CFRP-钢管混凝土柱钢梁节点的发展概况

车媛

摘 要：在工程中应用钢管混凝土组合结构能有效发挥出各类型材料的优点，并且能避免单一材料缺点带来的不良影响。随着工程结构面向高层、大跨度及重载等方向发展，对钢管混凝土结构性能的要求不断提高，希望能够在保持结构性能不变的基础上减少钢的使用量，并且希望钢管混凝土结构本身可以更加轻便、截面面积更小。在这样的情况下，CFRP-钢管混凝土结构在工程中的应用越来越广泛，工程质量得到显著提升。基于此，本文对CFRP-钢管混凝土柱钢梁节点的发展概况进行简要分析。

关键词：CFRP;钢管混凝土柱钢梁节点;方钢管混凝土柱钢梁节点;CFRP约束混凝土

中图分类号：TU398.9文献标识码：A文章编号：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-钢管混凝土柱钢梁节点结构的应用增加了核心混凝土受力的复杂性，同时，也提高了该结构本身的综合性能，在工程中有着极为重要的作用。现阶段，对CFRP-钢管混凝土柱钢梁节点的研究逐渐增多，其在工程中的应用也越来越广泛，节点类型也不断得到优化。本文主要探讨CFRP-钢管混凝土柱钢梁节点的发展概述。

1 CFRP-钢管混凝土柱钢梁节点的研究现状

1.1 方钢管混凝土柱钢梁节点的研究现状

CFRP-钢管混凝土柱钢梁节点在工程中发挥的作用越来越大，工程的质量也得到整体提升。现阶段对方钢管混凝土柱钢梁节点的研究具体可以总结为以下几点。第一，选择合适的方钢管混凝土柱钢梁内隔板式作为样本，以“十字形”节点作为案例实施静力拉伸试验，测量内隔板、梁翼缘和柱翼缘的应变情况，从而掌握梁柱连接之处传递应力的方式。在屈服线理论的基础上，分析计算方钢管混凝土柱钢梁内隔板式节点承载能力的公式[1]。通过合适的理论分析及试验研究，提出关于该结构节点设计的相关建议，且研究成果已经被相关技术规范采用。但不足之处在于，受到试件本身设计的影响，并没有获得节点极限承载力的相关信息和数据。第二，许成祥等选择7个方钢管混凝土环梁节点作为研究内容，对其实施低周往复加载试验，对往复荷载作用力所造成的破坏过程以及特点进行重点研究和分析，在试验研究中确定屈服载荷、开裂载荷、破坏载荷以及极限载荷等;同时，对节点的抗震性能展开研究，在这个基础上将其与圆钢管混凝土环梁节点的性能和作用进行对比，二者在受力方面具有一致性[2]。

1.2 CFRP约束混凝土研究现状

在关于CFRP的研究中，有的研究人員选择12根内置的CFRP圆管的方钢管进行轴向力加载试验，得出轴压短柱荷载-应变曲线，在试验过程中改变CFRP层数，分析CFRP在不同配置率条件下所能达到的柱承载力。试验结果表明，柱承载力随着CFRP配置率的升高而升高;同时，对CFRP-钢管混凝组合的经济性，在承载力相同的情况下，内置CFRP圆管的方钢管经济价值更高。有研究人员选择使用14根内置CFRP圆管，以偏压试验方法检测方钢管混凝土短柱性能，试验的参数包括偏心率、含钢率及CFRP层数。结果表明：小偏压构件受到拉力影响一侧的内管和外管共同作用，其工作性能良好，而大偏压构件受到压力影响一侧的内管和外管共同作用，具有良好的工作性能;偏心距越大，构件所具有的承载力也就越小，当平均偏心距增加幅度达到7.5%时，构件的承载能力下降幅度将会达到20%，外钢管承受压力区域的泊松比变化随着偏心距的加大而变小等[3]。也有研究人员采用有限元模拟内置CFRP圆管的钢管混凝土柱钢梁外环板节点的力学性能，在试验中研究混凝土强度、含钢率、CFRP配置率及环板宽度等条件对节点骨架曲线产生的影响，并计算节点的延性、耗能能力及刚度退化等指标，了解CFRP-钢管混凝组合的抗震性能，以便在工程建设中进行合理利用。

2 CFRP-钢管混凝土柱钢梁节点类型及其特点

2.1 加强环式节点

加强环式节点又分为内加强环式节点、外加强环式节点和隔板贯通式加强环式节点。

第一，内加强环式节点。该形式的节点是在钢管柱上直接焊接腹板和钢梁翼缘板，也可以将其与钢管壁向外延伸的位置进行焊接。焊接时，要注意钢梁的翼缘和内加强环应保持在相同的水平面上。与外加强环式节点相比，该节点的钢的使用量较少，但焊接量较大，并且容易产生较大的焊接残余应力。内环板焊接施工对位置的要求非常严格，且此类型的节点只适合应用在截面尺寸较大的工程中，实际应用有一定限制。

第二，外加强环式节点。此类型节点的理论研究是目前最为成熟的，其是工程中应用非常广泛的节点形式，施工规范和标准也给出构建建议和设计公式。在钢管混凝土柱和钢梁上翼缘、下翼缘之间交接处焊接加强环，并且在钢管壁上直接焊接钢梁腹板。该形式节点的主要特点是传力可靠、明确及构造极为简单，延性和耗能等性能较好。但是，钢的使用量和施工现场焊接量较大。在工程实际施工中，如果节点的受力较大，则外加强环板普遍有较大的宽度，对工程的美观性、建筑工程的室内以及室内装修等工作都会产生影响[4]。

第三，隔板贯通式加强环式节点。贯通钢管壁隔板设置在钢管柱内部的梁翼缘位置上，隔板与上钢管柱、下钢管柱以及外伸隔板与钢梁翼缘采用坡口焊接的方式进行焊接，钢管柱壁和钢梁腹板之间在连接板的辅助下使用高强螺栓进行连接，柱壁和连接板之间采用双面角焊缝的方式进行焊接。同时，为保证隔板的使用效果，需要设置透气孔和浇筑孔。该类型节点的主要特点是受力可靠、传力明确、塑性性能良好。但是，该节点的施工较为复杂，钢的使用量较大，尤其是钢管截面面积比较小时，在钢管内焊接隔板的难度非常高。

2.2 穿心螺栓式节点

穿心螺栓式节点的主要优点是CFRP-钢管混凝土柱与钢梁传力明确、塑性性能良好、刚度大;同时，在施工中应用具有明显的便捷性，可以进行工程化量产，可在施工现场进行安装，能有效缩短施工时间等。但是，穿心螺栓式节点价格昂贵，经济性能较差。

2.3 缀板焊接式节点

缀板焊接式节点具体可以分为T形加劲肋式节点和外肋环板节点两种形式。

第一，T形加劲肋式节点。该节点是在钢管柱壁上焊接加劲肋板，加劲肋板需要与水平环板的一侧进行焊接。水平环板作为中间媒介将一部分钢梁荷载传递给柱，加劲肋则将一部分钢梁载荷传递给柱壁。从整体情况来看，该节点没有凸出部件，并且具有刚度大、平整规则、耗能能力较强等优点。

第二，外肋环板节点。该节点是以外加强环式节点作为基础进行优化而形成的，是将原本柱两侧外加强环板进行创新更改，使其平贴于钢管柱壁，外类板和梁翼缘进行焊接。该节点能够有效克服外加强环式节点尺寸过大所导致的工程角存在凸起的不足;具有节点域刚度强的优点，并且没有限制柱截面面积大小，在轻型、多层钢结构住宅等柱截面面积较小类型工程施工中的应用非常合适;构造简单、传力明确、便于施工。

3 CFRP-钢管混凝土柱钢梁节点设计原则

CFRP-钢管混凝土组合型结构在工程中应用的优势为截面面积小、承载力较高以及抗震性能良好等，因此，其在高层多层等类型的建筑工程中，尤其是在抗震等级要求为特一级、一级或者对重载性能要求较高的建筑物中应用非常广泛。CFRP-钢管混凝土柱与钢梁共同构成框架结构，也可以与剪力墙共同构成框剪结构，同时也能与钢筋混凝土核心筒共同构成框筒结构。无论是在哪一种结构中，钢筋混凝土柱都具有连贯性特点，即能从工程的基础贯通到顶端[5]。因此，在建筑工程中应用CFRP-钢管混凝土结构，混凝土柱的侧面需要与各楼层横梁进行连接，而此时混凝土柱就会承受来自于横梁的力，其工作性能会受到影响。例如：混凝土柱在承受来自于横梁的径向拉力时，能有效降低钢管的套箍作用，进而导致钢管混凝土柱的承载性能下降。为最大限度地降低这种不良影响，需要在柱和钢梁接触的平面上设置加强件，使横梁的拉力可以从一侧横梁传递到另一侧。在这样的背景下，节点的设计难度增加。因此，需要在设计CFRP-钢管混凝土柱钢梁节点时遵循以下原则。

3.1 不能过分依赖黏结力和摩擦力

在CFRP-钢管混凝土柱钢梁节点的设计工作中，很难确定剪力传递过程中钢管壁与节点核心区域黏结力、摩擦力的作用，这是由于二者在数值上的差异存在很大不确定性，并且容易在复杂的受力过程中发生损坏[6]。因此，需要在设计过程中将黏结力和摩擦力的作用作为重点因素进行考虑，减少节点对二者的依赖性，从而提高节点的安全性。

3.2 合理提高直接传递到钢管柱弯矩的能力

CFRP-钢管混凝土柱钢梁节点很难实现直接传递拉力，这与普通混凝土框架节点不同，故而此类节点弯矩分配性能会受到影响。这就需要在设计过程中保证连接构件作用力传递到钢管混凝土，或者核心混凝土上的途径要尽量短。因此，在节点设计过程中，需要提高节点直接传递弯矩的性能，进而保证钢管柱能参与到节点弯矩分配工作中，从而发挥出该结构在力学性能方面的优势[7]。

3.3 提高节点整体刚度

承载力和刚度是节点力学性能极为重要的两个指标。在设计工作中，需要设计人员特别重视节点在工程中能发挥的极限承载力，并且重视节点整体的稳定性和刚度，从而减少节点在实际应用过程中开裂和变形情况的发生概率。在遵循以上设计原则的基础上，提高节点的整体刚度，进而提高其稳定性，才能使其发挥作用。

4 结语

CFRP-钢管混凝土复合结构在建筑、桥梁等工程中的应用越来越广泛，加强研究有利于加深对该结构的了解。而柱、钢梁节点作为该结构的重要组成部分，需要进一步减少结构中钢的使用量，提高节点安全性和稳定性，以便進一步优化节点性能，从而有效发挥节点在CFRP-钢管混凝土结构中的作用。

参考文献：

[1]王培成，杨锋，陈靖远，等.钢管混凝土柱H型钢梁全螺栓连接节点抗震性能的有限元分析[J].工程抗震与加固改造，2019（6）：1-7.

[2]许成祥，高洁，邱英伟，等.基于OpenSees的方钢管混凝土柱-不等高钢梁框架节点抗震性能分析[J].科学技术与工程，2019（28）：276-283.

[3]张繁荣，李家宏，林定学，等.方钢管混凝土柱在大跨结构与高层结构中的应用前景分析[J].河南建材，2019（5）：236，238.

[4]郑龙，王文达，李华伟，等.钢管混凝土柱-钢梁穿心螺栓外伸端板式节点抗连续倒塌性能研究[J].建筑结构学报，2019（11）：140-149.

[5]许成祥，鲁尤锋，简齐安，等.方钢管混凝土柱-不等高钢梁加腋框架节点受力性能试验研究[J].广西大学学报（自然科学版），2019（2）：455-469.

[6]许成祥，简齐安，邱英伟，等.方钢管混凝土柱-H型钢梁框架变梁异型节点受力性能试验研究[J].科学技术与工程，2019（5）：234-241.

[7]张玉芬，周金富，朱戈，等.高轴压比下复式钢管混凝土柱-钢梁连接节点抗震性能试验[J].建筑科学与工程学报，2018（6）：57-65.