约束混凝土柱-组合梁混合结构应用研究

□文/王玉良 于庆荣

□于庆荣/天津大学建筑工程学院。

约束混凝土柱-组合梁混合结构应用研究

□文/王玉良 于庆荣

由约束混凝土柱和组合梁组成的混合结构能够克服钢筋混凝土梁、柱的截面大、自重大、抗震不利、施工麻烦的缺点。该结构的特点在于约束混凝土柱的箍筋直径、间距、配箍特征值、平均约束应力和轴压比限值等。梁和柱的节点是该结构体系的核心问题，比较端板螺栓连接节点、钢筋连接节点、角钢桁架节点的试验，以端板螺栓连接节点和角钢桁架节点为好。通过约束混凝土柱-组合梁混合结构体系与异形柱结构体系实际工程设计用材对比，该结构能够节省混凝土、钢材用量。

约束混凝土柱；组合梁；混合结构

随着我国建筑产业的发展，高层建筑、大跨度建筑中单纯采用钢筋混凝土结构会增加构件截面和自重，已不甚合理；由于混凝土的抗拉强度微小到可以忽略，因此对于多拉区的结构、构件采用混凝土也是不合理的。钢和混凝土各有自身的优点和缺点，钢结构的优点是强度高、自重轻，其缺点是受压失稳和不耐火，适用于抗拉、超高层、大跨度。混凝土构件的刚度大、耐火，适用于抗压而不适于抗拉，缺点是自重很大。如果将两种结构混合使用将会扬长避短，是节能减排、减轻自重的有效途径。高强箍筋约束高强混凝土柱和钢与混凝土组合梁的混合结构就是一种充分发挥混凝土结构和钢结构各自的优点、避免其各自缺点的结构形式。

约束混凝土柱的构造特点

高强箍筋约束高强混凝土柱（见图1）采用高强箍筋（fyv≥1100MPa）、小肢距的连续复合螺旋箍对高强混凝土形成有效约束，提高构件的承载力，增强其抗变形能力。

约束混凝土柱的构造特点在于箍筋直径、间距、配箍特征值、平均约束应力和轴压比限值等。

（1）框架柱和框支柱上下两端箍筋应加密，加密区的箍筋最大间距和箍筋最小直径见表1。

表1 柱端箍筋加密区的构造要求 mm

（2）框架柱的箍筋加密区长度应取柱截面长边尺寸、柱净高的1/6和500mm中的最大值。一、二级抗震等级的角柱应沿柱全高加密箍筋。高强箍筋约束混凝土柱能在很大范围内变小偏压为大偏压，见图2。增加塑性变形能力，可以提高轴压比限值，见表2。

表2 约束混凝土框架柱轴压比限值

（3）柱采用高强箍筋时，加密区箍筋的体积配筋率应符合式（1）规定

表3 柱箍筋加密区的箍筋最小配箍特征值

框架柱应采用复合高强箍或井字复合箍，其最小配箍特征值应按表中的数值增加0.02取用且体积配筋率≮1.5%。

当剪跨比λ≤2时，一、二、三级抗震等级的柱应采用复合高强箍或井字复合箍，其箍筋体积配筋率≮1.2%。

在柱箍筋加密区外，箍筋的体积配筋率不宜小于加密区配箍率的一半。

高强箍筋加密区内平均约束应力σr=pwfvv应满足表4要求。

表4 箍筋加密区的最小平均约束应力 MPa

框架柱的箍筋加密区长度应取柱截面长边尺寸（或圆形截面直径）、柱净高的1/6和500mm中的最大值；框支柱和角柱以及剪跨比＜2的框架柱应在柱全高范围内加密箍筋且箍筋间距≯50mm；长柱在柱端加密区以外箍筋间距≯100mm。

梁、柱配置连续螺旋箍，在中部搭接时，长度宜超过两个转角，在端部锚固长度宜大于一圈，末端均设有135°弯钩加10d直线段，锚固在核心混凝土内。

梁、柱节点

约束混凝土柱-组合梁混合结构梁、柱节点在日本进行过将近50种不同构造的节点试验，取得大量的成果。以下仅对端板螺栓连接节点（图3）、钢筋连接节点（图4）和角钢桁架节点（图5）3种构造节点的试验进行研究。

试验结果表明，端板螺栓连接节点与角钢桁架节点的抗震性能较好。实尺寸模型试验的滞回曲线见图6。滞回曲线在大变形时由于钢板箍或角钢桁架的约束承载力很少下降，而且滞回环饱满。它和相同尺寸的方形钢管混凝土柱钢梁节点的滞回曲线相比，是比较优越的。

钢筋连接节点实尺寸模型试验的滞回曲线见图7，承载力在峰值后很少下降，只是有钢筋粘接破坏的滑移现象。

组合梁下部型钢在约束柱混凝土上，混凝土局部受压应力集中，混凝土会压碎而失去承载力。为此节点部位在钢梁下翼缘下设钢板箍，钢板箍本身能承受压力，同时它约束混凝土增加混凝土局部受压承载力，钢板箍尺寸应满足 tw/hb≥1/33，hw/hb≥1/5，tw/bc≥1/38。

式中：tw——窄钢板箍厚度；

hw——窄钢板箍高度；

hb——梁型钢高度；

bc——柱截面宽度。

节点核心区内部配箍筋施工困难，前两种节点用宽钢板箍代替箍筋，施工方便。角钢桁架节点试验的滞回曲线见图8，滞回环十分饱满。梁I字型钢可以直通或切断翼缘。对于边节点I型钢伸入节点混凝土内部应设计为机械锚固。角钢伸出节点外宜取1.5hc，hc为柱截面高度，是加强柱端承载力。

钢筋连接节点的粘结破坏，形成滞回曲线的滑移现象，克服的办法是在连接钢筋上焊机械锚固钢件。钢筋连接节点施工比较麻烦。

角钢桁架节点在角钢肢内部焊钢筋（相当于箍筋）。在有垂直梁时则角钢上焊钢板，另一端焊于梁工型钢腹板上。

经济效益

约束混凝土柱-组合梁混合结构体系减轻了结构自重（特别是梁重）。例如一根6m跨的钢筋混凝土梁，改用约束混凝土柱组合梁即可以减少自重近20kN，相应的节省水泥。它简化了梁的配筋，浇筑楼板可以省去支架，钢筋工与混凝土工都可以加快施工进度；最重要的是由于约束混凝土柱和组合梁的塑性变形能力很好，能确保抗震的安全。

以天津清水家园1号工程为例，设计采用异形柱结构体系和采用约束混凝土柱-组合梁混合结构体系设计2种体系，所需材料见表5。

表5 天津清水家园2种结构体系用材对比

结语

约束混凝土柱-组合梁混合结构体系是一种新兴的组合结构体系。约束混凝土柱的性能类似钢管混凝土柱，由于柱中核心区混凝土受到有效约束，从而提高了柱的强度与延性。为保证结构约束效果，必须满足相应的箍筋直径、间距、配箍特征值、平均约束应力和轴压比限值要求。梁和柱的节点是该结构体系的核心问题，节点采用钢板箍约束节点区混凝土，承载组合梁对混凝土的剪力、压力都是十分有效的。比较端板螺栓连接节点、钢筋连接节点、角钢桁架节点的试验，以端板螺栓连接节点和角钢桁架节点为好。

[1]马宏伟，姜维山，于庆荣，等.连接钢筋传力的组合梁及复合螺旋箍混凝土柱节点的研究[J].东南大学学报（自然科学版）,2002,32（5）：10-13.

[2]陈林.钢-混凝土组合梁与钢筋混凝土柱节点设计方法的试验研究[D].南京：东南大学，2003.

[3]Chin-Tung Cheng,Cheng-Chin Chen．Seismic Behavior of Steel Beamand Reinforced Concrete Column Connections[J]．Journal of Constructional Steel Research,2005，61（9）：587-606．

TU398

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1008-3197（2010）01-09-04

2010-02-01

王玉良/男，1978年出生，讲师，博士，天津城市建设学院土木工程系，主要从事混凝土结构和组合结构方面研究。

□于庆荣/天津大学建筑工程学院。