架，有利于减少工序、缩短工期。钢管混凝土结构的不足之处，主要是梁柱节点的连接构造和施工比较复杂，耐火性能和耐腐蚀性能不如混凝土结构，但不比结构差。1.2钢管约束混凝土的研究概况最初学者们研究钢管和核心混凝土之间的粘结滑移和加载方式对钢管混凝土的影响，从而引出了钢管约束混凝土。学者们对钢管混凝土在不同加载方式下进行了研究。加载方式主要包括三种即荷载施加同时在钢管与核心混凝土荷载只施加在核心混凝土上荷载仅作用在核心混凝土上，且浇灌混凝土之前在钢管内表面涂油脂，以使钢管和核心混凝土之间没有粘结。其中，第二种加载方式中的钢管混凝土我们就称之为钢管约束混凝土。1.3钢管约束混凝土的研究概况根据钢管作用的差异，钢管混凝土构件又可以分为两种一是组成钢管混凝土的钢管和混凝土在受荷初期就共同受力二是荷载仅作用在核心混凝土上，钢管只起对其核心混凝土的约束作用，即所谓的钢管约束混凝土柱,如图。蔡绍怀和焦占拴(1984)⑴,进行了57个圆钢管混凝土短柱的轴心受压实验研究，实验的主要参数为套箍指标、加载方式和试件高度，加载方式分为三种、荷载同时作用在钢管和核心混凝土、荷载仅作用在核心混凝土上、钢管高出混凝土，荷载加载钢管上。实验结果表明，加载方式和试件高度对圆钢管混凝土短柱极限承载力的影响并不明显。 Sakino等（1985）[2]进行了12个圆钢管混凝土轴心受压短试件的实验研究。进行了三种加载方式的实验荷载同时作用在钢管和核心混凝土上即钢管混凝土荷载只作用在核心混凝土上，即钢管约束混凝土荷载仅作用在核心混凝土上，且浇灌混凝土之前在钢管内表面涂油脂，以使钢管和核心混凝土之间没有粘结，即无粘结钢管混凝土。实验结果表明在加荷初期，钢管混凝土的轴压刚度最大，钢管约束混凝土的居屮，而无粘结钢管混凝土最小。但在加载后期，钢管混凝土的承载力随变形增长较慢，而无粘结钢管混凝土的则增长较快,钢管约束混凝土居中。钢管混凝土构件的极限承载力最小，无粘结钢管混凝土构件的极限承载力最大。Orito等（1987）⑶进行了3个钢管混凝土短柱的轴压实验和8个圆钢管混凝土压弯构件试验研究,其中分别采用了以下三种的加载方式钢管和核心混凝土同时承受轴向力作用荷载仅作用在核心混凝土上钢管内壁涂油,钢管和混凝土之间无粘结，荷载仅作用在核心混凝土上。研究结果表明，无粘结钢管混凝土抗压承载力最高，钢管混凝土最低初始刚度钢管混凝土的最高,无粘结钢管混凝土最低而钢管约束混凝土的抗压承载力和初始钢管居中。0'Shea和Bridge（1997a）[4]进行了22个圆钢管混凝土轴压和17个偏压构件力学性能的实验研究,主要参数混凝土强度，构件截面径厚比。研究结果表明，对于轴压构件，当混凝土强度较低时钢管对其核心混凝土有约束作用当为高强混凝土时，只有在径厚比较小时才对其核心混凝土有约束作用。对于偏压构件，只有当荷载偏心率较小时，钢管才对其核心混凝土有约束作用。 0'Shea和Bridge(1997a)⑸进行了18个圆钢管混凝土轴压和17个偏压构件力学性能的实验研究，内填圆柱体强度为lOOMPa的混凝土。主要影响参数为构件截血的径厚比。研究结果表明，对于采用超高强混凝土的圆钢管混凝土构件，只有在径厚比较小时，钢管才对其核心混凝土有约束作用。Johansson(2000)⑹进行了13个圆钢管混凝土短柱和11个长柱的实验研究，采用了四种不同加载方式荷载同时作用在钢管和核心混凝土上荷载仅作用在核心混凝土上荷载仅作用钢管上,且在钢管内充填混凝土荷载作用在空钢管上。实验结果表明对于短柱，第二种加载方式的极限承载力最大，第一种加载方式的次之，第三种加载方式的较低，第四种加载方式的最低对于长柱，第一种和第二种加载方式的极限承载力相差不大且最高,第三种加载方式的次之，第四种加载方式的最低。同时,该文用ABAQUS软件对圆钢管混凝土力学性能进行了非线性有限元分析，主要考察了钢管和混凝土之间粘结强度，混凝土强度和不同的加荷方式等因素对钢管混凝土力学性能的影响。Johansson(2002)⑺进行了15个圆钢管混凝土短柱的实验研究，采用了三种不同加载方式荷载同时作用在钢管和核心混凝土上荷载仅作用在核心混凝土上荷载作用在空钢管上。同时提岀一个基于钢管和核心混凝土相互作用的力学模型，模型的计算结果与实验结果吻合良好。Fam等(2004)⑻进行了5个圆形截面的钢管混凝土轴压短柱和5个圆形截面钢管混凝土压弯构件的实验研究。其中轴压短柱采用单调加载，压弯构件在轴力不变的情况下反复施加加横向推力,影响参数包括钢管和 混凝土之间的粘结、加载方式和压弯构件的轴压比。实验表明，粘结情况和加载方式对钢管混凝土压弯构件的强度影响不大，由于在钢管局部屈曲后抗弯强度迅速下降，无粘结钢管混凝土表现出的延性不如有粘结钢管混凝土，但是无粘结试件比有粘结试件具有更高的屈服强度。同时该文也进行了5个圆钢管约束混凝土压弯构件的滞回性能试验研究,研究结果表明，圆钢管约束混凝土压弯构件具有良好的抗震性能。PeterMcAteer等(2004)⑼进行了4个钢管约束混凝土试件的实验研究,荷载仅作用在核心混凝土上，且浇灌混凝土之前在钢管内表面涂油脂，以期使钢管和核心混凝土之间没有粘结。由于当前对这类钢管约束混凝土还没有形成相关明确的条文规定和设计规程，该文对此进行了两方面的研究工作：一、系统总结和整理了以往的相关研究和数据,利用现有钢管混凝土的一些规程进行了相应的计算和比较。二、进行了钢管约朿混凝土钢管和核心混凝土的相互作用性能的实验研究,基于标准化约束应力系数和混凝土强度提高系数，提出了极限承载力和残余承载力的计算公式。尧国皇和韩林海(2004)[10]进行了12个钢管约束混凝土压弯构件在往复荷载下的滞回性能实验研究，截面形式分为方形和圆形两种,轴压比 n=0-0.74o其研究结果表明,钢管约束混凝土构件滞回曲线饱满，没有明显的捏缩现象，抗震性能较好。文献同时利用钢管混凝土的相关规范计算了实验试件的承载力与刚度，其结果表明，实验的钢管约朿混凝土极限承载力高于钢管混凝土相关规范的计算值,其中,形截面高20%以上，方形截面高10%左右而对于钢管约束混凝土刚度的计算结果比较表明，无论是初始阶段抗弯刚度还是使用阶段抗弯刚度，的计算结果都与实验结果比较接近。陈志波(2006)[11]对于钢管约束混凝土的轴压、纯弯和压弯性能进行了实验研究，其中轴压短柱实验包括12个圆钢管约束混凝土和8个方钢管约束混凝土试件及8个钢管混凝土对比试件,纯弯实验包括2个圆钢管约束混凝土和2个方钢管约束混凝土试件,压弯实验包括8个圆钢管约束混凝土和8个方钢管约束混凝土试件及4个钢管混凝土对比试件。利用ABAQUS对圆钢管约束混凝土和方钢管约束混凝土轴压、纯弯和压弯试件进行了系统的分析。最后在基于参数分析的基础上回归了用于计算钢管约朿混凝土的轴压强度指标。张素梅等(2007)[12]进行了4组12个圆钢管约束高强混凝土短柱在单调轴压荷载作用下和2组6个圆钢管约束高强混凝土短柱在循环荷载作用下的试验研究。试验结果表明,圆钢管约束高强混凝土短柱的轴压承载力比同条件下的普通钢管混凝土构件高,但两种构件的延性相差不大并且随钢管中纵向应力的降低构件的轴压承载力会提高。在应力分析结果的基础上建立圆钢管约束混凝土的轴压承载力公式,公式结果与试验结果吻合较好。基于试验结果对Mander约束混凝土模型进行修正，使模型适合于约束高强混凝土。 刘界鹏等（2008）[13]进行了个方钢管约束高强混凝土短柱试件在循环轴压荷载作用下的试验研究。试验结果表明，当时，方钢管约束高强混凝土短柱的轴压承载力比同条件下的普通方钢管混凝土构件高而当时，方钢管约束高强混凝土短柱的轴压承载力比同条件下的普通方钢管混凝土构件低但两者延性无显著差异。对构件的应力分析结果表明，方钢管约束高强混凝土轴压短柱中，钢管在峰值荷载点后屈服而钢管混凝土构件中，钢管在峰值荷载点前屈服。方钢管约束混凝土构件中钢管对核心混凝土的约束效果高于普通钢管混凝土构件。以上研究者对于钢管约束混凝土的短柱、长柱的轴压和压弯力学性能及滞回性能进行了实验研究，其研究结果表明，钢管约束混凝土轴压短柱承载力要稍高于钢管混凝土,其初始刚度则稍低于钢管混凝土钢管约束混凝土长柱的极限承载力则与钢管混凝土相差不大。钢管约朿混凝土的滞回曲线饱满，没冇明显的捏缩现象，构件具冇良好的延性和耗能能力。1.4钢管混凝土梁柱连接节点类型根据组成钢管混凝土框架结构中梁、柱形式的不同，将钢管混凝土梁柱节点分为钢管混凝土柱•钢梁节点、钢管混凝土柱•钢筋混凝土梁节点和钢管约朿混凝土柱•钢筋混凝土梁节点三大类。以下就对三种不同类型的节点就其受力特点进行分析归纳。1.4.1钢管混凝土柱■钢梁连接节点的研究概述钢管混凝土柱•钢梁节点在国内外的多高层建筑中广泛应用，本小节将 对此类节点进行简单的论述，在此只介绍几种典型的钢管混凝土柱■钢梁节点形式。参考钟善桐[14][15](1999,2003),韩林海和杨有福(2007),韩林海等(2009)钟善桐和白国良(2005)[16]等。(1)外加强环式节点外加强环式刚接节点是目前研究最成熟、应用最广泛的一种刚接节点类型。这类节点的工作原理是在钢梁的上、下翼缘位置设置上、下加强环,与钢梁的上、下翼缘采用等强对接焊缝或高强螺栓连接，传递梁端弯矩利用与钢梁腹板相连的垂直肋板传递梁端剪力。(2)内加强环式节点内加强环式节点是在钢管内梁上下翼缘位置设置内隔板，与梁相连用来传递弯矩。内加强环多用于钢管直径大于或等于的情况，直径较小时，加工制作困难，且不利于管内混凝土的浇筑。(3)锚定式钢管混凝土柱和钢梁连接时，在正对钢梁的上、下翼缘位置，在管柱内焊接一个形锚板,埋于管内的混凝土中，以承受钢梁翼缘传来的拉力。(4)穿心式这种节点形式是将钢梁的腹板在钢管混凝土柱身内贯通设置,形成穿心构件。穿心构件与钢管壁采用对接焊缝，焊缝强度不低于管材的强度。钢梁翼缘及环板与钢管壁必须采用坡口焊。(5)十字板刚接节点 这种节点形式是在钢管内加设十字加劲板，承担梁端传来的内力，而且提高了节点区的整体刚度和承载力。特点是刚度大，承载力高/旦是用钢量比较大，并且管内施焊困难，给混凝土的浇筑带来障碍，并且还会存在因钢管壁的局部破坏而降低整体承载力的危险。（7）形外加劲板式此类节点是在钢梁的上下翼缘处，焊接形加劲板,形加劲板有水平加劲肋和竖向加劲肋构成。（8）承重销式这种节点与穿心式节点类似，是用承重销来传递弯矩和剪力。此类节点的优点是传力明确、受力安全可靠、塑性性能好缺点是用钢量相对较大，且当管径较小时,承重销在钢管内的焊接较为困难。（9）螺栓连接式此种连接方式可分为穿芯螺栓连接和单边螺栓连接，节点构造为方钢管混凝土柱和圆钢管混凝土柱分别采用平端板和弧形端板,然后用螺栓连接。优点构造简单，施工方便。1.4.2钢管混凝土柱一钢筋混凝土梁连接节点的研究概述钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁节点主要在国内高层、超高层建筑上应用较多。本文从实际工程中普遍应用和研究者提出的节点型式中，选取几种典型的节点型式进行归纳分析。常见的钢管混凝土柱■钢筋混凝土梁节点有：（1）加强环节点与钢管混凝土柱与钢梁不同的是:与钢筋混凝土梁连接时环板之间的 距离为钢筋混凝土梁的梁高，混凝土梁的纵筋焊接在上下环板上，且梁的上下面端部都设有预埋钢板，以便和上下加强环板相连。此类节点的优点是:传力明确、节点区应力分布较均匀、刚度大、塑性性能好、承载力高；缺点是:外加强环的尺寸较大，尤其在钢管混凝土住宅中，由于钢管混凝土柱截面较小，但外加强环式节点环板尺寸较大，往往给建筑上的处理带来不便。李至钧和阎善章（1994）[17]进行了5个典型的钢管混凝土柱■梁加强环式刚性抗震节点的实验研究，其中，2个试件采用钢梁，3个试件采用钢筋混凝土梁。实验结果表明，节点具有很好的抗震性能，能够保证钢管混凝土框架在地震区推广应用。同时，提出了加强环节点抗震设计要点和合理的设计建议。吴发红等（2001）[18]进行了钢筋混凝土梁钢筋穿心式和不穿心式两种外加强环中柱节点、以及穿心式内加强环边柱节点实验研究。实验结果表明，梁中纵筋部分穿过钢管对节点的受剪承载力影响不大;梁内钢筋全部焊接在加强环上与钢筋穿过钢管相比，屈服承载力冇所降低，但节点耗能能力却会有所提高。根据研究结果，提出如下建议:节点区加载到屈服位移后，沿钢加强环下口处开始出现水平裂缝，主要原因是混凝土和加强环板间的粘接强度不够，故在施工允许的情况下，可在钢加强环下设置适量的栓钉;为了使节点区混凝土的密实度得到保证，上加强环板上混凝土排气孔大小宜适当。（2）埋置牛腿或板件式节点这类节点是指通过在核心区的钢管，或者在钢筋混凝土梁中埋置工字钢承重销或者贯通钢板来承担梁端传来的弯矩和大部分剪力。此类节点的优点是:传力明确、受力安 全可靠、塑性性能好;缺点是:用钢量相对较大，且当管径较小时，承重销或钢板在钢管内的焊接较困难。韩小雷等（1999[19],2002（20]）进行了十字穿心暗牛腿式钢管混凝土柱节点足尺静载实验研究。结果表明试件的破坏始于钢筋混凝土梁的弯剪破坏，钢管混凝土柱和节点核心区未遭破坏，满足了“强柱弱梁”的抗震设计要求;对于梁下部纵筋焊在牛腿的内侧还是外侧对于节点的受力性能基本没有影响了;对于节点区的环梁，并没有起到实质性的作用，可以考虑取消。韩小雷等（2005）[21]提出了一种带环板穿心暗牛腿钢管混凝土柱节点，该节点的最大优点是梁柱节点处不需要设加强环，同穿心暗牛腿式节点一样分别利用穿心的翼缘和腹板来承受梁端弯矩和剪力，而在牛腿的上翼缘焊接环形钢板，用于承受焊接在上曲的楼板放射筋传来的拉力，同时使钢管与混凝土楼板之间不产生影响正常使用的裂缝。通过试验研究，证明这种节点具有可靠的受力性能，并提出该节点的设计方法。王秀丽等（2006）[22]对埋置牛腿的十字形方钢管混凝土柱一钢筋混凝土梁连接节点，采用X形加载方式，进行低周反复荷载下的试验研究。研究了了钢筋和钢牛腿的应力应变发展规律和相应的滞回曲线，在对节点破坏机理分析的基础上，提出了进一步的改进措施，与常规的连接方式相比，该种节点是一种相对简捷可靠的连接方式。季静等（2008）[23]提出了一种取消环梁仅带环筋的穿心暗牛腿钢管混凝土柱节点型式，该类节点外形与普通钢筋混凝土梁柱节点类似，且能很好地满足建筑及装饰设计要求。文中首先通过对中节点与边节点的试验 研究，验证了板放射筋和环筋具有较理想的控制裂缝的能力以及螺纹套筒连接主筋在往复荷载作用下的实际工作性能满足抗震设计要求，并分析了该节点型式的变形、应变、裂缝开展、破坏形态及最终承载能力。然后基于试验结果，应用有限元程序对试件进行非线性模拟，进一步分析了此节点的受力机理。王清湘等（2008）[24]提出了一种新型的圆钢管混凝土穿心节点，这种节点是用穿心短钢筋焊接暗牛腿上，适合在工厂加工预制牛腿节点段,现场连接，施工方便。进行了4个该种节点在低周反复荷载作用下的试验结果，用ANSYS软件建模进行有限元分析。试验结果与有限元计算相对比，二者吻合良好。（3）钢筋混凝土环梁节点这类节点是钢管混凝土柱保持贯通，在柱的外侧设置环梁用来传递梁端弯矩，钢筋混凝土框架纵向钢筋锚固在环梁内。冇的节点在环梁中部和底部的钢管外表面贴焊一环形钢筋，称为抗剪环，用来传递剪力。此类节点的特点是:传力明确、受力较好，基本满足强柱弱梁、强剪弱弯及强节点等抗震设计原则，但该类节点施工较为不便。方小丹等（1999）[25]对钢管混凝土柱■钢筋混凝土抗环梁节点的性能进行了实验研究。研究结果表明，适当的截面设计可使框架梁在环梁范围以外屈服，即使在环梁内屈月艮，节点仍表现出良好的延性和耗能能力，可达到抗震设计要求。吕西林和李学平（2003）[26]进行了三个纵筋配筋量和形式各不相同的用于方钢管混凝土结构的新型外置式环梁节点在楼面恒载和侧向低周反复荷载共同作用下的实验。考察了梁柱组合体的宏观受力性能，以及不同配筋形式对环梁节点性能的影响，分析了试验现象及试件中钢筋应变发 展规律。周栋梁等（2005）[27JRC环梁连接的钢管混凝土柱・RC梁框架在竖向荷载和水平荷载作用下，在环梁一定高度范围内，环梁与柱之间会有很窄的缝隙。通过有限元分析研究了环梁连接的转角刚度和环梁区域框架梁等效宽度以及它们的影响因素，结果表明环梁宽度和框架梁宽度对转角刚度和等效宽度影响较大。框架内力、位移计算以及两层两跨框架结构的静力试验和拟动力试验表明，环梁连接的钢管混凝土柱・RC梁框架可以采用梁柱直接刚性连接的模型进行弹性分析。[28]傅剑平等（2008）进行了3个带抗剪环的钢管混凝土柱环梁节点单调直剪试验，对设置抗剪环环梁的极限直剪承载能力、环梁的宏观受力表现、受力过程中环梁相对钢管的滑移以及环梁的最终破坏形态等进行了分析研究。方小丹等（2008）[29]根据以往对环梁节点的研究提出了基于试件破坏面极限平衡的节点环梁承载力设计方法。该方法综合考虑了环梁环筋和箍筋的相互作用及框架梁、环梁截曲尺寸的影响。利用三维有限元分析了在框架梁端弯矩作用下环梁的应力分布，比较了楼板的存在对环梁环向、径向以及竖向应力的影响，从而考虑楼板对环梁承载力的有利作用。在此基础上进一步提出了节点环梁实用的承载力计算公式，由框架梁梁端的配筋可直接求得环梁的配筋，极人地简化了设计计算工作。代红军和季韬(2008)[30]进行了两个钢管混凝土柱■钢筋混凝土环梁节点的静载和低周反复荷载试验研究。分析了节点的破坏形态、延性和耗 能能力等性能。季韬等(2008)[31]介绍了钢管混凝土柱■环扁梁中节点和钢管混凝土柱•环梁中节点的制作和试验过程，并给出了这2个节点在低周反复荷载作用下破坏形态和耗能能力方面的试验数据。试验结果显示，钢管混凝土柱■环扁梁中节点在环扁梁上形成塑性较，其材料强度得到更充分的利用，能够耗散更多的地震能量。最后还给出了计算简图以及试验值与计算值的比较。代红军和季韬(2008)[32]进行了钢管混凝土柱■钢筋混凝土环扁梁节点的静载和低周反复荷载试验，分析了节点的破坏形态、延性、耗能能力等性能。试验结果表明，钢管混凝土核心区未发生屈服破坏情况;对于静载,塑性较产生于扁梁和环扁梁交界处，对于低周反复荷载，塑性較产生于环扁梁上;环扁梁与钢管混凝土柱间未发现明显滑移现象。(4)钢筋贯通式节点此类节点在钢管混凝土结构中，框架梁为现浇钢筋混凝土梁时，采用把梁内纵向主筋贯通钢管柱，以传递梁端弯矩，同时可以在钢管的周边均匀布设牛腿以传递剪力。它的优点是，传力明确、施工方便快捷、刚度大、塑性性能好、承载力高;缺点是:节点构造比较复杂，且可能给混凝土浇灌带来困难。陈洪涛等(1999)[33]进行了局部开孔的钢筋贯通式节点实验研究。研究结果表明，节点开孔后通过加肋补强，不会影响柱子承载力。试件破坏形态主耍为上、下加强环局部鼓曲破坏。蔡健等(2000)[34]进行了穿心钢筋暗牛腿式钢管混凝土柱节点实验研究。结果表明，试件的破坏为钢筋混凝土梁端弯曲屈服后的剪切破坏, 表明该节点具有良好的传力性能，梁端弯矩通过贯通钢筋可以较好地传递给柱。李帼昌等(2009)[35]对钢筋贯通式钢管煤研石混凝土节点在低周往复荷载作用下的试验测试，得出梁端的力和位移的滞回曲线、钢筋的变形曲线以及节点区管壁的变形，分析试件的延性和耗能能力。研究结果表明,梁端的力和位移滞回曲线比较饱满，钢筋贯通式钢管煤研石混凝土节点的位移延性、耗能能力比较理想，抗震性能良好，符合抗震设计的要求。(4)钢筋环绕变宽度梁节点DBJ13-51-2003(2003)[36]推荐的节点型式这类节点可用于钢筋混凝止梁的宽度与钢管混凝止柱的直径相近的情况，是在钢管混凝「上柱上焊接明牛腿，将梁端局部加宽，使纵向钢筋连续绕过钢管。梁端加宽斜度不小于1/6。在开始加宽处须增设附加箍筋将纵向箍筋包住。明牛腿分担大部分的梁端弯矩和剪力。此类节点的特点是:钢筋混凝土梁属于连续梁，梁柱属较接，梁的支座反力依靠下面的牛腿传递，传力明确，但施工较为复杂。曲慧等(2006)[37]对8个钢筋环绕式钢管混凝土柱■钢筋混凝土梁节点在的力学性能进行了实验研究，主要参数柱轴压比和柱截面形式，对该类节点的破坏模态、滞回特性、核心区剪切变形、钢筋变形、钢牛腿变形、延性和耗能性能等作了主要研究。曲慧和王文达(2010)[38]对钢管混凝土柱■外环板式钢梁和钢筋环绕式钢筋混凝土梁连接节点建立了有限元模型，并对英进行了数值模拟，理论计算与试验结果吻合良好。基于理论模型，分别对影响此两类节点力学 性能的主耍因素进行了系统参数分析，明晰了各主耍参数对节点弯矩•梁柱相对转角关系的影响规律，在此基础之上，提出了此两类节点的节点弯矩■转角关系的实用计算模型。(4)劲性环梁节点这种节点型式主要依靠环梁传递大部分弯矩，依靠预埋的钢牛腿传递剪力和一部分弯矩，使牛腿称为剪弯钢牛腿。顾伯禄等(1998)[39]进行了环梁锚固式钢管混凝土节点实验研究。结果表明，这种节点可实现梁端先出现塑性较，有效的实现强柱弱梁的要求，可避免梁端钢筋锚固时对钢管局部的撕裂破坏，并对节点核心区的钢管及混凝土起到保护作用。蔡健等(2002)[40]对钢管混凝土中柱劲性环梁式节点的设计方法进行了研究，探讨了该节点的传力机理和内力分配方法，并建议了其节点区各构件的设计方法。苏恒强等(2006)[41]进行了钢梁不穿心的劲性梁■钢管混凝土柱节点的轴压性能试验，并对其节点区的轴压承载力、破坏现象进行了讨论。分析结果表明:我国规程中规定公式的值与本次实验值基本吻合。(5)单双梁式节点黄襄云等(2001)[42]对单梁节点，双梁节点以及单双梁节点进行了实验研究。试验表明:单梁的受力最为明确，传力最为可靠，而双梁节点和单双梁节点的受力较为复杂。双梁节点的延性很好，但刚性性能较差。欧谨等(2001)[43]通过钢管混凝土双梁节点的竖向静力加载试验研 究，揭示了该节点的受力机理和破坏形态，并通过实际工程的现场试验研究，验证了模型试验的可靠性。证明了双梁节点具有构造简单、受力明确、施工方便、安全可靠的良好性能。刘志斌和钟善桐(2001)[44]对某工程的双梁节点进行了试验研究。实验结果表明双梁节点的刚性较差。并针对这一问题，对双梁节点的刚性进行了理论分析。指出冃前工程中采用的双梁节点构造不能作为刚性节点使用。杨春等(2002)[45]针对广州某超高层建筑中采用的双梁、单梁、单・双梁钢管混凝土节点，对受力性能及试件破坏过程和形态作了节点试验研究，分析结果表明:该种节点的受力性能可靠性，并提出了…些实验结论以供参考。程国亮等(2002)[46]采用通用有限元软件ANSYS对钢管混凝土单梁连接节点进行了非线性有限元分析。分析结果表明，单梁连接节点方案有效的实现了强柱弱梁、强节点弱杆件的要求。从钢牛腿的受力情况可以看出，节点区的钢牛腿将梁端弯矩的一部分稳定可靠的传给了钢管混凝土柱,节点区外的钢牛腿受力较小，可考虑适当减小牛腿的长度，并加强水平环筋，以增强整个节点区的强度、整体性和刚性。梅力彪等(2003)[47]采用有限元软件ANSYS对不同构造的典型钢管混凝土柱与现浇钢筋混凝土梁的单梁穿心节点进行了空间非线性有限元分析，分析了垂直对称荷载下采用不同构造的穿心节点内的应力分布情况和内力传递机理，根据分析结果提出了该类节点的构造设计建议。1.3.4钢管约束混凝土柱■钢筋混凝土梁连接节点的研究概述 钢管约束混凝土柱一般用于与钢筋混凝土梁连接的结构屮，由于钢管在节点核心区断开，钢管并不直接承受竖向荷载，而钢筋混凝土梁中的纵筋也可以直接通过节点而不必断开，该节点传力明确，适用于加固、受力较大的构件等，其构造形式如图1.3所示。陈庆军等(2002,2002[48])进行了柱钢管不直通的钢管混凝土柱梁节点进的实验研究。该节点的主耍特点是:柱钢管在梁柱节点区不直通，钢管嵌入节点一定距离，剩余空间可使梁钢筋在节点区直通，节点区混凝土采用梁板的强度等级，由此产生的轴向承载力下降通过采用环梁加大节点区截面并配置水平钢筋网或环形钢筋来加强和提高。此节点的连接构造形式简单，施工方便。但是由于此次实验构件不包括混凝上梁部分，只承受轴向圧力，与实际情况有很大区别，因此结果只实用于一般高层建筑的下部楼层的中柱。梁剑等(2002)[49]对柱钢管非连通式节点进行了实验研究，其目的为考察该节点形式的轴压承载力和破坏模式，因此试件只保留节点区部分,不带上下钢管混凝土柱。实验结果表明，试件的破坏形态为仅出现贯通纵向裂缝，出现贯通纵向裂缝与非贯通环向裂缝，以及纵向与环向裂缝均贯通的破坏形态;该节点具有足够的强度及延性，环向钢筋能够有效的提高核心区混凝土的局部承压强度，且由于楼层间钢管不连通，梁钢筋可以直接穿过，传力明确，施工简便。刘付钧等(2003)[50]进行了两组共15个试件的轴压试验，对节点区柱钢管不连通式钢管混凝土柱■平板节点的轴压性能进行了较为详尽的研究。介绍了试验的概况及主要的试验结果，并对影响该节点轴压承载力的 因素进行了探讨，为该节点轴压承载力计算公式的建立提供了基础数据。张学文等(2003)[51]对节点区柱钢管不连通式钢管混凝土柱■平板节点在轴压下节点核心区的受力特点进行了分析，提出了一条适合于工程应用的节点轴压承载力计算公式，该公式偏于安全地评价了试验结果。文中还对该节点在工程上应用时的构造措施和施工要点进行了探讨，为工程实践提供了参考。聂建国等(2004)[52]进行了6个分层钢管混凝土节点的轴压试验。分层钢管混凝土是钢管在楼层梁上、下两表面处断开，节点核心区受多重套箍约束作用，故节点处截血和柱截血的轴压性能发生了变化。通过实验,获得了这种节点的受力情况，探讨了中多重套箍下节点在轴压下的力学性能。王毅红等(2004)[53]提出了一种钢管混凝土新型节点，这种节点在节点区断开，在节点区用环形钢箍，纵筋，芯钢管来保证节点区的连续性。因为梁与柱混凝土现浇在一起，受力性能良好。进行了三个中柱节点模型试验的研究，分析了实验现象、破坏机理。王毅红等(2006(54],2008(55])又进行了芯钢管连接的钢管混凝土半连通的边节点和角节点的试验研究。其节点在有梁的地方外钢管断开，无梁一侧外钢管断开，梁中纵筋在节点直通，梁、柱、节点的混凝土一次整浇。使用ANSYS程序对模型试件进行分析，试验结果和数值计算结果吻合良好，均证实了新型节点具有良好的强度和刚度，节点承载力大于所连接梁、柱的承载力。试件破坏时，节点芯钢管还具有较大的承载潜力。局部连通的钢管对节点混凝土有一定保护作用且有利于施工中上下钢管的对中。 [56]王再峰(2006)对钢管约束混凝土柱■钢筋混凝土梁节点的滞回性能进行了研究。以截面形式(圆形和方形)和轴压比为参数，进行了8个钢管约朿混凝土节点和2个钢管混凝土柱钢筋环绕式节点对比构件的滞回性能试验研究。分析了轴压比、节点连接形式和截面形式对于构件承载力、延性、刚度以及耗能性能的影响规律及对钢管约束混凝土节点几』骨架曲线进行了影响因素的参数分析，变化的参数有:钢管混凝土柱含钢率、柱长细比、梁柱线刚度比、梁柱极限弯矩比和柱轴压比。确定了各个参数对节点P・d骨架曲线的影响规律。在参数分析的基础上，对钢管约束混凝土梁柱节点水平承载力的简化算法和简化骨架曲线模型进行了探讨。陈庆军等(2008)[57]对节点区柱钢管不全贯通式钢管混凝土柱■梁节点进行了7个试件轴压试验及2个试件的偏压试验，研究了梁通过处钢管开孔及各层间钢管柱分离两种型式的柱钢管不全贯通式节点的力学性能。结果表明:不全贯通式节点在环梁和环向钢筋约束下具有较高的承载力和较好的延性;钢管在梁位开孔与钢管在节点区完全分离的两种试件具有相同的节点区破坏形态及相近的力学性能。陈庆军等(2008)[58]对节点区柱钢管不连通式钢管混凝土柱■梁节点在轴压下节点核心区的受力特点进行了分析，指出主要的影响因素为混凝土强度、节点横截面面积与钢管面积的比值、节点环筋的数量、节点高度。在局部承压理论的基础上，根据约朿混凝土理论，提出多重箍筋对内核混凝土的约束力逐重叠加的思想，并引入节点高度影响系数，建立该种节点轴压承载力计算公式。计算结果与试验结果比较，两者吻合良好。2数值模拟与计算2.1钢管混凝土柱■钢筋混凝土梁节点 利用ABAQUS有限元软件对钢管混凝土柱■钢筋混凝土梁节点进行了数值模拟分析。图2.7为对（韩林海等，2009[2]）中钢管混凝土柱■钢筋混凝土梁节点在不同轴压比下有限元软件计算结果和实验结果的对比，可见,本文计算结果与试验实验结果相比，刚度和承载力均吻合良好。节点的具体参数如下：圆形柱节点的柱截血尺寸为Dxt=150mmx1.38mm,钢筋混凝土梁尺寸（宽x高）为bxh=100mmx160mm,梁截面配筋上部及下部均为2B10,梁柱线刚度比为0.328o方形柱节点的柱截面尺寸为Bxt=150mmx1.38mm,钢筋混凝土梁尺寸（宽x高）为bxh=100mmx170mm,梁截面配筋上部及下部均为2少12,梁柱线刚度比为0.274。试件中钢管混凝土柱高度H=l.lSSm,钢筋混凝土梁的跨度L=l.5moCJ和S」分别为圆形和方形截面钢管混凝土柱节点，RC表示采用了钢筋混凝土梁，数字0,3,6分别表示轴压比为0.05,0.3,0.6是的情况。试件最后一位数字1或2是用来当同一轴压比下有两个试件时加以区分。图2.7钢筋环绕式钢管混凝土柱■钢筋混凝土梁节点数值模拟2.2钢管约束混凝土柱■钢筋混凝土梁节点利用ABAQUS有限元软件对钢管约束混凝土柱■钢筋混凝土梁节点进行了数值模拟分析。图2.8为韩林海等（2009）[2]中对钢管约束混凝土柱.钢筋混凝土梁节点计算结果与试验结果的相比曲线，可见，节点刚度和承载力总体上吻合良好。 节点的具体参数如下：圆形柱节点的柱截血尺寸为Dxt=150mmx1.38mm,钢筋混凝土梁尺寸（宽x高）为bxh=100mmx160mm,梁截面配筋上部及下部均为2B10,梁柱线刚度比为0.328o方形柱节点的柱截面尺寸为Bxt=150mmx1.38mm,钢筋混凝土梁尺寸（宽x高）为bxh=100mmx170mm,梁截面配筋上部及下部均为2.12,梁柱线刚度比为0.274o试件中钢管混凝土柱高度钢筋混凝土梁的跨度L=l.5moSTCCJ代表钢管约束混凝土柱节点，横线后面的字母表示柱截面形状，S和C分别代表方形和圆形，数字0,3,6分别表示轴压比为0.05,0.3,0.6是的情况。参数相同的两个试件分别用1或2加以区分。图2.8钢管约束混凝土柱■钢筋混凝土梁节点数值模拟2.3钢管约朿混凝土柱■钢筋混凝土梁节点的破坏模态为比较不同受力阶段节点的应力状态，分析节点的工作机理，在图2.9的节点P-△关系全过程曲线上，试件破坏的历程和形态经历了初裂、通裂、极限和破坏四个阶段，分别选取四个典型时刻对应的特征点进行比较，四个特征点分别取点为节点屮钢筋混凝土梁端出现第一道弯曲直裂缝;2点为节点进入屈服的点（梁纵向钢筋屈服）；3点为节点水平极限承载力Pmax对应点;4点为对应85%的极限荷载，及破坏荷载Pu对应时刻。1、圆截面节点各组成部分应力发展（1）圆形截面节点的裂缝发展在ABAQUS中混凝土塑性损伤模型不存在材料积分点上发展裂缝的概 念，但通过等效塑性应变反应岀来。根据Lubliner等（1989）的建议，假定裂缝最初发生在等效塑性拉应变大于零。初始裂缝发生在钢筋混凝土左梁下表面靠近柱子的地方，由于节点同时受到轴压力和水平向左的推力,所以等效塑性拉应变增大，岀现初始裂缝。随着水平荷载的增加，节点受到的推力增加，钢筋混凝土右梁上表面也开始出现裂缝，随着荷载的继续增大，节点区等效塑性拉应变继续发展，随着P的增大节点承载力最终达到极限，节点破坏。（2）圆形截面节点梁、柱钢筋及钢管应力发展圆钢管约束混凝土柱■钢筋混凝土梁节点中钢筋混凝土梁中钢筋的变形发展，钢筋随着梁端混凝土的开裂钢筋逐渐开始受力，并逐渐增大，到达2点时，钢筋开始屈服，随着荷载的增加，钢筋受力逐渐增大（3点）,最终进计入强化阶段（4点）。随着梁中纵向受力钢筋在2点已经开始屈服，3,4点梁屮纵筋进一步受力，但节点区钢筋却并未屈服。说明柱和节点并未破坏，符合强柱弱梁，节点更强的设计原则。钢管约束混凝土柱上钢管的应力分布发展，靠近梁附近的钢管初始阶段受力较大，随着荷载的增加,钢管中部受力增加，到达破坏时，钢管应力有所减小，这是由于节点己经破坏，梁端形成了塑性较。由于节点受到轴压力和弯矩的共同作用，钢管的受压区的应力大于受压区应力，且钢管并未屈服。（3）混凝土的纵向变形混凝土柱及柱沿梁上表面的截面的应力分布发展可知，在1点时，混凝土柱全截面受压，截面由没有水平荷载作用时的全截面受压逐渐变为左半部分受压，右半部分受拉。在2点时，随着水平荷载的逐渐增加，混凝 土柱在钢管断开之处逐渐开始受拉，这主要是因为，随着水平推力的增大，节点域受剪变形，且受压区逐渐增大，形成斜压杆，此时截面的受压区面积逐渐减小而受拉区逐渐增大。在3点时，荷载进一步增加，此时达到极限荷载，应力沿着此趋势继续发展，混凝土受拉区应力继续增大，到达4点时，节点破坏，外荷载达到破坏荷载Pu,由于出现卸载，截面应力冇所减小。（4）节点区剪切应力圆钢管约束混凝土柱■钢筋混凝土梁节点在弯矩作用H,节点核心区的混凝土在（（1点）在钢管断开处沿着对角线方向产生压应力，随着荷载的增加，节点区混凝土沿着对角线方向形成斜压杆（（2点），随着水平荷载的不断增加，混凝土斜压杆范围扩大（（3点）。最后节点区混凝土几乎全部受压（4点）。圆钢管约束混凝土柱■钢筋混凝土梁节节点，在弯矩和剪力的作用下,由型钢腹板主要承担剪力，翼缘也受力，但承担剪力作用较小。在受荷初期，型钢腹板受剪，受剪区域近似于止方形此时翼缘受拉（（1点）。随着水平荷载增大，节点核心区型钢腹板剪力开始发展，受剪区域增大，逐渐由节点区向柱内发展，柱内翼缘一侧受拉，一侧受压（2点）。随着荷载继续增大，型钢腹板抗剪承载力达到最大（3点）。最后随着节点的破坏，型钢受剪继续增大（4点）。2、方形截面节点各组成部分应力发展（1）方形截面节点的裂缝发展方钢管约束混凝土柱■钢筋混凝土梁节点的应力发展与圆钢管约束混 凝上柱■钢筋混凝土节点相似;在1点时，梁端混凝土形成初裂，随着水平荷载的增加，钢筋逐渐受拉，在2点时，钢筋开始屈服，梁端等效塑性拉应变增大，在3点时，混凝土等效塑性拉应变继续增加，此时节点达到极限荷载，在4点时，裂缝增大，节点己然破坏。（2）方形截血节点梁、柱钢筋及钢管应力发展方钢管约束混凝上柱■钢筋混凝土梁节点中钢筋混凝土梁中钢筋的变形发展，与圆钢管约束混凝土柱■钢筋混凝土梁节点类似，钢筋随着梁端混凝土的开裂钢筋受拉逐渐开始受力，并逐渐增大，钢筋开始屈服（2点）,随着荷载的增加，钢筋受力逐渐增大（3点），最终进进入强化阶段（4点）。方圆钢管约束混凝土柱■钢筋混凝土梁节点梁中钢筋的变形发展，随着梁中纵向受力钢筋在2点己经开始屈服，3,4点梁中纵筋继续受拉，但节点区钢筋却并未屈服，节点并未受压、弯破坏。钢管约束混凝土柱上钢管的应力分布发展，随着荷载的增加，钢管中部受力增加。由于节点受到轴压力和弯矩的共同作用，钢管的受压区的应力大于受压区应力。在受力过程中,钢管并未达到屈服。（3）节点区混凝土变形方钢管约束混凝土柱•钢筋混凝土梁节点受力与圆钢管约朿混凝土柱・钢筋混凝土梁节点类似，其节点区混凝土，随着柱顶水平荷载的增加，由全截面受压发展到一侧受拉，一侧受压。节点区角点逐渐开始受拉，但柱子里的混凝土还处于受压阶段（1点）。方钢管约束混凝土柱•钢筋混凝土梁节点沿梁上表面随着水平加载的增加，梁钢筋屈服时，应力变化则有些不规则主要原因是应为节点区型钢 尺寸大，对其受力有影响。由于施加的水平荷载，使节点核心区的混凝土沿对角线形成斜压杆，随着水平荷载的增加，混凝土斜压杆承担的剪力越来越大。（4）节点核心区剪切应力由节点区混凝土剪切应力的分布及发展可知，方钢管约束混凝土柱・钢筋混凝上梁节点所受剪与圆钢管约束混凝土柱•钢筋混凝止梁节点基本相似。从节点区各构件的应力发展可以看出在弯矩和剪力的作用下，节点混凝土开始受剪（1点），随着水平荷载的增加，节点受剪作用增大，节点区混凝土形成斜裂缝，将混凝土分成斜压杆（2点），水平荷载继续增大,斜压杆宽度增大（3点），最终由于梁端塑性狡的形成，节点破坏。在此过程之中箍筋受力逐渐增大，但箍筋受力不大，原因是型钢承担了很大的剪力。由节点区型钢剪切应力的分布及发展可知，与圆钢管约束混凝土柱・钢筋混凝土梁节点类似。从节点区各构件的应力发展可以看出，在弯矩和剪力的作用下，节点型钢开始受剪，由图可知型钢腹板承担主要的剪力,翼缘也受力，但承担剪力作用较小（（1点）。随着水平荷载进一步增加,节点核心区型钢腹板剪力开始发展，腹板受剪且作用增大，翼缘受剪也增大，但翼缘的贡献很小（2点）。荷载继续增大，型钢腹板抗剪承载力达到最大（（3点）。随着节点的破坏，型钢受剪继续增大（4点）。本节总结：钢管约束混凝土柱■钢筋混凝土梁节点这种新型的节点有良好的受力性能，其节点受力性能类似与型钢混凝土梁柱节点。3节点优化建议节点是梁柱连接的关键部位，在框架中起着传递、分配内力和保证结构整体性的作用。因而，梁柱节点核心区应该具有足够的承载力、刚度和 延性。为保证节点的质量，提出以下建议构造要求：（1）节点核心区纵筋、型钢和箍筋仅在节点区设置，上下均需伸入钢管约束混凝土柱中。建议纵筋、型钢和箍筋锚入上、下钢管约朿混凝土柱中两倍的梁高。（2）为了施工方便，确定各部分尺寸时，梁纵筋最好能直通核心区。节点核心区型钢和纵筋的布置也应为梁中纵筋贯穿留出通道。梁中所有钢筋应从型钢翼缘侧边通过，不应穿过节点核心区型钢翼缘，梁中纵筋也不得与节点核心区型钢直接焊接。（3）在与节点区型钢连接的梁端，可设置一段钢梁与梁主筋搭接。钢梁的高度应不小于0.8倍梁高，长度应不小于梁截面高度的2倍，且应满足梁内主筋搭接长度要求。在梁内主筋搭接长度要求。在钢梁的上下翼缘上应设置栓钉连接件，栓钉的直径不小于19mm,栓钉的间距不大于200mm,且栓钉至型钢板材边缘的距离不小于50mm。梁内的应有不小于1/3主筋的面积穿过钢骨混凝土柱连接配置。从梁端至钢梁端部以外2倍梁高范围内，应按钢筋混凝土梁端箍筋加密区的要求配置箍筋。（4）型钢腹板部分设置钢筋贯穿孔时，截面缺损率不应超过腹板面积的20%。当不能避免在型钢翼缘上开孔时，截面缺损率也必须控制在20%的限度内。节点核心区的篩筋应按计算确定，篩筋间距不要大于150mm,箍筋直径不小于柱端箍筋加密区的箍筋直径。（5）为了保证梁端内力更好的传递，节点核心区型钢内梁翼缘水平位置处可设置加劲肋，其构造应便于混凝土浇灌，并保证混凝土密实。水平加劲肋厚度不宜小于12mmo 总结:在ABAQUS有限元软件下对钢管混凝土柱、钢管约朿混凝土柱、钢筋环绕式钢管混凝土柱■钢筋混凝土梁节点、钢管约束混凝土柱■钢筋混凝土梁节点进行了模拟，理论计算与试验结果总体上吻合良好。基于此对钢管约束混凝土柱■筋混凝土梁节点进行ABAQUS有限元模拟，对典型试件的各组成部件进行了在单调荷载作用下的非线性全过程分析，通过对各部件在受力过程中的裂缝、应力分布等分析，明确了各部件之间的协调工作以及节点的工作机理。（1）基于对理论的分析，对可能影响钢管约束混凝土柱■钢筋混凝土节点的流弯承载力的参数:梁柱弯矩比、梁柱线刚度比和柱长细比进行了分析。分析结果表明:钢管约束混凝土柱•钢筋混凝土梁节点抗弯承载力与梁柱弯矩比、梁柱线刚度比、柱长细比有关。(2)基于对理论的分析，对可能影响钢管约束混凝土柱■钢筋混凝土节点的抗剪承载力的参数进行了分析，结果表明:钢管约朿混凝土柱■钢筋混凝土节点抗瘤承载力与节点区混凝土强度、型钢腹板厚度、型钢强度、含箍率、轴压比有关。参考文献[1][2]蔡绍怀和焦占拴•钢管混凝土短柱基本性能和强度计算，建筑结构学报，1984,5(6):13-29SakinoK,TomiiM,WatanabeK.Sustainingloadcapacityofplainconcretestubcolumnsconfinedbycircularsteeltubes.ProceedingsoftheInternationalSpecialtyConfereneeonConcrete-FilledSteelTubularStructures,ASCCS,1985,Harbin,China,112-118.⑶Orito£SatoT,TanakaN,WatanabeY.Studyontheunbonedsteeltubeconcretestructure.Proceedings,0'SheaMD,BridgeRQ・Testson 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