钢筋混凝土柱-钢梁混合框架结构体系研究、实践与展望*

2021-04-07孙小华胡响阳郭志鹏

施工技术(中英文) 2021年3期

孙小华，胡响阳，董震，房晨，何亮，郭志鹏

(1.中建科技有限公司华东分公司，上海 200120； 2.杭州市城东新城建设投资有限公司，浙江杭州 310017；3.中建科技集团有限公司，北京 100195)

0 引言

钢筋混凝土柱-钢梁(reinforcement column-steel beam，RCS)混合框架结构体系是竖向承重构件采用钢筋混凝土柱、水平承重构件采用钢梁的抗弯框架结构体系，其设计理念充分体现混合结构以下特点：一方面，框架柱主要承受竖向和水平荷载，可视为压弯构件，采用受压性能良好的钢筋混凝土，与钢柱相比更经济；混凝土构件厚实截面可显著增加结构抗侧刚度、减小层间侧移，且能有效避免钢构件薄柔截面存在的失稳缺陷；钢筋混凝土柱具有优良的防火耐腐性能，与钢柱相比可进一步降低防火耐腐涂层用料和人工成本。另一方面，框架梁主要承受楼面和墙体荷载，可视为受弯构件，采用抗拉性能优异的钢材，实现了在增大构件空间跨度的情况下尽量减小截面尺寸，从而增加房屋的有效使用空间，提高工程建设速度，缩短工期，直接节约了楼盖混凝土模板与临时支撑费用；自重较小，可减小整体结构地震作用，增加结构抗震安全性能和延性，降低基础造价。RCS混合框架结构体系兼具钢筋混凝土和钢材的优点，能够最大限度地发挥材料性能优势，是经济高效的结构形式[1]。本文对RCS混合框架结构体系国内外研究现状及工程应用进行介绍，指出该结构体系当前研究中存在的不足，并结合我国建筑行业发展趋势展望该结构体系应用前景，以供相关研究与设计人员参考，进一步推广该结构体系在我国工程中的应用。

1 RCS混合框架结构体系的研究

1.1 研究背景

RCS混合框架结构体系的概念起源于美国，随着美国建筑工程行业对混合结构与组合结构研究的逐渐深入而提出的。20世纪70年代前，钢骨混凝土(型钢混凝土)和钢结构设计理念得到广泛认同，在美国中高层建筑中应用较多。工程实践表明，钢骨混凝土中存在型钢和受力(构造)钢筋，连接复杂，施工难度大，不容忽视材料和人工成本的增加。钢结构存在抗侧刚度有限、需增加防火防腐涂层和维护成本的缺陷。鉴于上述情况，20世纪70年代中期，学者Shimizu率先提出了RCS混合框架结构体系设想，并迅速得到了建筑工程行业的积极响应。美国在此期间陆续修建了若干采用RCS混合框架结构体系的多高层建筑，造成了该结构体系设计理论严重滞后于工程实践的问题。基于此，多位美国学者呼吁学界紧跟工程建设的脚步[2-3]，深入研究RCS混合框架结构体系受力性能，全面分析混凝土与钢材的相互作用。此后，学者们广泛关注RCS混合框架结构体系的研究，并逐渐开展大量的系统考察。

1.2 研究历程

对于抗弯框架而言，提供抗侧力的核心部位为柱脚与梁柱节点，刚接和铰接单层框架在水平集中荷载作用下的弯矩和侧移如图1所示。由图1可知，梁柱节点刚接不仅能够显著改善柱受力状态，使整个结构弯矩分布更均衡，进而充分发挥各构件力学性能，且可有效增加框架抗侧刚度，减小自身整体侧移。而RCS混合框架结构体系中的梁柱连接是为了实现性能完全不同2种材料(钢筋混凝土和钢材)的融合，其合理设计与构造是确保抗侧能力发挥的关键因素。因此，RCS混合框架结构体系的早期研究主要聚焦于梁柱节点，美国、日本、中国均在这方面进行了大量工作，具有代表性的研究成果介绍如下。

图1 刚接与铰接框架弯矩和侧移对比

1.2.1美国

1989年，得克萨斯州立大学(University of Texas)Shiekh等[4-5]第1次对RCS混合框架结构节点开展了系统性研究，对15个大比例尺寸(缩尺比例为2∶3)试件进行荷载试验研究，其中7个试件施加单调静力荷载，8个试件施加低周往复荷载，系统考察了节点承载力、转动刚度和4种构造结构(面承板、内嵌承载板、架立钢柱和抗剪栓钉)的有效性。试验结果表明，RCS混合框架结构节点具有良好的强度、刚度和延性，合理的构造形式能够显著提高节点承载力和变形性能。在试验的基础上，首次提出了RCS混合框架结构节点典型破坏模式，如图2所示。

图2 节点典型破坏模式

剪切破坏的突出特征是核心区钢梁腹板受剪屈服和混凝土受剪破坏，承压破坏的突出特征是钢梁上下翼缘对应柱边缘部位的混凝土在受拉区出现裂缝，受压区被压碎。基于上述破坏模式和已有规范，给出了RCS混合框架结构节点设计模型和建议，最终提出了基于“强度控制”设计思想的节点承载力计算公式。然而，相关研究主要着眼于节点静力强度和刚度，并未深入研究节点在地震作用下的非弹性受力和变形性能，且分析对象以框架一般层内部节点为主，使RCS混合框架结构体系的应用受到限制，仅适用于中低烈度设防地区。

1993年，康奈尔大学(Cornell University)Kanno[6]为验证RCS混合框架结构节点在高烈度设防区推广使用的可行性，对11组(共19个)大比例尺寸试件强度、变形和抗震性能进行了深入试验研究。试验结果表明，即使在高烈度设防区，合理设计的RCS混合框架结构节点仍具有良好的抗震承载力和变形性能。Kanno在总结各试件破坏形态的基础上，进一步研究4种不同的破坏模式，如图3所示。除节点核心区破坏(包括剪切破坏和承压破坏)外，RCS混合框架结构节点尚有可能发生梁铰破坏、混合破坏和柱铰破坏，其中，核心区承压破坏与柱铰破坏的滞回曲线存在不容忽视的捏缩现象，且延性较差，抗震性能不佳，应在设计中予以重视，加以避免。

图3 节点4种破坏模式

2000年，鉴于已有研究成果仅局限于中间层内部节点，密歇根大学(University of Michigan)Parra-Montesinos等[7]对9个缩尺比例为3∶4的RCS混合框架结构节点进行了低周往复荷载作用下的试验研究(见图4)，重点研究了连接构造结构(U形箍筋、上下钢箍板)和新型材料(纤维混凝土、高强胶凝组合材料)对节点抗震性能的影响。试验结果表明，设计合理的RCS混合框架结构体系边节点仍具有良好的抗震承载力和延性，可用于高烈度设防区；可靠的构造结构和新型建筑材料的使用能够提高节点受剪性能和塑性变形能力，可减少乃至取消核心区箍筋。2001年，Parra-Montesinos等[8]通过对比试验结果与已有理论分析结果的差异，提出了基于“变形控制”设计理念的节点设计模型及相应的承载力计算公式，但该公式的有效性仍需进行进一步的试验验证。

图4 荷载试验平面节点

此后，经过十多年对RCS混合框架结构节点受力性能的研究，多位学者开始研究钢梁组合效应，探究混凝土楼板和空间效应对节点性能的加强作用。1999年至2004年，得克萨斯农业机械大学(Texas A & M University)[9]和密歇根大学(University of Michigan)[10]研究人员先后对带楼板的RCS混合框架结构节点进行了试验研究。试验结果表明，在楼板加强效应作用下，中间节点和边节点均表现出良好的滞回性能。然而上述研究仅证实并支持了楼板对节点的有利机制，并未提及设计分析和承载力计算过程中对加强效应的量化。

美国工程学界提出RCS混合框架结构体系的初衷是将其作为传统中高层纯钢框架或型钢混凝土结构的延伸，采用综合性能更优的钢筋混凝土柱替代钢柱，一般采用“梁贯通型”节点，如图5所示。

图5 “梁贯通型”节点构造

“梁贯通型”节点的优点是整体性好，能在提供较大承载力和刚度的同时避免大量焊接作业；缺点是造成了核心区柱截面的削弱，增加了钢筋尤其是箍筋的布设难度，影响了核心区混凝土浇筑质量。

1.2.2日本

1987年以前，受限于当时日本建筑学会(AIJ)《钢骨混凝土规范》相关条文的严格制约，日本建筑工程中禁止使用RCS混合框架结构体系。直至20世纪80年代末，受美国RCS混合框架结构体系工程应用和相关研究的启发，日本建筑界和AIJ认识到了RCS混合框架结构体系的优势，才使该结构体系逐渐应用于工程建设中。

1988年，AIJ首次在型钢混凝土结构运营委员会下设置了“组合、混合结构小委员会”，这标志着日本建筑界对RCS混合框架结构体系的认知有了全面转变。起初，仅有部分私人建筑公司针对某些工程项目开展了RCS混合框架结构节点试验研究；20世纪80年代末至90年代初，针对400余个RCS混合框架结构节点子结构，开展了试验研究；至20世纪末，各大建筑公司成功研发并应用于工程实践中的RCS混合框架结构节点专利已超过30项[11]。然而，上述研究主要针对具体的RCS混合框架结构节点形式，并未系统深入地研究节点受力机制与破坏模式等问题。

20世纪90年代中期，日本学者联合美国学者开始对RCS混合框架结构节点传力机制和设计模型进行全面研究。1997年，日本建筑研究协会(Building Research Institute)和建筑承包商社(Building Research Institute and Building Contractor Society)对10个平面中间节点进行了试验研究，系统考察了4种构造结构(柱面钢板、面承板、正交短梁和加劲肋)对节点受剪性能的影响。自1997年开始，日本建筑研究协会Nishiyama等[12]先后对6个带楼板的空间内部节点进行了双向加载试验研究。试验结果表明，节点在双向受力状况下的受力性能与单向(平面)加载时并无明显区别，这意味着RCS混合框架结构节点平面设计模型适用于空间模型。日本千叶大学研究学者开展了16个 RCS混合框架结构节点试验，包括12个外部节点、1个内部节点和3个角部节点，Kim等[13]基于试验数据进行了有限元分析，对有效节点宽度等因素对节点设计公式的影响等进行了分析，实现了节点传力路径的可视化，并讨论了RCS混合框架结构节点传力机制。

1998年，大阪技术学院(Osaka Institute of Technology)Nishimura[14]进行了7个中间节点和5个辅助构件的相关试验，检验了“梁贯通型”节点构造剪切和承压受力机理，研究结果对于RCS混合框架结构节点承载力计算公式中各组成部分的细化改进具有重要价值。

2004年，Kuramoto等[15]进行了3个RCS混合框架结构节点低周往复荷载试验研究，深入分析柱面钢板、外伸式面承板和水平加劲肋对节点抗震性能的影响。在试验研究的基础上，提出了RCS混合框架结构节点传力模型和抗剪承载力计算公式。试验结果表明，采用较厚的柱面钢板和适合的面承板能够改善节点核心区水平桁架和斜压杆抗剪性能，进而有效提高节点剪切强度和抗震性能。

鉴于高烈度抗震设防的现实需求，日本将RCS混合框架结构视为对传统钢筋混凝土框架结构的变革，主要将其应用于低多层混凝土办公楼和零售商业中心。与美国RCS混合框架结构节点的区别之处在于，日本RCS混合框架结构节点一般采用“柱贯通型”，即节点核心区保证了柱贯通完整，钢梁不伸入，通过高强螺栓或焊缝连接在柱端预埋连接件上，如图6所示。“柱贯通型”节点的最大好处是有利于核心区混凝土浇筑成型，且构造较简单，施工速度快；不足之处在于节点核心区受力复杂，梁柱连接部位易出现应力集中现象，进而对节点受力产生不利影响，其整体性、刚度和承载力逊色于“梁贯通型”节点。

图6 “柱贯通型”节点构造

1.2.3中国

与美国、日本相比，我国对RCS混合框架结构节点的研究起步较晚，查阅相关文献知，我国首次对该节点的试验研究出现于21世纪初期，2001年，天津大学杨建江等[16]以天津泰达大厦工程设计为依托，对4个RCS混合框架结构节点在低周往复荷载作用下的受力性能进行了研究，节点形式参考Shiekh等的试验给出，其中，3个试件在核心区采用了钢梁腹板切断、翼缘贯通的构造，综合考察了轴压比、连接构造和钢梁截面尺寸对节点承载力和变形能力的影响，并基于试验数据给出了建议的承载力计算公式。研究结果表明，钢梁腹板、支承加劲肋和栓钉能够显著提高节点抗剪承载力，实际工程应用中应避免发生柱端混凝土承压破坏。

2005年，重庆大学易勇[17]对3个“梁贯通型”中间层RCS混合框架结构节点进行了低周往复荷载试验研究，分析了高剪压比条件下配箍率、轴压比、面承板和加强筋等对节点抗震性能的影响，并结合试验数据和理论分析，提出了对应的节点抗剪承载力计算公式。研究结果表明，“梁贯通型”RCS混合框架结构节点传力路径可概括为3个层次、4种机构：①节点核心区钢梁翼缘与腹板组成的框架-剪力墙机构；②钢梁高度范围内核心区内部混凝土斜压杆机构；③钢梁高度范围外核心区外部混凝土桁架机构与斜压杆机构。3个层次按照顺序依次提供抗力，直至节点最终破坏。当试件发生梁端出铰而后剪切破坏的失效模式时，RCS混合框架结构节点具有良好的综合抗震性能。

2005年，湖南大学肖岩等[18]提出了端板连接“柱贯通型”RCS混合框架结构节点，即梁端通过预埋穿芯高强螺栓的端板与混凝土柱实现可靠连接，并在后续进行的4个节点试件低周往复荷载试验研究中考察了节点破坏模式和抗震性能[19-20]，如图7a所示。试验过程中，提前发生了连接破坏(包括螺栓断裂与端板撕裂)的部分节点塑性变形能力尚未充分发挥，整体延性和耗能能力较差。为确保节点具有良好的抗震性能，需在节点设计中综合考虑螺栓预拉力、强度和端板厚度的影响。2009年，李贤[21]在试验研究的基础上，采用有限元分析软件ANSYS对端板连接“柱贯通型”RCS混合框架结构节点进行了数值分析，取得了较合理准确的研究结果，证明了利用有限元软件对RCS混合框架结构节点开展模拟是可行的。

图7 节点连接构造

2006年，以北京涂装车间工程为依托，清华大学赵作周等[22]进行了3个“梁贯通型”RCS混合框架结构节点往复加载试验研究，试件采用了面承板+钢箍板构造形式。试验结果表明，设计合理的“梁贯通型”节点能够满足“强柱弱梁”“强连接弱构件”的抗震概念要求，表现出良好的抗震性能。

2007年，西安建筑科技大学申红侠[23]采用有限元分析软件ANSYS对边柱RCS混合框架结构节点静力性能进行了全面考察，深入分析了节点受力状态、传力路径和破坏模式。在数值分析的基础上，对美国土木工程学会(ASCE)给出的RCS混合框架结构节点设计模型和计算公式进行了修正，为该节点的实用设计和构造措施提供数据参考。

2009年，武汉理工大学戴绍斌团队[24]对3个“柱贯通型”RCS混合框架结构节点进行了拟静力试验研究，对比分析了核心区配置箍筋、钢筋网片和架立钢柱对节点抗震性能的影响。研究结果表明，不同构造措施可在不同程度上提高节点抗震性能，其中配置架立钢柱的节点具有最优的承载力、延性和耗能能力。

2012年，华侨大学郭子雄等[25]提出了采用高强螺栓-端板连接的“钢板桶”式“柱贯通型”RCS混合框架结构节点(见图7b)，并进行了4个缩尺比例为1∶2的试件往复荷载试验研究，重点探讨了核心区加劲腹板厚度和开洞对节点抗震性能的影响。研究结果表明，RCS混合框架结构节点具有良好的承载力和耗能能力，腹板开洞几乎对节点整体受力性能无影响，且能够增强钢梁腹板与核心区混凝土的协同工作性能。

2014年，江苏科技大学潘志宏等[26]提出了核心区增设“田字”格栅(角钢围焊)的“梁贯通型”RCS混合框架结构节点，如图7c所示，外伸梁端通过端板连接。开展了3个节点试件抗震性能试验研究，研究结果表明，该种新型节点具有较高的承载力和良好的耗能性能。

2014年，西安建筑科技大学门进杰等[27]提出了核心区钢梁腹板贯通、翼缘切除的中间层RCS混合框架结构节点，如图7d所示。通过低周往复荷载试验系统考察了6种不同构造节点(面承板、正交短梁、钢箍板、柱面钢板、“X”形钢筋和外伸面承板-端板螺栓)的抗震性能，试验结果表明，6种试件均表现出良好的滞回性能，合理的构造能够有效提高RCS混合框架结构节点抗剪承载力和变形性能。相比而言，发生承压破坏的节点承载力退化大，刚度退化快，受力性能和整体性较剪切破坏型节点差。

1.3 研究现状

在各种不同构造形式节点试验研究和理论分析的基础上，各国对RCS混合框架结构体系的研究进一步深入。出于试验经费和分析时间等因素的综合考虑，国外对 RCS混合框架结构体系的研究主要通过国际合作项目得以完成，而我国对该结构体系的研究基本处于起步阶段，需开展更广泛的研究。

1.3.1美国与日本的合作研究

早在美国与日本进行合作研究前，日本已对RCS混合框架结构体系性能进行了初步探索，分别由3家建筑公司对4个缩尺框架试件进行了相关试验研究[9]，其中Tokyu公司研究了1个试件，Nishimatsu公司研究了2个试件，Okumura公司研究了1个试件。从1993年开始，RCS混合框架结构体系作为美国、日本针对组合结构抗震性能研究项目的组成部分，两国开展了为期多年的合作，对梁柱节点和缩尺框架进行了研究。1997年，大阪技术学院(Osaka Institute of Technology)Baba等[28]对1榀缩尺比例为1∶3的2层2跨RCS平面框架进行了低周往复荷载试验研究，节点为“梁贯通型”，核心区采用柱面钢板和钢箍板构造形式。试件最终发生节点剪切屈服和柱铰破坏，滞回曲线较饱满稳定，节点承载力较高，且呈现出良好的变形性能。随后，Noguchi等对RCS平面框架进行了有限元分析，并与试验结果进行了对比，结果表明数值模拟能够较好地反映该框架受力性能与损伤发展情况。

1998年，千叶大学(Chiba University) Nishimura等[29]对另外1榀缩尺比例为1∶3的2层2跨RCS平面框架进行了拟静力试验研究，该试件节点形式仍为“梁贯通型”，但核心区采用了面承板构造形式，最终试件发生梁铰机制破坏，具有良好的延性与耗能能力。Noguchi等[30]采用三维非线性有限元建模方法对该平面框架试件进行了数值模拟分析，重点考虑了节点核心区钢材与混凝土的相互作用。对比试验结果与数值分析结果可知，Noguchi等[30]建立的有限元模型较合理，计算节点抗剪承载力时需考虑横向钢梁面承板的贡献。

1.3.2我国与美国的合作研究

为弥补美国、日本合作研究仅进行了缩尺框架试验且数量有限的不足，美国与我国台湾地区进行了合作研究，对足尺RCS混合框架结构进行了分析。2004年，Chen等[31]对1榀3层3跨足尺RCS混合框架结构进行了拟动力试验研究，该试件节点形式为“梁贯通型”，采用钢箍板构造。试验结果表明，设计合理的 RCS混合框架结构体系具有良好的抗震性能，能够满足预定的设防目标。随后，Cordova等[32]对这次试验进行了数值模拟分析，提出了RCS混合框架结构局部损伤指标参数。

2010年，Chou等[33]进行了1榀单层双跨足尺框架滞回性能试验研究，试件梁柱连接采用了后张拉自复位技术，开展此次试验的主要目的是检验RCS混合框架结构自复位节点性能、损伤开展进程和强度退化过程，并在试验研究的基础上完成了1榀3层自复位连接RCS混合框架子结构时程分析。研究结果表明，采用自复位连接的RCS混合框架结构具有良好的承载力和延性，在有限元模型中采用弹簧单元能够较好地模拟后张拉自复位节点。

现阶段我国对RCS混合框架结构体系的研究较少，查阅公开发表的论文可知，西安建筑科技大学郭智峰[34]于2014年对1榀缩尺比例为1∶3的2层2跨RCS混合框架结构进行了低周往复荷载试验研究，试件中梁柱节点采用钢梁腹板伸入核心区、翼缘断开、加设柱面钢板构造的方案，试验时考虑竖向荷载P-Δ效应，框架边柱轴压比取0.15，中柱轴压比取0.30，在顶层梁端由MTS电压伺服作动器施加水平往复荷载。基于试验数据，采用OpenSEES软件对RCS混合框架结构推覆性能开展参数分析。研究结果表明，钢梁腹板贯通的RCS混合框架结构滞回曲线较饱满，呈现出良好的延性和耗能性能。通过有限元模拟分析，得到6个参数(混凝土强度等级、钢梁强度、柱中纵筋强度、轴压比、梁柱屈服弯矩比和线刚度比)对结构抗震性能的影响程度。

1.4 设计标准

早在1994年，基于Shiekh等于1989年进行的试验研究结果及分析模型，ASCE编制了第1版《钢筋混凝土柱-钢梁混合节点设计指南》[35]。前文已提及，Shiekh等的研究并未深入分析RCS混合框架结构节点在地震作用下的非弹性受力行为，且其研究对象仅限于中间层一般节点，未涉及边节点和角节点。此外，后续研究发现，Shiekh等提出的承载力计算公式过于保守，不同构造节点理论计算强度与实际试验结果存在不容忽略的差异，造成材料浪费和结构超强。因此，该版设计指南的使用具有较大的局限性。此后，不少学者(如Kanno，Parra-Montesinos，Wight等)对RCS混合框架结构节点受力机制逐步进行了深入探索，补充完善其设计模型与强度计算公式。2004年，结合美国与日本合作研究项目的成果，Nishiyama等[36]总结出《RCS混合框架结构抗震设计指南》，进一步丰富和拓展了RCS混合框架结构体系应用范围。2015年，在积累多年研究成果的基础上，美国对1994年版的设计指南进行了修订，编制出《钢筋混凝土柱-钢梁抗弯节点设计标准》(草案)[37]，用于更好地指导RCS混合框架结构设计。1994年，鉴于前期日本各公司对RCS混合框架结构节点的大量试验，日本AIJ组合、混合结构小委员会编制出《RCS混合节点设计准则》[38]。结合不同构造形式的RCS混合框架结构节点在日本的实际应用情况，该准则将混凝土柱-钢梁节点分为以下类型(见图8)：①“梁贯通型” 包括柱面钢板、面承板、外伸面承板、钢箍板、十字锚板、抗剪栓钉和架立钢柱7种构造形式；②“柱贯通型” 包括纵横加劲、内隔板、外环板和预应力混凝土螺栓(PC Bolts)-端板4种构造形式；③混合型钢梁端部采用混凝土外包，便于与柱端连接。步入新世纪以来，随着基于性能设计理念的兴起，日本组合结构学界开始进行RCS混合框架结构研究探索，并于2009年编制首版《钢与组合结构基于性能的设计标准》[39]，用于指导钢与混凝土组合结构的设计实践。

图8 节点标准类型

与美国、日本相比，我国在RCS混合框架结构体系领域的研究开展较晚，尚未形成完整成熟的研究体系，在设计标准方面的成果有限，现行规范中中国工程建设标准化协会于2008年颁布的CECS 230：2008《高层建筑钢-混凝土混合结构设计规程》[40]第7.5条给出了“梁贯通型”RCS混合框架结构节点构造示意，供实际工程设计参考。然而其给出的连接形式与构造措施较单一，在一定程度上制约了RCS混合框架结构体系的使用与推广。

2 工程实践

2.1 国外

美国早在20世纪80时代就已经开始了RCS混合框架结构的工程应用。1982年，得克萨斯州休斯顿市建造的2座超高层建筑中采用了RCS混合框架结构，其中，1座为First City Tower[41]，地上49层，高,207m；另1座为Three Houston Center Gulf Tower Building[42]，地上52层，均采用了框架-核心筒体系，内筒为钢筋混凝土剪力墙，外接RCS刚性连接框架(见图9)，二者共同为整个结构提供抗侧力。在First City Tower中，钢梁与核心筒剪力墙连接，作为建筑抗侧力组成的有益补充。此外，4栋14～17层高度不等的高层建筑同样采用了RCS混合框架结构[43]，整个结构设计为密柱体系，钢梁采用实心矩形截面钢管，梁端通过支承板与1根长螺栓夹紧混凝土柱端，实现刚性连接，用于抵抗地震作用，如图10所示。由于RCS混合框架结构体系研究的滞后，这些建筑均按美国当时已有的混凝土结构和钢结构设计标准完成设计施工，相关工程实践进一步促进了美国对RCS混合框架结构体系研究的深入。

图9 Three Houston Center Gulf Tower Building采用的节点

图10 4栋高层建筑采用的节点

与美国将RCS混合框架结构主要应用于中高层建筑的情况不同，日本应用RCS混合框架结构体系的初衷是利用钢梁实现大跨度空间，因此，更多地将其应用与3～4层混凝土商业中心建筑中[44]。

2.2 国内

限于早期对于RCS混合框架结构节点研究认识的不足，我国仅在工业建筑(工业和轻钢厂房)中采用该结构体系。由于早期设计规范的缺乏，曾在相当长一段时间内，设计中较少采用刚接形式的RCS混合框架结构节点，而是尽量采用铰接形式。直至1988年，由华北电力设计院设计完成的山西神头第二发电厂主体结构首次采用了RCS刚性连接框架[45]，其中，竖向承重构件为钢筋混凝土平腹杆双肢柱，纵向水平承重构件为焊接H型钢梁，梁柱刚性连接采用梁端通过柱竖肢并辅以空腹式角钢桁架加强核心区的构造措施得以实现。1999年，郑州粮油食品工程建筑设计院设计的房式仓CB-30中同样采用了RCS混合框架结构节点[46]，主体结构为无铰门式刚架，承重柱采用钢筋混凝土，屋盖梁采用焊接组合截面钢梁，梁柱通过外包钢板柱头与梁端焊接的方式实现刚性连接。2009年建成投产的华能海门电厂1期工程中，主厂房钢筋混凝土框架柱与屋面钢梁采用刚性节点方案[47]，既增加了结构自身横向刚度，又节省了屋架用钢量。

近年来，随着国内对RCS混合框架结构体系研究的不断深入及对美国、日本成熟经验的引进，该结构体系在我国的工程应用逐渐由工业转入民用，如上海虹桥国际机场扩建工程西航站楼和大连超高层建筑钢结构夹层项目均采用了RCS混合框架结构刚性节点[48-49]。值得一提的是，中建科技(集团)股份有限公司对RCS混合框架结构体系进行了多年研究和经验积累[50]，对节点构造开展优化与创新，其中，“柱贯通型”节点已由深圳分公司成功应用于深圳市坪山区学校项目中[51-52]，该节点如图11所示。

图11 坪山区学校采用的节点

3 存在的问题

虽然近十多年来RCS混合框架结构体系因其自身良好的抗震性能和性价比得到了越来越多的国内外工程师和研究学者的青睐，进行了相当数量的试验与理论研究，从平面到空间、从节点到框架、从静力到动力，成果较丰富。然而，现阶段RCS混合框架结构体系在我国的进一步推广应用仍存在一定阻碍，为此，笔者梳理了存在的问题。

1)纵观国内外，目前对RCS混合框架结构体系的定义尚不清晰、明确，有人称其为混合结构[53](hybrid/mixed structure)，有人称其为组合结构[11](composite structure)，易造成误解。笔者认为，RCS混合框架结构体系实际上是由2种不同材料承重构件(钢筋混凝土柱、钢梁)形成的整体共同抵抗荷载作用的结构体系，应属于混合结构范畴。

2)当前各国的研究主要针对中间楼层RCS混合框架结构节点开展，已有不少分析结果表明，顶层和角部节点与中间层节点存在较大的性能差异。此外，对于节点的良好性能是否能够在整榀框架乃至整个结构中得以充分发挥的问题，当前仍缺少相关研究，需在后续研究中进行深入分析。

3)相比美国和日本，现阶段我国在RCS混合框架结构体系领域的研究局限于部分高校，研究手段较单一，主要以试验为主，且数量较少。数值仿真模拟分析本应成为试验研究的合理外延和有效拓展，但国内在这方面开展的工作有限，并未形成全面系统的研究体系。因此，需进一步加强并丰富对RCS混合框架结构体系的试验研究与有限元分析。

4)当前RCS混合框架结构节点设计中主要沿用1989年Shiekh等提出的基于强度设计模型和承载力计算公式，该公式已被不少试验结果证明过于保守，不能充分发挥材料性能，且难以反映不同核心区构造对节点承载力的影响程度，有必要深入探究不同构造形式RCS混合框架结构节点受力机制，提出相应的简化分析模型与实用计算公式，供结构工程师参考。

5)目前基于性能的抗震设计方法已成为研究热点，其设计参考已在GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》(2016年版)[54]附录M中进行了规定，许多学者对不同类型结构进行了大量研究工作，取得了一定研究成果。而国内专门针对RCS混合框架结构提出基于性能的抗震设计方法研究较少，有待进一步深入。

6)现行设计规范要求框架结构梁柱节点一般需确保刚性连接，但完全刚性连接是难以达到的理想状态，且传统的翼缘焊缝连接易造成焊接缺陷和应力集中现象。半刚性连接的出现较好地解决了上述问题，已在纯钢框架中得到应用。此外，采用RCS混合框架-剪力墙抗侧力体系时，节点甚至可以考虑铰接，根据工程实际要求，需研发适合我国国情的受力合理、经济性好新型RCS混合框架结构节点连接形式。

4 应用展望

在国外，RCS混合框架结构体系已被大量工程建设项目和相关研究证明是抗震性能优良、经济性好的结构体系，其在我国的发展与应用逐步深入。笔者认为RCS混合框架结构体系在我国建筑市场具有相当大的发展潜力，应用前景广阔，主要表现在以下方面。

1)在装配式建筑中的应用当前我国建筑行业正处于转型升级、走工业化发展道路、实现由建筑大国向建筑强国转变的历史性时期，装配式建筑是实现这一跨越式发展的必由之路，参考RCS混合框架结构体系在日本的发展经验，装配式建造理念能够与该结构体系深度融合，组成安全可靠的装配式RCS混合框架结构体系，在中建科技深圳分公司承建的深圳坪山在建学校项目中进行了应用。

2)在可修复结构中的应用性能化抗震设计允许建筑次要构件在大震中进入塑性耗能，震后进行修复替换，从而保证主要构件和主体结构的安全。在RCS混合框架结构体系中引入可修复结构的观念，设计中确保框架发生梁铰或混合破坏模式，震后仅需对受损钢梁进行修复或替换，既节约了修复成本，又加快了震后重建速度，具有良好的应用前景。

3)适用范围的扩大 RCS混合框架结构节点大体上可划分为“梁贯通型”和“柱贯通型”两大类，借鉴RCS混合框架结构体系在美国和日本的实践经验，可知整体性好、承载力和刚度更高的“梁贯通型”RCS混合框架结构体系更适用于抗侧要求严格的中高层建筑中，而承载力稍差、浇筑更便利的“柱贯通型”RCS混合框架结构体系更适用于一般的低多层建筑结构中。综上所述，RCS混合框架结构体系在民用建筑领域具有良好的适用性。

4)新材料的应用建筑新材料的出现往往能够带来结构性能革新，对于RCS混合框架结构节点，根据设计需要可在核心区采用纤维混凝土或高延性混凝土，钢材选用高强钢或低屈服点钢，可实现2种性能迥异的材料高度结合，得到整体抗震性能更优的RCS混合框架结构。