组合结构桥梁研究与展望
预制组合箱梁桥墩顶位移极限值研究
预制组合箱梁桥墩顶位移极限值研究发布时间：2022-09-19T08:23:00.261Z 来源：《工程建设标准化》2022年10期作者：项峰[导读] 通过对预制组合箱梁桥建立三维精细化有限元模型，分析桥墩位移对桥梁上部结构产生的影响项峰深圳高速公路集团股份有限公司 518000摘要：通过对预制组合箱梁桥建立三维精细化有限元模型，分析桥墩位移对桥梁上部结构产生的影响，确定墩顶位移限值，提出广深沿江高速公路桥梁结构安全控制标准，不仅为保障广深沿江高速公路运营期的安全提供技术支撑，同时也为涉及既有桥梁项目的设计提供参考。
关键词：预制组合箱梁桥；墩顶位移限值；有限元模型；结构安全Research on the limit value of top displacement of prefabricated composite box girder bridge pierXiang Feng(Shenzhen Expressway Group Co., Ltd., Shenzhen 518000, Guangdong)Abstract: By establishing a three-dimensional refined finite element model of the prefabricated composite box girder bridge, analyzing the influence of the pier displacement on the superstructure of the bridge, determining the displacement limit of the pier top, and proposing the bridge structure safety control standard of the Guangzhou-Shenzhen expressway along the river, not only for the protection of Guangzhou-Shenzhen It provides technical support for the safety of the Yangtze River Expressway during the operation period, and also provides reference for the design of existing bridge projects.Key words: Prefabricated composite box girder bridge; pier top displacement limit; finite element model; structural safety1 引言在高速公路桥梁的设计建造中，墩台的竖向沉降和水平位移是需要特别关注的参数之一。
桥梁结构分析的传递矩阵法及其应用
桥梁结构分析的基本方程
01
02
03
静力平衡方程
描述桥梁结构在静力作用 下的平衡状态，是结构分 析的基础。
动力学方程
描述桥梁结构在动力作用 下的响应，包括地震、风 等自然力作用下的振动。
弹性力学方程
描述桥梁结构的应力和应 变关系，是结构分析的核 心。
பைடு நூலகம்
桥梁结构分析的边界条件与初始条件
边界条件
约束桥梁结构的位移、转角等物理量，如在固定支撑处、自 由支撑处等。
初始条件
描述桥梁结构的初始状态，如温度、湿度等环境因素对结构 的影响。
03 传递矩阵法的原 理
传递矩阵法概述
传递矩阵法是一种用于分析桥 梁结构动力特性的数值方法。
它基于牛顿运动定律，通过建 立系统的传递矩阵来描述结构 在受到外部激励时的响应。
传递矩阵法适用于分析复杂桥 梁结构，如连续梁桥、拱桥等 。
02
利用特征向量和特征值，计算 结构的响应，如位移、速度和 加速度等。
03
根据计算结果进行结构的安全 性评估和优化设计。
04 传递矩阵法在桥 梁结构分析中的 应用
桥梁结构模型的离散化
梁单元离散化
将桥梁结构划分为多个梁单元 ，每个梁单元由有限元模型进 行模拟，考虑其弯曲、剪切、
轴向等变形。
节点位移自由度
桥梁结构分析的传递矩阵法 及其应用
2023-11-10
目 录
• 引言 • 桥梁结构分析的基本理论 • 传递矩阵法的原理 • 传递矩阵法在桥梁结构分析中的应用 • 传递矩阵法的优化与拓展 • 结论与展望
01 引言
研究背景与意义
背景
桥梁结构分析是桥梁设计和维护的重要环节，随着科技的发展，对结构分析的准确性和效率要求也越来越高。
UHPC在桥梁结构中的应用研究
d o i :10.3963/j .i s s n .1674-6066.2021.02.009U H P C 在桥梁结构中的应用研究贾胜利(中铁十八局集团有限公司,天津300400)摘 要: 超高性能混凝土(简称UH P C ,U l t r a -H i g hP e r f o r m a n c eC o n c r e t e )因其优化的颗粒级配㊁较低的水胶比和较高的胶凝材料含量,使其具有超高的强度㊁韧性以及耐久性等性能,可以满足高质量桥梁建设的要求,解决了现有桥梁结构存在的技术性问题,是将来桥梁建设中应用前景广阔的新型混凝土材料㊂论文介绍了UH P C 在国内外桥梁工程中的应用现状,分析了在国内实际工程应用中存在的问题并提出了相应解决方案㊂关键词: UH P C ; 耐久性; 桥梁工程; 应用A p p l i c a t i o nR e s e a r c ho fU H P C i nB r i d geC o n s t r u c t i o n J I AS h e n g-l i (C h i n aR a i l w a y 18t hB u r e a uG r o u p C oL t d ,T i a n j i n300400,C h i n a )A b s t r a c t : U l t r a -H i g hP e r f o r m a n c eC o n c r e t e (UH P Cf o rs h o r t )h a su l t r a -h i g hs t r e n g t h ,t o u g h n e s sa n dd u r a b i l i t y d u e t o i t s o p t i m i z e d p a r t i c l e g r a d i n g ,l o w e rw a t e r -b i n d e r r a t i o a n dh i g h e r c e m e n t i t i o u sm a t e r i a l c o n t e n t .I t c a n f u l f i l l r e -q u i r e m e n t s o f h i g h -q u a l i t y b r i d g ec o n s t r u c t i o na n ds o l v e t e c h n i c a l p r o b l e m so f e x i s t i n g b r i d g es t r u c t u r e s .I t i san e w t y p e o f c o n c r e t em a t e r i a lw i t h p l e n t y a p p l i c a t i o n p r o s p e c t s i n f u t u r eb r i d g e c o n s t r u c t i o n .I nt h i sa r t i c l e ,w ew i l l i n t r o -d u c e t h e a p p l i c a t i o no fUH P Ci nb r i d g ee n g i n e e r i n g a th o m ea n da b r o a d ,t h e na n a l y z ee x i s t i n gp r o b l e m s i nd o m e s t i c p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s .F u r t h e r m o r ew ew i l l p r o p o s e s o m e f e a s i b l e s o l u t i o n s .K e y wo r d s : UH P C ; d u r a b i l i t y ; b r i d g e e n g i n e e r i n g ; a p p l i c a t i o n 收稿日期:2021-03-18.作者简介:贾胜利(1972-),工程师.E -m a i l :309779575@q q .c o m 随着我国经济的快速发展和科学技术的进步,人民生活水平的不断提高,城市化建设的步伐逐渐加快,我国的道路㊁桥梁等基础建设发展非常迅猛,特别是最近十多年,我国的桥梁建设数量㊁质量㊁规模等都是历史上最辉煌时期㊂据统计,到2019年底,全国建成的桥梁已超过80万座[1,2]㊂而制备桥梁用的混凝土凭借着成本低廉㊁耐久性好㊁取材便利等优点被广泛地应用㊂目前,随着人们对桥梁和公路质量要求的不断提高,尤其对跨海大桥㊁高铁桥梁的质量要求更加严格,耐久性要求也越来越高,使得过去采用的自重大㊁强度低和功能单一的普通混凝土已经无法满足现在桥梁建设的需求[3]㊂同时,几十年来大量的工程实践表明,有些桥梁结构存在无法解决的技术性问题,也会给桥梁结构安全带来诸多的隐患㊂因此,发展具有更高力学性能㊁更高耐久性的超高性能混凝土来替代常规的混凝土,以及采用UH P C 制造新的桥梁结构,将是今后发展的必然趋势㊂1 超高性能混凝土超高性能混凝土(UH P C )是采用最大堆积密度理论设计的,利用水泥㊁石英砂(不使用粗骨料)㊁超高效减水剂(聚羧酸系)㊁硅灰和纤维(钢纤维或复合有机纤维)制备的新型混凝土材料㊂UH P C 制备时因胶凝材料用量大,水胶比低,且掺有增韧材料,从而使UH P C 具有高强度㊁高韧性㊁高耐久等特性㊂随着设计理论的完善㊁超高效减水剂(聚羧酸系)问世和配制技术的进步,UH P C 已具备了普通混凝土的施工性能,甚至可以实现自密实,可以常温养护,已经具备了广泛应用的条件[4,5]㊂与普通混凝土和高性能混凝土相比,UH P C43建材世界 2021年 第42卷 第2期建材世界2021年第42卷第2期具有优异的力学性能与耐久性能,见表1㊂表1U H P C㊁高性能混凝土㊁普通混凝土的主要力学和耐久性能指标UH P C高性能混凝土(H P C)普通混凝土抗压强度/M P a120~18040~9620~40抗折强度/M P a18~35-2~5弹性模量/G P a35~5531~5514~41徐变系数/C u0.2~1.21.6~1.91.4~2.5抗冻融性能100%耐久90%耐久10%耐久泊松比0.19~0.24-0.11~0.21抗表面剥蚀性能表面剥蚀量0.01表面剥蚀量0.08表面剥蚀量>1表1给出了UH P C与高性能混凝土(H P C)㊁普通混凝土的主要力学和耐久性能指标对比㊂从表1可以发现,UH P C的抗压强度是普通混凝土的5倍以上,抗折强度则为普通混凝土的近10倍;同时,徐变系数仅是普通混凝土的30%,抗冻融性能和抗表面剥蚀性能更是具有显著的优势㊂2U H P C在桥梁中的应用现状桥梁工程要求所有结构材料轻质高强㊁快速架设㊁经久耐用,这使得UH P C材料在桥梁工程领域具有明显的优势与广阔的应用前景㊂目前,UH P C已开始应用于各种桥梁工程中,包括主梁㊁拱圈㊁华夫板㊁桥梁接缝㊁旧桥加固等多方面[6]㊂据不完全统计,到2016年底,世界各国应用UH P C材料的桥梁已超过400座[7]㊂2.1U H P C在国外桥梁中的应用法国是第一个将UH P C成功商业化的国家㊂他们的UH P C桥采用先张法预应力UH P CΠ形梁组成㊂其中Π形梁间通过翼缘板现浇UH P C湿接缝连接㊂这座桥的自重只有传统预应力混凝土桥梁的1/3㊂除接缝连接钢筋和护栏㊁人行道板预埋钢筋外,主梁未配置普通钢筋㊂这座桥2001年建成,在11年后的2012年进行详细的检查评价,结果表明UH P C结构没有出现任何裂缝,桥梁的运行状况良好㊂这为如今UH P C 在桥梁上的大量应用奠定了基础㊂德国将UH P C与钢桁架组合成桥梁结构,同时让UH P C桥面板与桁架的上弦杆通过环氧树脂胶连接,建成了世界上首座UH P C 钢组合桥梁㊂这座桥梁,桥宽5.0m,为人行和自行车两用桥梁㊂荷兰在2013年建成了第一座UH P C桁架人行桥㊂当时为了减少桥梁的制造成本,设计师将桥梁分为桁架预制单元和桥面板预制单元㊂通过胶接缝和后张预应力张拉使桁架预制单元形成整体,在吊装桥面板就位后通过螺栓连接与桁架预制单元形成一体㊂美国在借鉴学习法国2001年建设UH P C桥梁的方法和经验后,设计了3种主梁为I形㊁T形和Π形的UH P C公路桥,并且UH P C主梁均未设置抗剪钢筋,只利用UH P C自身的优异的抗拉性能,从而大大简化了钢筋构造㊂同时,美国针对自己国家北方气候寒冷的特点,担心因冻融环境引发桥梁的一系列问题,设计出了 井 字形双向肋板UH P C桥面板,并用这种桥面板建设了一座桥㊂该桥的桥面板由14块预制 华夫板 组成,各预制板之间通过UH P C接缝连接成连续板,预制板与主梁通过剪力槽和纵向湿接缝连接成整体㊂与承载同样压力的普通混凝土桥面板相比,UH P C 华夫板 桥面板自重可减少30%㊂日本早在2002年设计了一款主梁截面形式为箱梁,采用预制拼装法施工的UH P C人行桥㊂该桥的预制梁段间采用预应力张拉拼接完成㊂这是日本首座采用UH P C建成的桥梁㊂在后来,日本总结自己的工程经验并参考法国的实例,完成了一座预应力混凝土波形钢腹板箱梁桥的顶推施工㊂该桥梁的下弦杆采用了UH P C材料,这也是世界首个将UH P C材料应用于顶推桥建设的实例㊂韩国的研究和工程人员以斜拉桥为主要应用对象,修建了世界上第一座U H P C人行斜拉桥,并在后来修建了第一座U H P C公路斜拉桥㊂该公路斜拉桥为独塔双跨斜拉桥,主跨100m,圆环形主塔高35m,主梁采用U H P C双主梁,桥面板厚15c m㊂采用这种结构设计的主梁在不损失承载能力的情况下,自重能减少30%㊂马来西亚在UH P C桥梁的建设中取得了非凡的成就㊂到2016年底,马来西亚就已经建成了约113座UH P C桥梁,累计应用面积达到80000m2㊂这些桥梁主要包括四类UH P C主梁结构:全UH P C-T梁型㊁UH P C-R C组合梁型㊁全UH P C箱梁型和全UH P C下承式槽形梁型㊂其中,UH P C R C组合梁下缘受拉53区采用UH P C U形或I形梁,上缘受压区采用现浇R C桥面板,可以充分发挥材料的性能并可节省上部结构造价㊂马来西亚在2015年建成通车的B a t u6桥是目前世界上单跨最大的全预制拼装UH P C箱形梁公路桥,该桥的UH P C主梁仅重670t㊂2.2U H P C在国内桥梁中的应用在1990年,黄政宇㊁覃维祖等分别发表了关于UH P C的论文,成为中国最早一批研究UH P C的学者㊂此后,国内的许多学者先后开展了有关UH P C材料性能与构件力学性能的研究,并取得了一系列的研究成果㊂在2015年我国颁布了UH P C材料的国家标准,为UH P C的工程应用及推广奠定了坚实的基础㊂据统计,国内已有超过30座桥梁使用了UH P C材料,其中有5座桥梁的主体结构是UH P C材料,其余桥梁则主要将UH P C材料用于钢-UH P C轻型组合桥面结构㊁维修加固㊁现浇接缝等方面㊂2006年,在迁曹铁路工程中,利用UH P C修建了国内第一座桥梁㊂该桥采用UH P C-T梁作为桥面板,一共使用了12片跨径为20m的梁㊂2011年,在肇庆马房大桥中,首次将UH P C与钢箱梁组合形成轻型组合桥面㊂桥面采用正交异性钢面板,良好的解决了铺装层严重破损和钢结构疲劳裂纹的问题㊂到目前为止,国内已有17座大桥采用了钢-UH P C轻型组合桥面,涵盖了梁桥㊁拱桥㊁斜拉桥和悬索桥等各类桥型㊂3U H P C在桥梁应用中存在的问题与解决方案3.1U H P C在桥梁应用中存在的问题尽管U H P C这种新型混凝土结构材料具有优异的抗拉性能㊁抗压强度和耐久性,但其较低水胶比和高胶凝材料用量,使得U H P C仍然存在高成本㊁高能耗,并且具有较大收缩等明显缺点,从而导致U H P C无法广泛应用于普通建筑的工程中,这也是U H P C在桥梁建设领域虽有发展,但远远无法普及和广泛应用的原因[8,9]㊂表2是一个典型的桥面UH P C铺装层的配合比㊂从表2可知,UH P C的水胶比大约在0.21左右,远低于普通混凝土0.5的水胶比㊂为了控制UH P C在凝结硬化过程中的收缩导致混凝土开裂,在微细粉掺合料中除掺有硅灰外,还掺有适量的膨胀剂和水泥增强剂㊂此外,每方混凝土中水泥的用量达到了800k g,而且钢纤维的掺量也较大,这导致UH P C的制造成本不会太低㊂不过为了降低UH P C的制造价格,国内已开始在UH P C材料组成中,采用粗骨料,如:可采用5~12mm粒径的玄武岩碎石,适当降低水泥用量,但7d强度只有120~130M P a,冬㊁春季还需要蒸汽养护㊂表2U H P C桥面铺装层配合比组成材料P O52.5水泥石英砂镀铜钢纤维微细粉掺合料水高性能减水剂每m3用量/k g8009502503001708.0表3U H P C桥面铺装层力学性能检测项目抗压强度/M P a7d28d抗折强度/M P a7d28d28dUH P C静力受压弹性模量/G P a实测值142.7170.431.435.745.6表3是上面UH P C组成材料和配合比的力学性能结果㊂从表3可知,该UH P C的7d抗压强度就可以达到140M P a以上,抗折强度也大于30M P a;28d抗压强度和抗折强度分别达到170.4M P a和35.7M P a,其力学性能非常优异㊂UH P C桥梁的另一个难题是UH P C自身的收缩往往较大,进而会使桥梁引发开裂等一系列安全性问题㊂UH P C的收缩通常发生在两个不同的阶段:早期和后期㊂第一阶段:浇注后24h内,这一阶段为混凝土凝固并开始硬化的持续过程㊂第二阶段:是指浇注后超过24h的龄期㊂两个阶段的收缩主要包括自收缩㊁干燥收缩和温度收缩,它们有重叠的结果,但机理不同㊂UH P C主要以自收缩为主,其自收缩量占总收缩的78.6%~90.0%,收缩范围约为700~800με,干燥收缩则较小,收缩范围约为80~170με㊂图1为普通混凝土和UH P C在收缩方面的对比分析模型图㊂从图1可以明显看出,UH P C的自收缩在各个方向上都远大于普通的混凝土㊂资料[10]的研究也表明,UH P C的收缩大小大约为普通混凝土的2.5倍左右㊂63建材世界2021年第42卷第2期3.2U H P C在桥梁应用中采用的方案针对上文提到的UH P C在桥梁应用中的两大问题,以及UH P C自身存在的一些缺点,目前,主要采用下面的解决方法㊂为了降低UH P C的使用成本,以及高能耗的问题,在满足强度及耐久性等性能的前提下,一般采用在桥面上浇筑一层UH P C铺装层,以增加桥面的力学性能,再进行沥青的铺设;使用UH P C为核心的桥墩,其余部分还是采用普通混凝土的方案㊂在这样的设计方案下,既能达到桥梁的建设标准,又能适当减少UH P C 的使用量,以降低一定的成本㊂而对于跨海大桥㊁高质量铁轨大桥等大型桥梁的建造,则结合目前提出的正交异性钢面板,合理采用不同的钢-UH P C轻型组合结构来替代构造复杂的钢-普混结合段及性能欠佳的轻质混凝土㊂UH P C的自收缩是UH P C在各个领域应用时都需要面对的问题㊂目前认为,养护制度对UH P C收缩发展影响较大,合适的养护制度有利于提高UH P C的强度和改善UH P C的收缩性能㊂为了防止收缩造成的开裂等问题,一般会采取热养护的方式,使UH P C在早期就形成收缩㊂在实际的工程应用中,使UH P C 在温度约为60ħ的条件下养护一段时间,再进行后续的桥梁施工㊂亦或是提前做好钢-UH P C轻型组合结构,利用它相较于普通的桥梁结构轻的优势,运输至施工地点再进行施工㊂4结论与展望UH P C桥梁具有自重小㊁力学性能和耐久性优异的特点,是解决现有常规桥梁结构存在钢桥面开裂和铺装易损㊁钢混组合梁自重较大㊁且负弯矩使混凝土易开裂等问题的一个重要方法,也是建造高质量㊁高技术桥梁的必然选择㊂但是,UH P C由于自身的收缩较大,使用成本和技术要求较高,限制了UH P C在桥梁工程中的广泛应用㊂同时,尽管国内已对UH P C桥梁结构进行了大量的研究,并研发了多类钢-UH P C的桥梁结构,但这些方案和构思都处于起步阶段,需要进一步的修改和完善,尚未能在国内桥梁工程中获得大量的应用㊂今后,应该在实验室研究的基础上,借鉴国内外实际工程应用的经验,解决UH P C在桥梁应用上的困难,推动UH P C在桥梁工程中的发展和应用,为我国桥梁技术的进步做出贡献㊂参考文献[1]王德辉,史才军,吴林妹.超高性能混凝土在中国的研究和应用[J].硅酸盐通报,2016,35(1):141-149.[2]魏亚雄,方志.预制装配式活性粉末混凝土箱梁桥的结构性能[J].公路工程,2016,41(5):11-16.[3]谢峻,王国亮,郑晓华.大跨径预应力混凝土箱梁桥长期下挠问题的研究现状[J].公路交通科技,2007,24(1):47-50.(下转第42页)73浮浆气泡的影响㊂c.建议改进骨料粒形和级配,特别是粗骨料超逊径,尽量保证组合连续级配曲线整体顺滑㊂d.保证混凝土和易性的情况下,为满足现场泵送施工,建议砼拌和物坍落度按160~180mm控制[4],不宜太大,避免离析造成骨料分离,从而产生泌水浮浆㊂参考文献[1]李根,杨昌容,赵翼,等,混凝土浮浆产生机理及原因分析[J].四川建材,2018,44(12):22.[2]洪根,陆海梅,徐海源.外加剂对混凝土气泡质量的影响研究[J].广东建材,2017,45(1):23-24.[3]蒋玉水,李鹏,程文华.浅谈泵送混凝土泌水和浮浆问题及解决措施[J].水利建设与管理,2010,30(11):28-29.[4]杨问苏,邹剑平,许光明.三峡三期工程混凝土泌水㊁浮浆及骨料分离研究[J].人民长江,2006,37(5):7,13-14. (上接第37页)[4] Y a z i c iH,Y a r d m c iM Y,A y d i nC,e t a l.M e c h a n i c a lP r o p e r t i e so fR e a c t i v eP o w d e rC o n c r e t eC o n t a i n i n g M i n e r a lA d m i x-t u r e sU n d e rD i f f e r e n tC u r i n g R e g i m e s[J].C o n s t r u c t i o na n dB u i l d i n g M a t e r i a l s,2009,23(3):1223-1231.[5] P a r kJ J,Y o oD Y,K i m S W,e t a l.A u t o g e n o u sS h r i n k a g eo fU l t r a H i g hP e r f o r m a n c eC o n c r e t eC o n s i d e r i n g E a r l y A g eC o e f f i c i e n t o fT h e r m a l E x p a n s i o n[J].S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g a n d c h a n i c s,2014,49(6):763-773.[6]邵旭东,吴佳佳,刘榕,等.钢-UH P C轻型组合桥梁结构华夫桥面板的基本性能[J].中国公路学报,2017,30(3):218-225,245.[7]管亚萍.预制超高性能混凝土π形梁桥的设计与初步试验[D].长沙:湖南大学,2016.[8]李丽.高性能混凝土收缩与开裂规律的研究及机理分析[D].南京:东南大学,2004.[9] R e z v a n M,P r o s k eT,G r a u b n e rCA.M o d e l l i n g t h eD r y i n g S h r i n k a g e o f C o n c r e t eM a d ew i t hL i m e s t o n e-r i c hC e m e n t s[J].C e m e n t a n dC o n c r e t eR e s e a r c h,2019(115):160-175.[10]邵旭东,邱明红,晏班夫,等.超高性能混凝土在国内外桥梁工程中的研究与应用进展[J].材料导报,2017,31(23):33-43.24。
混合结构体系课件
混合结构体系的研发涉及材料科学 、物理学、化学、工程学等多个学 科的交叉，有助于推动多学科的协 同发展。
混合结构体系的历史与发展
历史
混合结构体系的研究始于20世纪初，早 期主要集中在金属与非金属材料的简单 组合与性能研究。随着材料科学和工程 技术的不断发展，混合结构体系的研发 逐渐深入，涉及的领域也更加广泛。
减排和生态化。
长寿命和可回收性
混合结构体系具有较长的使用寿 命和良好的可回收性，有助于减 少建筑废弃物的产生，节约资源
，降低对环境的影响。
对环境保护的影响与应对策略
环境影响评估
在设计和应用混合结构体系时，需要进行全面的环境影响 评估，包括能源消耗、碳排放、材料消耗、水资源利用等 方面，以制定相应的应对策略。
特点
混合结构体系具有多样性、灵活性和可设计性，能够实现材料性能的互补和优 化。例如，通过结合金属和非金属材料，可以获得轻质、高强、耐腐蚀等特性 。
混合结构体系的重要性
实现高性能材料
混合结构体系可以显著提高材料 的力学、热学、光学和电磁性能 ，为新材料的研发提供新的途径
。
拓展材料应用领域
由于混合结构体系具有多样的性能 和可设计性，使得它们在航空航天 、电子、生物医疗等领域具有广泛 的应用前景。
感谢观看
THANKS
VS
发展
近年来，随着纳米科技、生物技术等领域 的快速发展，混合结构体系的研究进入了 一个新的阶段。纳米尺度的混合结构体系 在电子、光电子、生物医学等领域展现出 巨大的应用潜力。同时，随着3D打印等 增材制造技术的进步，混合结构体系的制 备和应用将更加便捷和高效。
02
混合结构体系的构成
混凝土结构
01
中国建筑科学研究院结构设计软件的发展与展望_黄吉锋
第29卷第11期2013年11月建筑科学BUILDING SCIENCEVol.29，No.11Nov．2013［文章编号］1002-8528（2013）11-0022-08中国建筑科学研究院结构设计软件的发展与展望黄吉锋，杨志勇，马恩成，张志远，沈文都（中国建筑科学研究院建研科技股份有限公司，北京100013）［摘要］简要回顾了中国建筑科学研究院结构设计软件的发展史，重点阐述了当前国内主流软件PKPM 的功能与特点，同时介绍了基于BIM 技术的结构设计软件新架构。
［关键词］结构设计软件；发展史；PKPM ；BIM ［中图分类号］TU311.41［文献标识码］ADevelopment and Prospect of the Structural Design Software in China Academy of Building ＲesearchHuang Ji-feng ，Yang Zhi-yong ，Ma En-cheng ，Zhang Zhi-yuan ，Shen Wen-du （Institute of Building Structure ，ChinaAcademy of Building Ｒesearch ，Beijing 100013，China ）Abstract ：The development history of the structural design software is briefly reviewed in China Academy of Building Ｒesearch．The features of the PKPM structural design software series ，which currently occupy the mainstream market of China ，and the entirely new PKPM structural design software planning based on the BIM technology ，are introduced in detail．Keywords ：structural design software ；development history ；PKPM ；BIM［收稿日期］2013-09-20［作者简介］黄吉锋（1969-），男，博士，研究员［联系方式］huangjifeng@cabrtech．com1结构设计软件的发展历史回顾计算机技术的发展为复杂建筑结构的计算分析与设计绘图提供了坚实平台。
波形钢腹板在桥梁结构中的应用与展望
受活载， 因而在长 期运营后， 以对体外 预应力索 可 进行更换 ， 以恢 复 承 载 力 和 进 行 结 构 加 固 。 （ ） 免 了腹 板 开 裂 问题 ， 久 性 能好 。 传 统 ６避 耐 的预 应 力 混 凝 土 箱 梁 桥 受 外 力 荷 载 以及 混 凝 土 收 缩 、 变 的 影 响 ， 常 在 腹 板 出 现 裂 缝 ， 成 了 混 徐 常 造 凝 土 截 面 削 弱 、 筋 腐 蚀 乃 至 于 要 进 行 维 修 补 强 钢 等 一 系列 问题 ，成 为 预 应 力 混 凝 土 箱 梁 桥 的普 遍 病 害 ，而 波 形 钢 腹 板 Ｐ Ｃ箱 梁 桥 则 不 会 出 现 上 述 问题 ， 久 性 能 较 好 ，但 需 对 波 形 钢 腹 板 进 行 防 耐 腐 保 护
力 混 凝 土 箱 形 梁 桥 的腹 板 采 用 较 轻 的 波 形 钢 板 ，
板 的３跨 连 续 箱 梁 桥 （ｈ ｉｆ ｇｕ ｄ桥 ）其 各 跨 跨 Ａ ｗｐｅ ｒｎ ｒ ， 度 为 （２＋ １５＋８ ）ｎ ８ １ ２ ｉ。韩 国正 在施 工 的Ｉ ｓｎ桥 ， Ｉｕ
组 合 箱 梁 作 为 一 种 新 型 的钢 一 凝 土 组 合 结 构 逐 混 步发 展 起 来 。 形 钢 腹 板 箱 梁 结 构 在 顶 、 板 还 采 波 底
用 钢筋混凝土结 构， 预应力 钢束设置 在混凝 土体 内 ， 在 箱 内 空 间 设 置 体 外 预 应 力 钢 束 ， 凝 土 腹 并 混 板 用 波 形 钢 腹 板 替 代 ，这 种 结 构 使 主梁 相 对 轻 型 化， 在控 制 腹 板 斜 裂 缝 方 面有 很 大 优 势 ， 而 减 小 进 了下 部 结 构 的 工 程 量 。 该 类 桥 与 普 通 的 预 应 力 混 凝 土 箱 梁 相 比， 具 有 以下 特 点 ： （ ） 高 预应 力 效 率 ， 善 结 构 性 能 。 波形 钢 １提 改 腹 板 的 纵 向 刚度 较 小 ， 乎 不 抵 抗 轴 向力 ， 而 几 因
《组合结构设计原理》结课论文
《组合结构设计原理》结课论文学院：土木与交通学院姓名：马晓栋学号：200903501钢管混凝土在拱桥中的应用摘要：钢管混凝土拱桥以其强度高、跨越能力大、施工便捷、经济效果好、桥型美观等优点在我国桥梁中得到了广泛应用。
本文介绍了钢管混凝土拱桥的应用及理论研究现状，对其发展优势及发展中存在的问题进行了分析，最后展望了钢管混凝土拱桥的发展趋势。
关键词：钢管混凝土拱桥现状发展Abstract: the concrete filled steel tubular arch bridge with its high strength, spanning capacity, construction is convenient, economic effect is good, bridge aesthetic advantages in our country in the bridge to a wide range of applications. This paper introduces the concrete-filled steel tubular arch bridge of the application and theory research present situation, the development advantages and developing existence problems have been analyzed, and the future development trend of concrete filled steel tube arch bridge.Keywords: concrete filled steel tubular arch bridge development present situation钢管混凝土是将混凝土填充到钢管内形成的一种组合结构材料。
钢筋混凝土柱-钢梁混合框架结构体系研究、实践与展望
５２㊀施㊀工㊀技㊀术ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０２１年２月上第５０卷㊀第３期ＤＯＩ:１０ ７６７２/ｓｇｊｓ２０２１０３００５２钢筋混凝土柱￣钢梁混合框架结构体系研究、实践与展望∗孙小华１ꎬ胡响阳２ꎬ董㊀震１ꎬ房㊀晨１ꎬ何㊀亮１ꎬ郭志鹏３(１.中建科技有限公司华东分公司ꎬ上海㊀２００１２０ꎻ２.杭州市城东新城建设投资有限公司ꎬ浙江㊀杭州㊀３１００１７ꎻ３.中建科技集团有限公司ꎬ北京㊀１００１９５)[摘要]钢筋混凝土柱￣钢梁混合框架结构体系能够最大程度地发挥钢筋混凝土和钢材二者各自的材料性能ꎬ是一种经济高效的结构体系ꎮ首先全面回溯了这种结构在国内外的研究之路ꎬ其次介绍了其在世界范围的建筑工程应用ꎬ然后在系统梳理研究历程与工程实践的基础上ꎬ指出了钢筋混凝土柱￣钢梁混合框架结构体系当前研究中存在的不足并对此进行了探讨ꎬ最后结合我国建筑行业的发展趋势对其应用前景提出了展望ꎬ以供相关研究与设计人员了解与讨论ꎮ[关键词]钢筋混凝土柱ꎻ钢梁ꎻ混合框架ꎻ试验研究ꎻ工程实践ꎻ展望[中图分类号]ＴＵ３９８[文献标识码]Ａ[文章编号]１００２￣８４９８(２０２１)０３￣００５２￣１０ＲｅｓｅａｒｃｈꎬＰｒａｃｔｉｃｅａｎｄＰｒｏｓｐｅｃｔｏｆＲｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔＣｏｌｕｍｎ￣ｓｔｅｅｌＢｅａｍＨｙｂｒｉｄＦｒａｍｅｄＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＳｙｓｔｅｍｓＳＵＮＸｉａｏｈｕａ１ꎬＨＵＸｉａｎｇｙａｎｇ２ꎬＤＯＮＧＺｈｅｎ１ꎬＦＡＮＧＣｈｅｎ１ꎬＨＥＬｉａｎｇ１ꎬＧＵＯＺｈｉｐｅｎｇ３(１.ＥａｓｔＣｈｉｎａＢｒａｎｃｈｏｆＣｈｉｎａＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＧｒｏｕｐＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＳｈａｎｇｈａｉ㊀２００１２０ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＨａｎｇｚｈｏｕＱｉａｎｄｏｎｇＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＩｎｖｅｓｔｍｅｎｔＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＨａｎｇｚｈｏｕꎬＺｈｅｊｉａｎｇ㊀３１００１７ꎬＣｈｉｎａꎻ３.ＣｈｉｎａＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＧｒｏｕｐＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＢｅｉｊｉｎｇ㊀１００１９５ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｃｏｌｕｍｎ￣ｓｔｅｅｌｂｅａｍ(ＲＣＳ)ｈｙｂｒｉｄｆｒａｍｅｉｓａｎｅｃｏｎｏｍｉｃａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｙｓｔｅｍｆｏｒｉｔｃａｎｍａｘｉｍｉｚｅｂｏｔｈｔｈｅｐｏｔｅｎｔｉａｌｍａｔｅｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅａｎｄｓｔｅｅｌ.ＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒꎬｔｈｅｃｏｕｒｓｅｏｎｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＲＣＳａｔｄｏｍｅｓｔｉｃａｎｄｆｏｒｅｉｇｎｗａｓｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙｂａｃｋｔｒａｃｋｅｄａｔｆｉｒｓｔꎬｔｈｅｎｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｎｆｉｌｅｄｏｆｂｕｉｌｄｉｎｇｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｉｎｔｈｅｗｏｒｌｄｗｉｄｅｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄꎬｎｅｘｔｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓａｎｄｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｓｏｌｕｔｉｏｎｓｏｎＲＣＳｓｙｓｔｅｍｗｅｒｅｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｅｄｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆａｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｓｕｍｍａｒｙｏｎｉｔｓｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｏｆｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬｆｉｎａｌｌｙｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔｏｆＲＣＳｆｒａｍｅａｔｈｏｍｅｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｔｒｅｎｄｉｎｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｉｎｄｕｓｔｒｙｏｆＣｈｉｎａ.ＴｈｉｓｏｖｅｒｖｉｅｗｐｒｏｖｉｄｅｄａｎｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇａｃｃｅｓｓａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｆｏｒｒｅｌｅｖａｎｔｓｃｈｏｌａｒｓａｎｄｄｅｓｉｇｎｅｎｇｉｎｅｅｒｓｏｎＲＣＳｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎬｉｎｏｒｄｅｒｔｏｏｆｆｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌａｎｄｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｌｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｉｔｓｆｕｒｔｈｅｒｐｒｏｍｏｔｉｏｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎＣｈｉｎａ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｃｏｎｃｒｅｔｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｌｕｍｎｓꎻｓｔｅｅｌｂｅａｍｓꎻｈｙｂｒｉｄｆｒａｍｅｓꎻｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙꎻｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒａｃｔｉｃｅꎻｐｒｏｓｐｅｃｔ∗国家重点研发计划:基于建筑设计㊁部品生产㊁装配施工㊁装饰装修㊁质量验收全产业链的关键技术及技术集成研究与应用(２０１６ＹＦＣ０７０１９０４)[作者简介]孙小华ꎬ总经理ꎬ教授级高级工程师ꎬＥ￣ｍａｉｌ:３７４５６２３０＠ｑｑ.ｃｏｍ[收稿日期]２０２０￣０７￣０９０㊀引言㊀㊀钢筋混凝土柱￣钢梁(ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｃｏｌｕｍｎ￣ｓｔｅｅｌｂｅａｍꎬ下文简称ＲＣＳ)混合框架结构体系是一种竖向承重构件采用钢筋混凝土柱ꎬ水平承重构件采用钢结构梁的抗弯框架结构体系ꎮ其设计理念充分体现出混合结构的特点:一方面ꎬ框架柱主要承受竖向和水平荷载ꎬ可视为压弯构件ꎬ采用受压性能良好的钢筋混凝土ꎬ与钢结构柱相比更为经济ꎮ混凝土构件厚实截面在显著增加结构抗侧刚度㊁减小层间侧移的同时ꎬ能有效避免钢构件薄柔截面存在的失稳缺陷ꎮ此外ꎬ混凝土柱具有优良的防火耐腐２０２１Ｎｏ.３孙小华等:钢筋混凝土柱￣钢梁混合框架结构体系研究㊁实践与展望５３㊀性ꎬ可进一步降低钢柱喷涂防火耐腐涂层的用料和人工成本ꎮ另一方面ꎬ框架梁主要承受楼面和墙体荷载ꎬ可视为受弯构件ꎬ采用抗拉性能优异的钢材ꎬ不仅实现了在增大构件空间跨度的情况下尽量减小截面尺寸ꎬ从而增加房屋的有效使用空间ꎬ提高项目建设速度ꎬ缩短周期ꎬ而且直接节约了楼盖混凝土支模与临时支撑的费用ꎮ此外ꎬ它自重较轻ꎬ可减小整体结构的地震作用ꎬ增加建筑的抗震安全和延性ꎬ降低基础造价ꎮ可以说ꎬＲＣＳ混合框架结构体系兼容了两种建筑工程材料的优点ꎬ能够最大程度地发挥二者各自的性能优势ꎬ是一种经济高效的结构形式[１]ꎮ本文首先全面回溯了ＲＣＳ混合结构在国内外的研究之路ꎬ其次介绍了其在世界范围的建筑工程应用ꎬ然后在系统梳理研究历程与工程实践的基础上ꎬ指出了ＲＣＳ结构体系当前研究中存在的不足并对此进行了探讨ꎬ最后结合我国建筑行业的发展趋势对其应用前景提出了展望ꎬ以供相关研究与设计人员了解ꎬ为其在国内的进一步推广应用提供一定的技术信息参考ꎮ１㊀研究进展１ １㊀ＲＣＳ结构的提出背景㊀㊀ＲＣＳ混合框架的概念起源于美国ꎬ可以说是随着美国建筑工程行业对混合结构与组合结构的逐步深入认知而提出的ꎮ２０世纪７０年代以前ꎬ钢骨混凝土(即型钢混凝土)和钢结构的设计理念得到广泛认同ꎬ在美国的中高层建筑中应用较多ꎬ然而工程实践表明ꎬ型钢混凝土中存在型钢和受力(构造)钢筋ꎬ连接复杂ꎬ施工难度大ꎬ需增加不容忽视的额外材料和人工成本ꎻ而钢结构自身存在抗侧刚度有限ꎬ且需增加防火防腐涂层和维护成本的缺陷ꎮ鉴于这种情况ꎬ在２０世纪７０年代中期ꎬ学者Ｓｈｉｍｉｚｕ率先提出了ＲＣＳ框架的结构设想ꎬ并迅速得到了建筑工程行业的积极响应ꎮ美国在这段时间陆续修建了若干采用ＲＣＳ体系的多高层建筑ꎬ造成了ＲＣＳ体系设计理论严重滞后于工程实践的问题ꎮ基于这一现象ꎬ不少美国学者[２￣３]开始呼吁研究学界要紧跟工程建设的脚步ꎬ深入研究ＲＣＳ框架的受力性能ꎬ全面分析其中混凝土与钢材之间的相互作用ꎮ在此之后ꎬ学者们开始广泛关注ＲＣＳ体系的研究ꎬ并逐步对其展开一系列的系统考察ꎮ１ ２㊀ＲＣＳ节点国内外研究现状㊀㊀对于抗弯框架而言ꎬ提供抗侧力的核心是柱脚与梁柱节点ꎮ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ꎮ由图可知ꎬ梁柱节点刚接不仅能够显著改善柱子的受力状态ꎬ使整个结构的弯矩分布更为均衡ꎬ进而充分发挥各个构件材料的力学性能ꎬ而且可有效增加框架的侧向刚度ꎬ减小自身的整体侧移ꎮ而在ＲＣＳ混合框架中ꎬ梁柱连接是为了实现两种性能完全不同材料(钢筋混凝土和钢材)的融合ꎬ其合理设计与构造更是确保抗侧能力发挥的关键因素ꎮ因此ꎬＲＣＳ体系的早期研究主要聚焦于梁柱节点ꎬ美日中三国均在这方面进行了大量工作ꎮ下面择其各自有代表性的成果进行介绍ꎮ图１㊀刚接与铰接框架弯矩和侧移对比１ ２ １㊀美国１９８９年ꎬ德克萨斯州立大学(ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｘａｓ)的Ｓｈｅｉｋｈ和Ｄｅｉｅｒｌｅｉｎ等学者[４￣５]第１次对ＲＣＳ节点开展了系统性研究ꎮ他们首先对共计１５个大比例(２/３缩尺)试件进行试验ꎬ其中ꎬ７个施加单调静力荷载ꎬ８个施加低周往复荷载ꎬ系统考察了ＲＣＳ节点的承载力㊁转动刚度和４种构造措施(面承板㊁内嵌承载板㊁架立钢柱和抗剪栓钉)的有效性ꎮ试验结果表明ꎬＲＣＳ节点具有良好的强度㊁刚度和延性ꎬ合理的构造能够显著提高节点的承载能力和变形性能ꎮ在试验的基础上ꎬ首次提出了ＲＣＳ混合节点的两种典型破坏模式ꎬ如图２所示ꎮ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ꎻ承压破坏的显著标志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间隙ꎬ在受压区被压碎ꎮ基于上述破坏模式和已有规范ꎬ给出了ＲＣＳ节点的设计模型和建议ꎬ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ꎮ然而ꎬ他们的研究主要着眼于ＲＣＳ节点的静力强度和刚度ꎬ并未深入探究其在地震作用下的非弹性受力和变形性能ꎻ且分析对象以框架一５４㊀施工技术第５０卷图２㊀ＲＣＳ节点两种典型破坏模式[４]般层内部节点为主ꎬ使ＲＣＳ框架的应用受到限制ꎬ仅适用于中低烈度设防地区ꎮ１９９３年ꎬ康奈尔大学(ＣｏｒｎｅｌｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ)的Ｋａｎｎｏ[６]为了验证ＲＣＳ节点在高烈度设防区推广使用的可行性ꎬ对１１组(共计１９个)大比例尺寸试件的强度㊁变形和抗震性能进行了深入试验考察ꎮ试验结果表明ꎬ即使在高烈度设防区ꎬ合理设计的ＲＣＳ节点仍能具有良好的抗震承载能力和变形性能ꎮ他在总结各试件破坏形态的基础上ꎬ进一步拓展出４种不同的破坏模式ꎬ如图３所示ꎮ除了节点核心区破坏(即剪切破坏和承压破坏)之外ꎬＲＣＳ节点尚有可能发生梁铰破坏㊁混合破坏和柱铰破坏ꎬ其中ꎬ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ꎬ且延性较差ꎬ抗震性能不佳ꎬ应在设计中予以重视和避免ꎮ图３㊀Ｋａｎｎｏ提出的ＲＣＳ节点的４种破坏模式[６]２０００年ꎬ鉴于已有的研究仅局限于中间层内部节点ꎬ密歇根大学(ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｃｈｉｇａｎ)的Ｐａｒｒａ￣Ｍｏｎｔｅｓｉｎｏｓ和Ｗｉｇｈｔ对９个３/４比例ＲＣＳ边节点进行了低周往复荷载作用下的试验[７](见图４)ꎬ重点探究了连接构造(Ｕ形箍筋㊁上下钢箍板)和新型材料(纤维混凝土㊁高强胶凝组合材料)对节点抗震性能的影响ꎮ图４㊀Ｐａｒｒａ￣Ｍｏｎｔｅｓｉｎｏｓ等试验的平面节点[７]试验结果表明ꎬ设计合理的ＲＣＳ边节点仍具有良好的抗震承载力和延性ꎬ能够适用于高烈度设防区ꎮ可靠的构造措施和新型建筑材料的使用能够提高节点的受剪性能和塑性变形能力ꎬ降低乃至取消核心区的配箍ꎮ次年ꎬ两人通过对比试验结果和已有理论分析的差异ꎬ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[８]ꎬ但该公式的有效性仍需进一步的试验数据支持ꎮ在此之后ꎬ经过十多年对ＲＣＳ节点自身受力性能的考察ꎬ不少学者开始将目光转向钢梁的组合效应ꎬ探究混凝土楼板和空间效应对节点性能的加强作用ꎮ１９９９~２００４年ꎬ德克萨斯农业机械大学(ＴｅｘａｓＡ＆ＭＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ)[９]和密歇根大学(ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｃｈｉｇａｎ)[１０]的研究人员先后对带楼板的ＲＣＳ混合节点进行了相关试验ꎮ试验结果表明ꎬ无论是中间节点还是边节点ꎬ在楼板的加强效应下ꎬ均呈现出良好的滞回性能ꎮ然而上述研究仅是证实并支持了楼板对节点的有利机制ꎬ并未提及如何在设计分析和承载力计算中量化反映这种增强作用ꎮ美国工程学界提出ＲＣＳ框架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一种延伸ꎬ采用综合性能更优的钢筋混凝土柱替代钢结构(型钢混凝土)柱ꎬ一般采用 梁贯通型 节点(见图５)ꎮ图５㊀美式 梁贯通型 ＲＣＳ节点构造其优点是整体性好ꎬ能在提供较大承载力和刚度的同时避免大量焊接作业ꎻ缺点是造成了核心区柱截面的削弱ꎬ增加了钢筋ꎬ尤其是箍筋的布设难度ꎬ影响了核心区混凝土的浇筑质量ꎮ２０２１Ｎｏ.３孙小华等:钢筋混凝土柱￣钢梁混合框架结构体系研究㊁实践与展望５５㊀１ ２ ２㊀日本在１９８７年以前ꎬ受限于当时ＡＩＪ(日本建筑学会)«钢骨混凝土规范»相关条文的严格制约ꎬ可以说在日本的建筑工程中禁止使用ＲＣＳ框架ꎮ这一状况直至２０世纪８０年代末ꎬ受到美国ＲＣＳ体系工程实例和相关研究的启发ꎬ日本建筑业界和ＡＩＪ重新认识到ＲＣＳ体系的优势ꎬ才使得ＲＣＳ混合结构在日本逐步得到重视并发展起来ꎮ１９８８年ꎬＡＩＪ首次在其型钢混凝土(ＳＲＣ)结构运营委员会下设置了 组合㊁混合结构小委员会 ꎬ标志着日本工程学界对于ＲＣＳ体系认知的全面转变ꎮ起初ꎬ仅是一些私人建筑公司针对某些工程项目中采用的ＲＣＳ节点展开研究ꎮ从２０世纪８０年代末到９０年代初ꎬ日本在这一时期进行了不下４００个ＲＣＳ节点子结构的试验ꎮ截止２０世纪末ꎬ日本各大建筑公司成功研发并应用于工程实践的ＲＣＳ节点专利已超过３０余项[１１]ꎮ不过这些研究主要针对具体的ＲＣＳ节点形式ꎬ并未系统深入地探究其受力机制和破坏模式等问题ꎮ２０世纪９０年代中期ꎬ日本学者联合美国学者开始对ＲＣＳ节点的传力机制和设计模型进行全面研究ꎮ１９９７年ꎬ日本建筑研究协会和建筑承包商社(ＢｕｉｌｄｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅａｎｄＢｕｉｌｄｉｎｇＣｏｎｔｒａｃｔｏｒＳｏｃｉｅｔｙ)对１０个平面中间节点进行了试验ꎬ系统考察了４种构造措施(柱面钢板㊁面承板㊁正交短梁和加劲肋)对其受剪性能的影响ꎮ自这一年开始ꎬ日本建筑研究协会(ＢｕｉｌｄｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ)的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ꎮ他们的试验结果表明ꎬ节点在双向受力状况下的受力性能与单向(平面)加载并无明显区别ꎬ意味着ＲＣＳ节点的平面设计模型能够适用于空间模型ꎮ同年ꎬ日本千叶大学的研究学者开展了共计１６个ＲＣＳ试件的试验ꎬ其中ꎬ包括１２个外部节点ꎬ１个内部节点和３个角部节点ꎮ而后Ｋｉｍ等[１３]基于这次试验数据进行了相应的有限元分析ꎬ分析了诸如有效节点宽度等因素对节点设计公式的影响ꎬ实现了节点传力路径的可视化ꎬ讨论了ＲＣＳ节点的传力机制ꎮ１９９８年ꎬ大阪技术学院(ＯｓａｋａＩｎｓｔｉｔｕｔｅＯｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ)的Ｎｉｓｈｉｍｕｒａ等[１４]进行了７个中间节点和５个辅助构件的相关试验ꎬ检验 梁贯通型 节点构造的剪切和承压受力机理ꎮ研究结果对ＲＣＳ节点承载力计算公式中各个组成部件的细化改进具有重要价值ꎮ２００４年ꎬＫｕｒａｍｏｔｏ等[１５]进行了３个ＲＣＳ节点的低周往复荷载试验ꎬ深入分析柱面钢板㊁外伸式面承板和水平加劲肋对节点抗震性能的影响ꎮ在试验的基础上ꎬ他们提出了ＲＣＳ节点的传力模型和抗剪承载力计算公式ꎮ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的抗剪性能ꎬ进而有效提高节点的剪切强度和抗震性能ꎮ鉴于自身高烈度抗震设防的现实需求ꎬ日本将ＲＣＳ混合框架视为对传统钢筋混凝土框架结构的一种变革ꎬ主要应用于低多层混凝土办公楼和零售商业中心ꎮ与美国ＲＣＳ节点的区别之处在于ꎬ日本ＲＣＳ节点一般采用 柱贯通型 (见图６)ꎬ即节点核心区保证柱子贯通完整ꎬ钢梁不伸入ꎬ通过高强螺栓或焊缝连接在柱端的预埋连接件上ꎮ图６㊀日式 柱贯通型 ＲＣＳ节点构造这种节点形式的最大好处是有利于核心区混凝土的浇筑制作ꎬ且构造较为简单ꎬ施工速度快ꎻ不足之处在于节点核心区受力复杂ꎬ梁柱连接部位易出现应力集中ꎬ进而对节点受力产生不利影响ꎬ其整体性㊁刚度和承载能力逊色于 梁贯通型 ꎮ１ ２ ３㊀中国与美日两国相比ꎬ我国在ＲＣＳ混合节点方面的研究工作起步较晚ꎮ公开文献中ꎬ我国首次对这种新型节点形式的试验探索出现于２１世纪初叶ꎮ２００１年ꎬ天津大学的杨建江等[１６]以天津泰达大厦工程设计为背景ꎬ对４个ＲＣＳ节点在低周往复荷载作用下的受力性能进行了研究ꎮ节点形式参考Ｓｈｅｉｋｈ等的试验给出ꎬ其中ꎬ３个试件在核心区采取了钢梁腹板切断㊁翼缘贯通的构造ꎬ综合考察了轴压比㊁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ꎬ基于试验数据给出了建议的承载力计算公式ꎮ研究成果表明ꎬ钢梁腹板㊁支承加劲肋和栓钉能显著提高节点的抗剪承载力ꎬ实际工程中应避免出现柱端混凝土承压破坏ꎮ２００５年ꎬ重庆大学的易勇[１７]对３个 梁贯通型 中间层ＲＣＳ节点进行了低周往复荷载试验ꎬ分析高剪压比条件下配箍率㊁轴压比㊁面承板和加强筋等混合节点抗震性能的影响ꎬ最后结合试验数据５６㊀施工技术第５０卷和理论分析ꎬ提出了对应的节点抗剪承载力计算公式ꎮ研究成果表明ꎬ梁贯通型ＲＣＳ节点的传力路径可以概括为为 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ꎻ②钢梁高度范围内核心区内部混凝土的斜压杆机构ꎻ③钢梁高度范围外核心区外部混凝土的桁架机构和斜压杆机构ꎮ３个层次按照顺序依次提供抗力直至节点最终破坏ꎮ当试件发生梁端出铰而后剪切破坏的失效模式时ꎬＲＣＳ节点具有良好的综合抗震性能ꎮ同年ꎬ湖南大学的肖岩等[１８]提出了一种端板连接 柱贯通型 ＲＣＳ节点ꎬ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ꎬ并在后续对４个试件进行了低周往复荷载试验[１９￣２０](见图７ａ)ꎬ考察其破坏模式和抗震性能ꎮ试验中部分试件提前发生了连接破坏(螺栓断裂㊁端板撕裂)ꎬ节点的塑性变形能力尚未充分开展ꎬ整体延性和耗能能力较差ꎮ为了确保节点具有良好的抗震性能ꎬ需在设计中综合考虑螺栓预拉力㊁强度和端板厚度３个因素ꎮ２００９年ꎬ李贤在试验的基础上采用ＡＮＳＹＳ对端板连接柱贯通型ＲＣＳ节点进行数值分析[２１]ꎬ取得了较为合理准确的结果ꎬ证明利用有限元软件对ＲＣＳ节点开展模拟是可行的ꎮ图７㊀国内学者提出的部分ＲＣＳ连接构造２００６年ꎬ以北京涂装车间工程为背景ꎬ清华大学的赵作周等[２２]进行了３个 梁贯通型 ＲＣＳ节点的往复加载试验ꎬ试件采用了面承板＋钢箍板构造ꎮ试验结果表明ꎬ设计合理的 梁贯通型 节点能够满足 强柱弱梁 ㊁ 强连接弱构件 的抗震概念要求ꎬ表现出良好的抗震性能ꎮ２００７年ꎬ西安建筑科技大学的申红侠[２３]采用ＡＮＳＹＳ对边柱ＲＣＳ节点的静力性能进行了全面考察ꎬ深入分析了其受力状态㊁传力路径和破坏模式ꎮ在数值分析的基础上对ＡＳＣＥ给出的ＲＣＳ节点设计模型和计算公式进行了修正ꎬ为其实用设计和构造措施提供数据参考ꎮ２００８年ꎬ武汉理工大学的戴绍斌团队[２４]对３个 柱贯通型 ＲＣＳ节点进行了拟静力试验ꎬ对比考察核心区配置箍筋㊁钢筋网片和架立钢柱对节点抗震性能的影响ꎮ研究结果表明ꎬ不同构造措施能对节点的抗震性能带来不同程度的提升ꎬ３个试件中ꎬ架立钢柱构造具有最好的承载力㊁延性和耗能能力ꎮ２０１２年ꎬ华侨大学的郭子雄等[２５]提出了一种采用高强螺栓￣端板连接的 钢板桶 式 柱贯通型 ＲＣＳ节点(见图７ｂ)ꎬ并进行了４个１/２缩尺试件的往复荷载试验ꎬ重点探讨了核心区加劲腹板厚度和开洞对连接抗震性能的影响ꎮ研究结果表明ꎬ这种新型ＲＣＳ连接具有良好的承载力和耗能能力ꎬ腹板开洞几乎对节点整体受力性能无影响ꎬ且能够增强钢梁腹板与核心区混凝土的协同工作性能ꎮ２０１４年ꎬ江苏科技大学的潘志宏等[２６]提出一种核心区增设 田字 格栅(角钢围焊)的 梁贯通型 ＲＣＳ节点(见图７ｃ)ꎬ外伸梁端通过端板连接ꎬ开展了３个试件的抗震性能试验ꎮ研究结果表明ꎬ这种新型节点具有较高的承载力和良好的耗能性能ꎮ同年ꎬ西安建筑科技大学的门进杰等[２７]提出了一种核心区钢梁腹板贯通㊁翼缘切除的中间层ＲＣＳ节点(见图７ｄ)ꎬ通过低周往复荷载试验系统考察了面承板㊁正交短梁㊁钢箍板㊁柱面钢板㊁ Ｘ 形钢筋和外伸面承板￣端板螺栓６种不同构造节点的抗震性能ꎮ试验结果表明ꎬ６个试件均表现出良好的滞回性能ꎮ合理的构造能够有效提高ＲＣＳ节点的抗剪承载力和变形性能ꎮ相比而言ꎬ发生承压破坏的节点承载力退化大ꎬ刚度退化快ꎬ受力性能和整体性不如剪切破坏型节点ꎮ１ ３㊀ＲＣＳ框架国内外研究现状㊀㊀在各种不同构造形式节点试验和理论分析的基础上ꎬ各国对ＲＣＳ体系的研究开始进一步深入到混合框架ꎮ出于试验经费和分析时间等方面的综合考虑ꎬ国外对ＲＣＳ框架的研究主要通过国际合作项目得以完成ꎬ而我国对ＲＣＳ框架的研究则基本处于起步阶段ꎮ１ ３ １㊀美日合作早在美日合作开始之前ꎬ日本已经对ＲＣＳ混合体系的性能进行了初步探索ꎬ分别由３家建筑公司对４个缩尺框架(Ｔｏｋｙｕ公司ꎬ１个试件ꎻＮｉｓｈｉｍａｔｓｕ公司ꎬ２个试件ꎻＯｋｕｍｕｒａ公司ꎬ１个试件)进行了相关试验[９]ꎮ从１９９３年伊始ꎬ作为美日两国针对组合结构抗震性能研究项目的一个组成部分ꎬ美国和日２０２１Ｎｏ.３孙小华等:钢筋混凝土柱￣钢梁混合框架结构体系研究㊁实践与展望５７㊀本开展了为期多年的合作ꎬ共同研究ＲＣＳ梁柱节点和缩尺框架ꎮ１９９７年ꎬ大阪技术学院(ＯｓａｋａＩｎｓｔｉｔｕｔｅＯｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ)的Ｂａｂａ等[２８]对１榀１ʒ３缩尺的２层２跨ＲＣＳ平面框架进行了低周往复荷载试验ꎮ节点为梁贯通型ꎬ核心区采用柱面钢板和钢箍板构造ꎮ试件最终发生节点剪切屈服和柱铰破坏ꎬ滞回曲线较为饱满稳定ꎬ呈现出良好的承载能力和变形性能ꎮ随后ꎬＮｏｇｕｃｈｉ和Ｕｃｈｉｄａ对其进行了有限元分析ꎬ对比结果表明数值模拟能够较好地反映ＲＣＳ框架的受力性能和损伤发展ꎮ１９９８年ꎬ千叶大学(ＣｈｉｂａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ)的Ｎｉｓｈｉｍｕｒａ等[２９]对另外１榀２层２跨的ＲＣＳ平面框架(缩尺比例１ʒ３)完成了拟静力试验ꎮ该试件节点形式仍为梁贯通型ꎬ只是核心区采用了面承板构造ꎮ最终试件发生梁铰机制破坏ꎬ具有良好的延性和耗能能力ꎮ他们采用三维非线性有限元建模方法对试件进行了数值模拟[３０]ꎬ分析中重点考虑了节点核心区钢材与混凝土之间的相互作用ꎮ对比结果表明ꎬ采用文中方法建立的有限元模型与试验结果较为吻合ꎬ节点抗剪承载力中需考虑横向钢梁面承板的贡献ꎮ１ ３ ２㊀美台合作为了弥补美日合作仅进行了缩尺框架且数量有限的不足ꎬ美国后续又与我国台湾地区进行合作ꎬ对足尺ＲＣＳ混合框架进行研究ꎮ２００４年ꎬ台湾学者Ｃｈｅｎ等[３１]对１榀３层３跨足尺ＲＣＳ框架进行了拟动力试验ꎮ该试件节点形式为梁贯通型ꎬ采用钢箍板构造ꎮ试验结果证明ꎬ设计合理的ＲＣＳ体系具有良好的抗震性能ꎬ能够满足预定的设防目标ꎮ而后Ｃｏｒｄｏｖａ等[３２]对这次试验进行了数值模拟分析ꎬ提出了ＲＣＳ框架的局部损伤指标参数ꎮ２０１０年ꎬＣｈｏｕ等[３３]进行了１榀单层双跨足尺框架的滞回性能试验ꎬ试件的梁柱连接采用了后张拉自复位技术ꎮ这次试验主要目的是检验ＲＣＳ结构的自复位节点性能㊁损伤开展进程和强度退化过程ꎮ然后在试验的基础上ꎬ完成了１个３层自复位连接ＲＣＳ子结构的时程分析ꎮ研究结果表明ꎬ采用自复位连接的ＲＣＳ框架具有良好的承载力和延性ꎮ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ꎮ１ ３ ３㊀中国现阶段我国对ＲＣＳ框架的研究鲜有报道ꎮ从公开发表的论文来看ꎬ仅有西安建筑科技大学的郭智峰[３４]在２０１４年对１榀１ʒ３缩尺的２层２跨ＲＣＳ混合框架进行了低周往复荷载试验研究ꎮ试件中梁柱节点采用钢梁腹板伸入核心区㊁翼缘断开㊁加设柱面钢板构造的方案ꎮ试验中考虑竖向荷载的Ｐ￣Δ效应ꎬ框架边柱轴压比取０ １５ꎬ中柱轴压比取０ ３０ꎬ在顶层梁端由ＭＴＳ电压伺服作动器施加水平往复荷载ꎮ基于试验数据ꎬ采用ＯｐｅｎＳＥＥＳ软件对ＲＣＳ混合框架的推覆性能开展参数分析ꎮ研究结果表明ꎬ钢梁腹板贯通的ＲＣＳ混合框架滞回曲线较为饱满ꎬ呈现出良好的延性和耗能性能ꎮ通过有限元模拟ꎬ获得了混凝土强度等级㊁钢梁强度㊁柱中纵筋强度㊁轴压比㊁梁柱屈服弯矩比和线刚度比６个参数对结构抗震性能的影响程度ꎮ１ ４㊀设计标准㊀㊀早在１９９４年ꎬ基于Ｓｈｅｉｋｈ和Ｄｅｉｅｒｌｅｉｎ等在１９８９年的试验结果和分析模型ꎬ美国土木工程学会(ＡＳＣＥ)编制了第一版«钢筋混凝土柱￣钢梁混合节点设计指南»[３５]ꎮ前文已经提及ꎬＳｈｅｉｋｈ等的研究并未深入分析ＲＣＳ节点在地震作用下的非弹性受力行为ꎬ且其研究对象仅限于中间层一般节点ꎬ未涉及边节点和角节点ꎮ此外ꎬ后续研究发现ꎬ他们提出的承载力计算公式过于保守ꎬ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别ꎬ造成材料的浪费和结构的超强ꎮ因此ꎬ该版设计指南的使用具有较大的局限性ꎮ此后ꎬ不少学者(Ｋａｎｎｏ㊁Ｐａｒｒａ￣Ｍｏｎｔｅｓｉｎｏｓ和Ｗｉｇｈｔ等)对ＲＣＳ节点的受力机制逐步进行了深入探索ꎬ补充完善其设计模型和强度计算公式ꎮ２００４年ꎬ结合美日合作项目的成果ꎬＮｉｓｈｉｙａｍａ等[３６]总结出«ＲＣＳ混合框架结构抗震设计指南»ꎬ进一步丰富和拓展了ＲＣＳ体系的应用范围ꎮ２０１５年ꎬ在累积多年研究成果的基础上ꎬ美国对１９９４版的设计指南进行了修订ꎬ编制出«钢筋混凝土柱￣钢梁抗弯节点设计标准»(草案)[３７]ꎬ用以更好地指导ＲＣＳ结构的设计ꎮ同样是在１９９４年ꎬ鉴于前期本国各公司对ＲＣＳ节点的大量试验ꎬ日本ＡＩＪ组合㊁混合结构小委员会编制出«ＲＣＳ混合节点设计准则»[３８]ꎮ结合不同构造形式ＲＣＳ节点在日本国内的实际应用情况ꎬ该准则将混凝土柱￣钢梁节点分为３种类型ꎬ如图８所示ꎮ①梁贯通型㊀包括柱面钢板㊁面承板㊁外伸面承板㊁钢箍板㊁十字锚板㊁抗剪栓钉和架立钢柱７种构造形式ꎻ②柱贯通型㊀包括纵横加劲㊁内隔板㊁外环板和预应力混凝土螺栓(ＰＣＢｏｌｔｓ)￣端板４种构造形式ꎻ③混合型㊀钢梁端部采用混凝土外包ꎬ便于与柱端连接ꎮ步入新世纪以来ꎬ随着基于性能设计理念的兴起ꎬ日本组合结构学界开始进行这一领域的研究探索ꎬ并于２００９年编制出首版«钢与组合结构基于性能的设计标准»[３９]ꎬ用于指导钢与混凝土组合结构的设计实践ꎮ。