天津大学张锡治研究员为您解读预制混凝土管组合柱-钢梁连接节点抗震性能

装配式建筑是建筑业实现碳达峰、碳中和目标的重要途径。2022年1月，住房和城乡建设部印发的《“十四五”建筑业发展规划》中指出要大力发展装配式建筑，加大高性能混凝土、高强钢筋等技术集成应用。研发高效组装的新型装配式结构体系，加强装配式建筑抗震防灾理论研究，提升装配式建筑应对不确定地震风险的响应能力，是建筑业实现高质量发展亟需开展的重要工作。

装配式钢筋混凝土柱-钢梁（RCS）混合框架结构体系结合了混凝土和钢结构体系各自优势，是一种高效经济的结构形式，工业化建造特性突出。课题组结合成熟的离心生产工艺和钢结构节点连接技术，提出预制混凝土管组合柱-钢梁装配式混合框架结构体系，如图1所示。预制混凝土管组合柱由离心工艺生产的预制混凝土管和芯部混凝土组合而成，预制混凝土管采用高强混凝土（或超高性能混凝土）并在管中配置纵筋和高强连续螺旋箍筋。在装配现场吊装完预制混凝土管后，通过灌注芯部混凝土（普通混凝土）使之成为整体协同受力的组合柱。预制混凝土管组合柱制作时在楼层处设置钢套箍，内侧设置抗剪键，通过外环板或内隔板实现与钢梁的快速装配连接。楼板可采用预制叠合板或压型钢板-混凝土组合楼板等形式。

装配式RCS混合框架体系的抗震性能和安全主要取决于节点的连接性能。为此，针对提出的预制混凝土管组合柱-钢梁装配式混合框架结构体系，课题组开展了预制混凝土管组合柱、预制混凝土管组合柱-钢梁连接节点的系列试验研究。相关研究成果发表在《建筑结构学报》2022年第4期和第7期。

试件模型选取多层多跨框架结构中间层梁、柱反弯点的梁柱组合单元，共设计6个1/2缩尺节点试件（CRCS1~CRCS6），试件几何尺寸及配筋如图2所示。为研究节点域受剪性能，各试件均为“弱节点”构造，以使节点域率先发生剪切破坏。为避免试验过程中钢梁与外环板焊接带来的不确定因素，制作时钢梁翼缘与外环板加工成整体，腹板与钢梁翼缘、外环板和钢套箍焊接连接。钢套箍采用Q235钢，内侧设置抗剪栓钉。试验主要参数为轴压比 n 、钢套箍延伸高度 h _e 、芯部混凝土强度 f _{cu ,f} 和钢套箍厚度 t _j 。预制混凝土管组合柱-钢梁连接节点的制作流程如图3所示。试验加载装置如图4所示。

3.1  破坏形态与滞回性能

各试件破坏过程和破坏现象基本相似（图5），破坏模式均为节点区破坏，包括节点域剪切破坏和节点上下柱端混凝土保护层局部剥落破坏，其中节点域剪切破坏导致了节点的最终失效。各试件破坏时，节点域钢套箍腹板鼓曲明显，在对角线方向形成明显的拉压应力带；核心区混凝土破坏严重，核心区内预制管混凝土压碎，可观察到内部混凝土的斜向裂缝（图6、图7）；钢梁和外环板未出现屈曲现象，柱身最大裂缝宽度约0.2 mm，损伤程度较轻。

各试件层剪力-位移角（ V - R ）滞回曲线如图8所示。滞回曲线较饱满，存在一定程度的捏缩，呈现为典型的弓形，耗能能力较好。试验参数影响规律为：1）轴压比越大，滞回曲线下降段越陡，峰值后阶段变形能力降低；2）钢套箍延伸高度增加提高了节点区钢套箍对内部混凝土的约束作用，减轻了节点域内混凝土的损伤，使得变形能力有所提高；3）相比芯部混凝土强度较低的试件，芯部混凝土强度较高试件的滞回曲线相对更饱满，但两者滞回曲线卸载刚度基本相同；4）节点区钢套箍厚度减小，节点初始刚度基本不变，但峰值荷载降低明显。

3.2  节点域钢套箍应变与节点域剪切变形

图9给出了节点域钢套箍腹板的剪应变发展规律。各试件节点域钢套箍腹板剪应变在节点屈服前发展缓慢，屈服后迅速增大；节点屈服时，各测点剪应变均已超过屈服应变，钢套箍腹板进入全截面屈服状态。钢套箍腹板中部区域剪应变的发展快于角部，率先进入屈服或强化阶段。

各试件节点域剪力-剪切变形曲线如图10所示。各试件节点域剪切变形在屈服前较小，之后增长逐渐加快，至峰值剪力时，剪切变形值介于0.0200 ~ 0.0385 rad之间；峰值剪力后各试件剪切变形呈快速增长趋势，破坏时各试件剪切变形发展较为充分，其值介于0.0482 ~ 0.100 rad之间；各试件节点域剪切变形的发展趋势与试验现象相吻合。

图10 剪力-剪切变形曲线

试验参数影响规律为：1）钢套箍延伸高度增加减轻了节点上下柱端混凝土损伤，使得节点域剪切变形发展更为充分；2）增大轴压比加快了节点域剪切变形发展，导致节点较早发生破坏，不利于“强节点”的实现；3）提高芯部混凝土强度能有效减少节点域剪切变形，提高节点刚度和承载能力；4）钢套箍厚度对节点域剪切变形影响较大，增加钢套箍厚度可有效减小节点域剪切变形，提高节点抗震性能。

3.3 数值模拟分析

建立了节点精细化三维数值模型，研究了节点全过程受力机理和关键参数对节点受力性能的影响 ^[1] ，模拟结果如图11所示。柱身以弯曲裂缝为主，加载后期向柱中轴线斜向发展，钢套箍上下柱端混凝土受压损伤破坏，芯部混凝土与预制混凝土管协同工作性能良好，最终破坏模式为节点域剪切破坏，与试验现象吻合；在往复荷载作用下，钢套箍屈服拉压应力带和核心区混凝土斜压杆机构共同抵抗节点剪力。

3.4  节点受剪机理与受剪承载力计算

根据对试验现象、破坏形态和数值模拟等结果进行分析，可知该类型节点的受力机制为节点域钢套箍腹板“剪力墙”机构和混凝土斜压杆机构的综合作用（图12）。节点域混凝土应力传递机制如图13所示。

节点域受剪承载力主要由钢套箍腹板受剪承载力和混凝土斜压杆受剪承载力两部分组成，混凝土受剪承载力部分取混凝土斜压杆极限抗压强度的水平分量，考虑预制混凝土管和芯部混凝土强度差异，推导得到预制混凝土管组合柱-钢梁节点受剪承载力计算式：

按式（1）计算所得的节点受剪承载力计算值与试验值之比的平均值为0.89，变异系数为0.03，计算值与试验值吻合较好（图14）。

预制混凝土管组合柱-钢梁装配式混合框架结构体系结合现有成熟的离心生产工艺，兼顾结构性能、施工效率和经济性，符合建筑产业化发展要求，具有预制柱构件标准化程度高、节点质量可靠、装配施工效率高等特点，在停车楼、宿舍、办公楼、工业厂房等民用和工业建筑中具有广阔的应用前景。目前，该体系已在多个项目中成功应用（图15），取得了良好的经济和社会效益。

参考文献：

[1] 张锡治,李星乾,章少华,等. 预制混凝土管组合柱-钢梁节点核心区受力性能分析[J].天津大学学报(自然科学与工程技术版)，2022，55(4):428-440.