CFRP-鋼管混凝土柱鋼梁節(jié)點(diǎn)的發(fā)展概況

車媛

摘 要：在工程中應(yīng)用鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)能有效發(fā)揮出各類型材料的優(yōu)點(diǎn)，并且能避免單一材料缺點(diǎn)帶來的不良影響。隨著工程結(jié)構(gòu)面向高層、大跨度及重載等方向發(fā)展，對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)性能的要求不斷提高，希望能夠在保持結(jié)構(gòu)性能不變的基礎(chǔ)上減少鋼的使用量，并且希望鋼管混凝土結(jié)構(gòu)本身可以更加輕便、截面面積更小。在這樣的情況下，CFRP-鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用越來越廣泛，工程質(zhì)量得到顯著提升?；诖?，本文對(duì)CFRP-鋼管混凝土柱鋼梁節(jié)點(diǎn)的發(fā)展概況進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

關(guān)鍵詞：CFRP;鋼管混凝土柱鋼梁節(jié)點(diǎn);方鋼管混凝土柱鋼梁節(jié)點(diǎn);CFRP約束混凝土

中圖分類號(hào)：TU398.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）25-0090-03

Abstract： The application of CFST composite structure in engineering can effectively play the advantages of various types of materials， and can avoid the adverse effects of single material defects. With the development of engineering structure in the direction of high-rise， large span and heavy load， the requirements for the performance of concrete-filled steel tube structure are constantly improved. It is hoped that the steel consumption can be reduced on the basis of keeping the structural performance unchanged， and the concrete-filled steel tube structure itself can be more portable and have a smaller cross-section area. In this case， cfrp-cfst structure is widely used in engineering， and the engineering quality has been significantly improved. Based on this， this paper briefly analyzed the development of cfrp-cfst column steel beam joints.

Keywords： CFRP;concrete-filled steel tube column beam node;concrete filled square steel tube column steel beam joint;CFRP confined concrete

CFRP-鋼管混凝土柱鋼梁節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用增加了核心混凝土受力的復(fù)雜性，同時(shí)，也提高了該結(jié)構(gòu)本身的綜合性能，在工程中有著極為重要的作用。現(xiàn)階段，對(duì)CFRP-鋼管混凝土柱鋼梁節(jié)點(diǎn)的研究逐漸增多，其在工程中的應(yīng)用也越來越廣泛，節(jié)點(diǎn)類型也不斷得到優(yōu)化。本文主要探討CFRP-鋼管混凝土柱鋼梁節(jié)點(diǎn)的發(fā)展概述。

1 CFRP-鋼管混凝土柱鋼梁節(jié)點(diǎn)的研究現(xiàn)狀

1.1 方鋼管混凝土柱鋼梁節(jié)點(diǎn)的研究現(xiàn)狀

CFRP-鋼管混凝土柱鋼梁節(jié)點(diǎn)在工程中發(fā)揮的作用越來越大，工程的質(zhì)量也得到整體提升?，F(xiàn)階段對(duì)方鋼管混凝土柱鋼梁節(jié)點(diǎn)的研究具體可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)。第一，選擇合適的方鋼管混凝土柱鋼梁內(nèi)隔板式作為樣本，以“十字形”節(jié)點(diǎn)作為案例實(shí)施靜力拉伸試驗(yàn)，測(cè)量?jī)?nèi)隔板、梁翼緣和柱翼緣的應(yīng)變情況，從而掌握梁柱連接之處傳遞應(yīng)力的方式。在屈服線理論的基礎(chǔ)上，分析計(jì)算方鋼管混凝土柱鋼梁內(nèi)隔板式節(jié)點(diǎn)承載能力的公式[1]。通過合適的理論分析及試驗(yàn)研究，提出關(guān)于該結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的相關(guān)建議，且研究成果已經(jīng)被相關(guān)技術(shù)規(guī)范采用。但不足之處在于，受到試件本身設(shè)計(jì)的影響，并沒有獲得節(jié)點(diǎn)極限承載力的相關(guān)信息和數(shù)據(jù)。第二，許成祥等選擇7個(gè)方鋼管混凝土環(huán)梁節(jié)點(diǎn)作為研究?jī)?nèi)容，對(duì)其實(shí)施低周往復(fù)加載試驗(yàn)，對(duì)往復(fù)荷載作用力所造成的破壞過程以及特點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)研究和分析，在試驗(yàn)研究中確定屈服載荷、開裂載荷、破壞載荷以及極限載荷等;同時(shí)，對(duì)節(jié)點(diǎn)的抗震性能展開研究，在這個(gè)基礎(chǔ)上將其與圓鋼管混凝土環(huán)梁節(jié)點(diǎn)的性能和作用進(jìn)行對(duì)比，二者在受力方面具有一致性[2]。

1.2 CFRP約束混凝土研究現(xiàn)狀

在關(guān)于CFRP的研究中，有的研究人員選擇12根內(nèi)置的CFRP圓管的方鋼管進(jìn)行軸向力加載試驗(yàn)，得出軸壓短柱荷載-應(yīng)變曲線，在試驗(yàn)過程中改變CFRP層數(shù)，分析CFRP在不同配置率條件下所能達(dá)到的柱承載力。試驗(yàn)結(jié)果表明，柱承載力隨著CFRP配置率的升高而升高;同時(shí)，對(duì)CFRP-鋼管混凝組合的經(jīng)濟(jì)性，在承載力相同的情況下，內(nèi)置CFRP圓管的方鋼管經(jīng)濟(jì)價(jià)值更高。有研究人員選擇使用14根內(nèi)置CFRP圓管，以偏壓試驗(yàn)方法檢測(cè)方鋼管混凝土短柱性能，試驗(yàn)的參數(shù)包括偏心率、含鋼率及CFRP層數(shù)。結(jié)果表明：小偏壓構(gòu)件受到拉力影響一側(cè)的內(nèi)管和外管共同作用，其工作性能良好，而大偏壓構(gòu)件受到壓力影響一側(cè)的內(nèi)管和外管共同作用，具有良好的工作性能;偏心距越大，構(gòu)件所具有的承載力也就越小，當(dāng)平均偏心距增加幅度達(dá)到7.5%時(shí)，構(gòu)件的承載能力下降幅度將會(huì)達(dá)到20%，外鋼管承受壓力區(qū)域的泊松比變化隨著偏心距的加大而變小等[3]。也有研究人員采用有限元模擬內(nèi)置CFRP圓管的鋼管混凝土柱鋼梁外環(huán)板節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能，在試驗(yàn)中研究混凝土強(qiáng)度、含鋼率、CFRP配置率及環(huán)板寬度等條件對(duì)節(jié)點(diǎn)骨架曲線產(chǎn)生的影響，并計(jì)算節(jié)點(diǎn)的延性、耗能能力及剛度退化等指標(biāo)，了解CFRP-鋼管混凝組合的抗震性能，以便在工程建設(shè)中進(jìn)行合理利用。

2 CFRP-鋼管混凝土柱鋼梁節(jié)點(diǎn)類型及其特點(diǎn)

2.1 加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)

加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)又分為內(nèi)加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)、外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)和隔板貫通式加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)。

第一，內(nèi)加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)。該形式的節(jié)點(diǎn)是在鋼管柱上直接焊接腹板和鋼梁翼緣板，也可以將其與鋼管壁向外延伸的位置進(jìn)行焊接。焊接時(shí)，要注意鋼梁的翼緣和內(nèi)加強(qiáng)環(huán)應(yīng)保持在相同的水平面上。與外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)相比，該節(jié)點(diǎn)的鋼的使用量較少，但焊接量較大，并且容易產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力。內(nèi)環(huán)板焊接施工對(duì)位置的要求非常嚴(yán)格，且此類型的節(jié)點(diǎn)只適合應(yīng)用在截面尺寸較大的工程中，實(shí)際應(yīng)用有一定限制。

第二，外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)。此類型節(jié)點(diǎn)的理論研究是目前最為成熟的，其是工程中應(yīng)用非常廣泛的節(jié)點(diǎn)形式，施工規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)也給出構(gòu)建建議和設(shè)計(jì)公式。在鋼管混凝土柱和鋼梁上翼緣、下翼緣之間交接處焊接加強(qiáng)環(huán)，并且在鋼管壁上直接焊接鋼梁腹板。該形式節(jié)點(diǎn)的主要特點(diǎn)是傳力可靠、明確及構(gòu)造極為簡(jiǎn)單，延性和耗能等性能較好。但是，鋼的使用量和施工現(xiàn)場(chǎng)焊接量較大。在工程實(shí)際施工中，如果節(jié)點(diǎn)的受力較大，則外加強(qiáng)環(huán)板普遍有較大的寬度，對(duì)工程的美觀性、建筑工程的室內(nèi)以及室內(nèi)裝修等工作都會(huì)產(chǎn)生影響[4]。

第三，隔板貫通式加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)。貫通鋼管壁隔板設(shè)置在鋼管柱內(nèi)部的梁翼緣位置上，隔板與上鋼管柱、下鋼管柱以及外伸隔板與鋼梁翼緣采用坡口焊接的方式進(jìn)行焊接，鋼管柱壁和鋼梁腹板之間在連接板的輔助下使用高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接，柱壁和連接板之間采用雙面角焊縫的方式進(jìn)行焊接。同時(shí)，為保證隔板的使用效果，需要設(shè)置透氣孔和澆筑孔。該類型節(jié)點(diǎn)的主要特點(diǎn)是受力可靠、傳力明確、塑性性能良好。但是，該節(jié)點(diǎn)的施工較為復(fù)雜，鋼的使用量較大，尤其是鋼管截面面積比較小時(shí)，在鋼管內(nèi)焊接隔板的難度非常高。

2.2 穿心螺栓式節(jié)點(diǎn)

穿心螺栓式節(jié)點(diǎn)的主要優(yōu)點(diǎn)是CFRP-鋼管混凝土柱與鋼梁傳力明確、塑性性能良好、剛度大;同時(shí)，在施工中應(yīng)用具有明顯的便捷性，可以進(jìn)行工程化量產(chǎn)，可在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝，能有效縮短施工時(shí)間等。但是，穿心螺栓式節(jié)點(diǎn)價(jià)格昂貴，經(jīng)濟(jì)性能較差。

2.3 綴板焊接式節(jié)點(diǎn)

綴板焊接式節(jié)點(diǎn)具體可以分為T形加勁肋式節(jié)點(diǎn)和外肋環(huán)板節(jié)點(diǎn)兩種形式。

第一，T形加勁肋式節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)是在鋼管柱壁上焊接加勁肋板，加勁肋板需要與水平環(huán)板的一側(cè)進(jìn)行焊接。水平環(huán)板作為中間媒介將一部分鋼梁荷載傳遞給柱，加勁肋則將一部分鋼梁載荷傳遞給柱壁。從整體情況來看，該節(jié)點(diǎn)沒有凸出部件，并且具有剛度大、平整規(guī)則、耗能能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

第二，外肋環(huán)板節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)是以外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)作為基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化而形成的，是將原本柱兩側(cè)外加強(qiáng)環(huán)板進(jìn)行創(chuàng)新更改，使其平貼于鋼管柱壁，外類板和梁翼緣進(jìn)行焊接。該節(jié)點(diǎn)能夠有效克服外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)尺寸過大所導(dǎo)致的工程角存在凸起的不足;具有節(jié)點(diǎn)域剛度強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，并且沒有限制柱截面面積大小，在輕型、多層鋼結(jié)構(gòu)住宅等柱截面面積較小類型工程施工中的應(yīng)用非常合適;構(gòu)造簡(jiǎn)單、傳力明確、便于施工。

3 CFRP-鋼管混凝土柱鋼梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原則

CFRP-鋼管混凝土組合型結(jié)構(gòu)在工程中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)為截面面積小、承載力較高以及抗震性能良好等，因此，其在高層多層等類型的建筑工程中，尤其是在抗震等級(jí)要求為特一級(jí)、一級(jí)或者對(duì)重載性能要求較高的建筑物中應(yīng)用非常廣泛。CFRP-鋼管混凝土柱與鋼梁共同構(gòu)成框架結(jié)構(gòu)，也可以與剪力墻共同構(gòu)成框剪結(jié)構(gòu)，同時(shí)也能與鋼筋混凝土核心筒共同構(gòu)成框筒結(jié)構(gòu)。無論是在哪一種結(jié)構(gòu)中，鋼筋混凝土柱都具有連貫性特點(diǎn)，即能從工程的基礎(chǔ)貫通到頂端[5]。因此，在建筑工程中應(yīng)用CFRP-鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土柱的側(cè)面需要與各樓層橫梁進(jìn)行連接，而此時(shí)混凝土柱就會(huì)承受來自于橫梁的力，其工作性能會(huì)受到影響。例如：混凝土柱在承受來自于橫梁的徑向拉力時(shí)，能有效降低鋼管的套箍作用，進(jìn)而導(dǎo)致鋼管混凝土柱的承載性能下降。為最大限度地降低這種不良影響，需要在柱和鋼梁接觸的平面上設(shè)置加強(qiáng)件，使橫梁的拉力可以從一側(cè)橫梁傳遞到另一側(cè)。在這樣的背景下，節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)難度增加。因此，需要在設(shè)計(jì)CFRP-鋼管混凝土柱鋼梁節(jié)點(diǎn)時(shí)遵循以下原則。

3.1 不能過分依賴黏結(jié)力和摩擦力

在CFRP-鋼管混凝土柱鋼梁節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)工作中，很難確定剪力傳遞過程中鋼管壁與節(jié)點(diǎn)核心區(qū)域黏結(jié)力、摩擦力的作用，這是由于二者在數(shù)值上的差異存在很大不確定性，并且容易在復(fù)雜的受力過程中發(fā)生損壞[6]。因此，需要在設(shè)計(jì)過程中將黏結(jié)力和摩擦力的作用作為重點(diǎn)因素進(jìn)行考慮，減少節(jié)點(diǎn)對(duì)二者的依賴性，從而提高節(jié)點(diǎn)的安全性。

3.2 合理提高直接傳遞到鋼管柱彎矩的能力

CFRP-鋼管混凝土柱鋼梁節(jié)點(diǎn)很難實(shí)現(xiàn)直接傳遞拉力，這與普通混凝土框架節(jié)點(diǎn)不同，故而此類節(jié)點(diǎn)彎矩分配性能會(huì)受到影響。這就需要在設(shè)計(jì)過程中保證連接構(gòu)件作用力傳遞到鋼管混凝土，或者核心混凝土上的途徑要盡量短。因此，在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)過程中，需要提高節(jié)點(diǎn)直接傳遞彎矩的性能，進(jìn)而保證鋼管柱能參與到節(jié)點(diǎn)彎矩分配工作中，從而發(fā)揮出該結(jié)構(gòu)在力學(xué)性能方面的優(yōu)勢(shì)[7]。

3.3 提高節(jié)點(diǎn)整體剛度

承載力和剛度是節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能極為重要的兩個(gè)指標(biāo)。在設(shè)計(jì)工作中，需要設(shè)計(jì)人員特別重視節(jié)點(diǎn)在工程中能發(fā)揮的極限承載力，并且重視節(jié)點(diǎn)整體的穩(wěn)定性和剛度，從而減少節(jié)點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用過程中開裂和變形情況的發(fā)生概率。在遵循以上設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，提高節(jié)點(diǎn)的整體剛度，進(jìn)而提高其穩(wěn)定性，才能使其發(fā)揮作用。

4 結(jié)語

CFRP-鋼管混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)在建筑、橋梁等工程中的應(yīng)用越來越廣泛，加強(qiáng)研究有利于加深對(duì)該結(jié)構(gòu)的了解。而柱、鋼梁節(jié)點(diǎn)作為該結(jié)構(gòu)的重要組成部分，需要進(jìn)一步減少結(jié)構(gòu)中鋼的使用量，提高節(jié)點(diǎn)安全性和穩(wěn)定性，以便進(jìn)一步優(yōu)化節(jié)點(diǎn)性能，從而有效發(fā)揮節(jié)點(diǎn)在CFRP-鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中的作用。

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