大跨度钢-混凝土组合梁柱斜边节点的抗震性能分析：数值研究

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Seismic performance analysis of large-span SRC beam-column oblique edge joints: A numerical study

　　

摘要 本研究针对实际工程中大跨度钢-混凝土组合梁柱斜交边节点的抗震性能进行了研究。采用有限元软件进行数值模拟，分析了各参数对节点抗震性能的影响，并建立了大跨度钢-混凝土组合梁柱斜交边节点抗剪承载力的计算公式。结果表明，斜交边节点的核心区发生剪切破坏。随着斜交角度θ的增大，节点核心区的损伤程度加重，节点的承载力相应降低。此外，斜交边节点的延性、耗能能力、累计总耗能以及初始刚度均呈不同程度下降。同时，斜交边节点的承载力与混凝土强度等级和钢材等级成正比，与轴压比成反比，而节点的延性则与上述参数成反比。当θ达到45°时，斜交边节点的抗震承载力降低约40%。当θ不超过10°，钢材等级不超过Q355，且轴压比不大于0.4时，可达到满意的抗震性能。所提出的斜交边节点抗剪承载力计算公式的计算结果与有限元分析结果相比误差在5%以内，吻合良好。

引言 作为影响结构承载力的关键构件，梁柱节点[1,2]在建筑中起着至关重要的作用，直接决定了结构的整体抗震性能。以往的地震破坏研究表明，梁柱节点失效是结构倒塌的主要原因之一。为此，研究人员通过试验研究、数值模拟和理论分析等方法进行了大量研究，在节点构造优化、传力机理揭示和设计方法创新方面取得了显著进展。

在平面节点领域，Hui等[3]采用两个C形截面以促进梁柱之间的弯矩传递，并在梁翼缘上钻圆孔以确保节点区域的强度高于钢梁。Wang等[4]提出了一种通过局部填充灌浆料和砂浆等水泥基材料来增强梁柱节点的新方法。Ye等[5]提出了一种新型全预制钢筋混凝土梁柱节点，具有良好的震后修复性。Chen等[6]提出了一种新型预制钢-混凝土组合梁柱节点，实现了高延性和良好的耗能能力。Guo等[7]提出了一种新型震后修复型梁柱节点，结合了高强度钢和低强度钢，展现出优异的震后修复性能。Chen等[8]提出了两种新型型钢混凝土梁柱节点，具有施工简单、制作方便等特点，并表现出满意的抗震性能。Wilkinson等[9]提出了一种适用于抗震结构设计的梁柱节点，具有良好的转动能力。Shi等[10]提出了一种新型半刚性钢框架梁柱节点，展现出优越的抗弯能力和耗能能力。Chen等[11]研究了一种增设钢骨架的新型钢-混凝土梁柱节点。结果表明，该节点的破坏模式从节点区的弯曲破坏转变为梁端的弯曲破坏。Zhang等[12]研究了一种带支撑结构的自复位梁柱节点，与传统节点相比，该节点的抗震性能显著提升。这些研究系统探讨了梁柱节点的抗震性能，并提出了较为全面的设计建议和抗剪承载力计算公式。

然而，随着现代建筑对美观性和功能性需求的增加，梁柱节点已从传统的平面正交配置向多样化形式演变，斜交节点在现代建筑中得到了广泛应用。目前，斜交节点的研究主要分为两类：钢筋混凝土（RC）斜交节点和型钢混凝土（SRC）斜交节点，两类节点的研究重点存在显著差异。

RC斜交节点大多为平面斜交形式，此类节点的研究通常涉及斜柱和正交梁，主要研究柱倾斜角和材料改进对节点抗震性能的影响。Zhang等[13]研究了一种平面梁-斜柱节点，进行了拟静力试验以提高斜柱框架节点的抗震安全性，结果表明斜柱的存在导致正负向力学行为不对称，且无论倾斜方向如何，节点的抗震性能均有所降低。Zhang等[14]注意到双斜柱节点的研究仍相对有限，对五个试件进行了拟静力试验，结果表明在轴力作用下，斜柱节点核心区发生剪切破坏和混凝土剥落，而引入工程水泥基复合材料（ECC）的斜柱节点能有效抑制裂缝产生并提高承载力和延性。Shen等[15]发现菱形压杆引起的双斜梁柱节点抗震性能和抗剪承载力研究尚缺乏，对1个正交节点和3个斜交节点进行了拟静力试验和数值模拟，结果表明与正交节点相比，斜交节点的承载力和抗震性能较低，但增加轴压比可提高节点的承载力和抗震性能。

相比之下，SRC斜交节点多为空间斜交形式，此类节点的研究通常涉及大跨度、大截面构件，以斜梁和正交柱为特征，主要研究梁斜交角和不同结构参数对节点抗震性能的影响。Xu等[16]对核电结构中的SRC斜梁柱节点进行了拟静力试验，结果表明当梁斜交角小于10°时，节点的承载力和变形性能均能满足抗震设计要求，但随着斜交角增大，节点承载力逐渐降低。Wang等[17,18]对西安火车站高架候车大厅二层斜交边节点进行了拟静力试验，结果表明损伤主要集中在节点核心区，混凝土发生剪切破坏和大面积剥落。Hou等[19]对实际工程中一种T形梁柱斜交节点的抗震性能进行了数值模拟研究（如图1(a)所示），结果表明斜梁角度从0°变化到30°对节点抗震性能影响有限。Xiong等[20]对实际工程中一种大跨度SRC梁柱斜角节点的抗震性能进行了数值模拟分析（如图1(b)所示），结果表明随着斜梁斜角增大，节点核心区的损伤加重。Cheng等[21]设计了SRC斜交边节点和中间节点（如图1(c)和(d)所示），结果表明与正交节点相比，斜交边节点和中间节点的承载力降低约15%，破坏模式从核心区剪切破坏转变为梁端弯曲破坏。

综上所述，SRC梁柱斜交节点抗震性能的研究仍相对有限，现有文献缺乏系统的参数分析，研究对象多为小跨度，且未提供通用计算公式。此外，相关中国设计规范[22,23]尚未对此类节点的抗震设计作出明确规定。针对这些问题，本研究采用有限元软件ABAQUS[24]对实际工程中一种三梁相交的大跨度SRC梁柱斜交边节点的抗震性能进行了分析。研究分为三个阶段：首先对五个现有试件进行有限元验证；其次，采用经验证的有限元方法分析实际工程中SRC梁柱斜交边节点的抗震性能，重点研究不同斜交角θ对节点破坏模式和抗震性能的影响，同时对EJ-4节点改变混凝土强度等级、钢材等级和轴压比进行参数分析，比较节点的承载力和延性；最后，基于数值模拟结果推导大跨度SRC梁柱斜交边节点的抗剪承载力计算公式，为工程实践中的抗震设计提供建议。

项目概述 海淀Joy City项目位于北京市海淀区西三旗街道，项目中设有一个室内大型溜冰场，面积1800 m2。主结构为SRC结构，如图2所示，由SRC柱和梁组成。梁柱斜交节点具有钢筋密集、连接构造复杂等特点。特别是斜交角度的变化可能显著影响节点的抗震性能。本研究……

模型验证选择 Xu等[16]研究了大型核电站主楼中SRC斜梁柱节点的抗震性能，基于原始模型设计了三个不同倾斜角的试件进行拟静力试验，其中SRCJ-1为正交节点，SRCJ-2和SRCJ-3的斜交角分别为3°和10°，试件尺寸如图3所示，其他细节见文献[16]。

所有试件中……

边节点配置 边节点配置如图12所示，分析了五个边节点，对应θ=0°、10°、20°、30°和45°，分别称为边节点1至5。在实际工程中，采用Q355钢材、C35和C60混凝土以及HRB400钢筋。具体而言，SRC柱采用C60混凝土，SRC梁采用C35混凝土，边节点尺寸如图13所示。

边节点材料参数 混凝土材料为C35和C60，其弹性模量、泊松比……

边节点参数分析 为探索除θ以外其他因素对边节点抗震性能的影响，选取θ=30°的边节点作为研究对象，通过改变混凝土强度等级、钢材截面等级和轴压比获得循环往复加载下的骨架曲线，以研究不同参数对大跨度SRC梁柱斜交边节点抗震性能的影响，模型的具体参数见表7。

边节点抗剪承载力计算 现有的组合结构设计规范[22,23]主要针对正交节点，根据上述结果，斜交边节点的抗震性能低于正交节点，因此在设计斜交边节点时需要修正现行规范中的公式，主要研究思路是基于核心区极限剪力原理推导相应的计算公式。

结论 本研究首先验证了有限元分析方法的有效性，在此基础上研究了大跨度SRC梁柱斜交边节点的抗震性能，分析了不同参数对斜交节点破坏模式和抗震性能的影响，最后提出了斜交节点的抗剪承载力计算公式。主要结论如下：

(1) 本研究采用的精细化有限元模拟方法……

CRediT作者贡献声明 熊晓丽：方法论、监督。海创：调查、初稿撰写。乔海阳：方法论、监督。张哲：正式分析、软件。胡鹏：资源。赵志红：数据管理。

利益冲突声明 作者声明不存在可能影响本文研究的已知经济利益或个人关系冲突。

致谢 作者感谢：1. 河南省科技研究项目（编号：212102310562）。2. 中国建筑第七工程局有限公司科技研发项目（编号：CSCEC7b-2023-z-03）。

熊晓丽 | 海创 | 乔海阳 | 张哲 | 胡鹏 | 赵志红
河南工业大学土木建筑学院，中国郑州