浅谈ＲＣＳ组合结构节点设计技术

1、    浅谈组合结构节点设计技术    李建华摘要rcs组合结构体系充分发挥了钢筋混凝土柱和钢梁的优点，在建筑工程实际中得到越来越广泛的应用。首先探讨日本和美国的rcs节点主要构造方案，随后简单介绍rcs节点计算模型，最后介绍节点设计中的节点区有效尺寸问题。关键词rcs组合结构 节点设计 构造方案 节点计算模型：tb1：a：16717597（2009）051007801rcs组合结构体系即由钢筋混凝土柱与钢梁组成的组合框架结构体系，它是二十世纪八十年代初期，美国率先在传统的钢筋混凝土框架结构、钢结构以及后来的型钢混凝土框架结构的基础上成功的开发出了一种新

2、型的结构体系。由于钢筋混凝土柱相对于钢柱来说有着明显的经济优势，并且有良好的承载力及稳定性，在水平力作用下可以提供较大的抗侧刚度，能提高结构的阻尼比；用钢梁取代传统的钢筋混凝土框架梁则可以节省楼盖混凝土的模板及其支撑，加快施工进度，在相同的荷载及跨度下钢梁的高度可以大大降低，降低了结构层高，因而增加了空间的利用率，同时还可以减轻楼盖自重，降低地震作用所引起的水平荷载等。rcs组合结构即充分发挥了上述两种材料各自的优点，因而在工程应用中被越来越广泛的采用。本文即简要探讨rcs组合结构的节点设计技术。一、rcs节点主要构造方案rcs组合结构节点中同时包含了混凝土、钢筋以及钢材等三种不同性质的材料，

3、问题的关键在于如何将这几种材料在节点处进行组合，以使其满足钢梁与钢筋混凝土柱之间复杂应力的传递要求，进而充分发挥这种组合结构的优势。（一）“柱贯通式”节点构造方案“柱贯通式”节点构造方案研究比较成熟的是日本。其典型的“柱贯通式”节点构造方案中，为了保证混凝土柱的连续性，通常会将钢梁翼缘在柱表面处截断，仅仅钢梁腹板贯穿节点，同时采用比较厚的钢板箍或面承板将钢梁与柱连接起来。这一构造形式兼顾了对节点区混凝土的有效约束以及施工中混凝土浇捣的方便，但同时也存在一些问题：从结构受力性能上考虑，在支座部位钢梁受到比较大的弯矩和剪力，其中钢梁翼缘担负着将弯矩转换成拉、压力传到节点区的任务，而在受力最大部位将

4、其截断，则翼缘中的力如何传递到节点区域就成了这种构造形式必须解决的一个问题。“柱贯通式”节点构造非常复杂，对施工技术的要求很高，而且由于钢梁翼缘的截断，阻断了力的直接传递，虽然改用各种构造措施也可以来弥补，但不可避免的改变了力的传播方向，终究还是违背了力应该按照最短路径来传递的规律。1994年，日本建筑学会（aij（rcs组合结构分会总结了以前的研究开发成果，制定了rcs组合结构节点设计准则，并将上述rcs组合结构节点归类为12种标准类型，包括柱面钢板型、面承板型、延长式面承板型、内镶或外露横隔板型以及局部钢骨混凝土梁型等。（二）“梁贯通式”节点构造方案“梁贯通式”节点构造方案研究比较多的国家

5、是美国。这种节点构造方案即钢梁连续穿过钢筋混凝土柱，钢梁之间的连接部位设置在远离节点区的跨中受力较小处，从而避免了在构造和受力都相当复杂的节点区将钢梁截断而造成的违反结构概念设计的情况。“梁贯通式”节点中采用了以下构造措施来加强节点的受力能力：面承板（face bearing plate，简称fbp）它是焊接在钢梁上下翼缘之间的钢板，类似于钢梁中的加劲肋，其外表面与柱表面平齐，厚度一般不小于钢梁腹板厚度，宽度可与钢梁翼缘相同。竖向钢柱（vertical steel column，简称vsc）。竖向钢柱是设置在节点区钢梁翼缘上下的小截面钢柱，一般设置在钢梁翼缘正中位置。竖向钢柱可以和钢梁翼缘直接

6、焊接，也可以通过钢垫板用螺栓进行连接。它可以在一定高度范围内设置，或者沿柱子通长设置，和钢梁预先形成钢框架体系，承担施工荷载，方便立体施工。钢环箍（steel band plate，简称sbp）。它是设置在钢梁翼缘上下环绕混凝土柱的封闭环形钢箍，钢箍外皮与柱表明平齐，同时在箍板内侧设置加劲板，加劲板可以是三角形或梯形状钢板，也可以是在节点内沿钢梁翼缘通长设置的钢板，其高度与钢环箍相同，并与钢梁翼缘和钢环箍焊接。竖向加强筋（vertical joint reinforcement，简称vjr），它是在节点区钢梁上下翼缘靠近柱表面位置处对称设置的钢筋，可以直接焊接在翼缘上，也可以焊接在预先与钢梁翼

7、缘连接好的角钢上。竖向加强筋并不参与柱子的受力，它的主要作用是分担节点承压区的一部分压力，增强节点混凝土抵抗承压破坏的能力，同时它还可以增加节点的刚度。加焊栓钉（shear studs），一方面可以增加钢梁翼缘与混凝土材料的粘结作用，防止发生粘结滑移；另一方面与设置竖向钢柱的作用类似，栓钉也可以将钢梁中的力传递到节点外部混凝土中，形成斜压杆传力机构。除了上述方法外，还有钢板箍（steel cover plate，简称scp）和钢纤维混凝土节点（steel fiber concrete）。二、rcs节点计算模型（一）节点内部应力传递实验表明，rcs组合结构节点的承载力可以看做由内外两部分组成：即

8、内部抵抗机构和外部抵抗机构。钢梁的应力首先传递到内部抵抗机构上，然后再传递到外部抵抗机构上，而内外抵抗机构之间的力则通过钢筋混凝土的抗剪作用来传递，作用于内外机构之间的剪力可以分解为水平方向和竖直方向的一对剪力偶，并且内外抵抗机构之间的应力传递通常发生在节点出现腹板剪切破坏或混凝土承压力破坏时。作用在混凝土柱中的弯矩（mc）和剪力（vc）根据节点的内外两种抵抗机构相应的分为两部分：mc=mci+mco；vc=vci+vco；其中mci、mco分别为作用于内外抵抗机构上的弯矩；vci、vco分别为作用于内外抵抗机构上的剪力。（二）节点破坏模式节点内部抵抗机构有两种主要的破坏模式：腹板剪切破坏以及

9、混凝土受压破坏。这两种破坏模式是经过大量试验研究所证实了的，尽管这两种破坏主要发生在节点内部机构，不过它们通常被用来代表整个节点的破坏模式。其中腹板剪切破坏与型钢混凝土节点或钢结构节点的破坏形式相同，其主要破坏特征为节点区钢梁腹板屈服和混凝土出现斜向裂缝；而混凝土受压破坏的主要特征为钢梁的刚体转动、受压区混凝土压碎以及钢梁与混凝土柱之间出现比较大的缝隙。在rcs组合结构节点的试验中，人们发现节点外部抵抗机构也存在两种破坏模式：即粘结破坏与剪切破坏，外部抵抗机构的破坏主要是由作用于其上的剪力引起的，它们与作用于内部抵抗机构上的剪力大小相等，但方向相反。粘结破坏主要是由柱中竖向主筋周围的混凝土不断

10、出现裂缝以及局部压碎引起；剪切破坏则与钢筋混凝土结构类似，主要特征为混凝土斜向裂缝和横向钢筋屈服。由图1知节点总体内力关系为：vb,b=vbi,b+vbo；vb,s=vbi,s+vbo。其中，vb,b为节点受压承载力；vb,s为节点受剪承载力；vbi,b为节点发生受压破坏时内部抵抗机构所分担的内力；vbi,s为节点发生剪切破坏时内部抵抗机构所分担的内力；vbo为节点破坏时外部抵抗因素所分担的内力。三、节点区有效尺寸分节点区有效高度和有效宽度两个方面来说明：（1）节点区有效高度。由于rcs组合结构节点设置了延长式面承板、竖向钢柱或竖向加强筋等细部构造措施，使得水平剪力可以从高出钢梁翼缘上下面的地

11、方传入节点，从而客观上增加了节点区的有效高度。美国学者deierlein（1988）曾经指出，rcs组合结构节点的有效高度与节点的细部构造特征有关，是附加在节点区钢梁翼缘上的剪力键高度的函数，但不应大于1.5倍梁高。由此我们可以看出，rcs组合结构节点区的有效高度并不是一个确定值，要根据节点实际构造来确定，本文中为简化起见，取一平均值，即：dj=1.25hb。其中，hb为钢梁高度。（2）节点区有效宽度。研究表明，在外力作用下，梁柱节点区各部分的应力是不均匀的，也就是说有其中核心的一部分参与了抵抗大部分外荷载的工作，因此有必要确定节点核区的有效宽度。在受力模型中，节点的抵抗机构分为内外两部分，而

12、其有效宽也可以看做这两部分的迭加，即：bj=bi+b0；其中bi、b0分别为节点内部和外部抵抗机构的宽度。而bi计算公式为：bi=max(bp,bf)；式中，bp为面承板宽度，bf为钢梁翼缘宽度。b0计算公式为：b0=c(bmaxbi）；其中，bmax为节点区的最大宽度，c为衡量节点细部构造向外部机构传力效率的系数。以上所介绍的节点外部抵抗机构宽度的计算均假定节点设置面承板，当节点没有面承板时，则需要进行调整。无面承板的节点需要分“节点区不存在直交梁”和“节点区存在直交梁”两种情况考虑，具体过程由于篇幅原因，在此不再赘述。四、结束语rcs组合结构节点设计技术包含丰富的内容，本文仅从其中几个方面，对这一理论做了简单的探讨，具体工程设计中，由于rcs组合结构节点混凝土受压破坏的显著特征是与钢梁翼缘所接触的柱中混凝土被压碎，所以还要严格限制节点发生受压破坏，即要考虑节点发生混凝土受压破坏时设计方法，当然设计最后还要进行节点受剪承载力计算等。参考文献：1赵鸿铁，张素梅，组合结构原理m.北京：高等教育出版社，2005.2高立人，钢梁-混凝土柱组合框架结构在国外的发展j.建