[摘要] 1 绪论80 年代初期，传统钢筋混凝土结构在国民建筑中处于主导
1 绪论
80 年代初期，传统钢筋混凝土结构在国民建筑中处于主导地位。但近年来，随着经济的快速发展以及人们对结构空间层数和结构功能的需求，由于混凝土结构自身的局限性，各种型钢混凝土组合结构体系被不断地运用在超高层建筑中。据建设部相关统计，我国在建和已建成的超高层建筑中有一半以上采取了组合结构体系。因此，对型钢混凝土组合结构体系的研究已经成为建筑业一个热门的课题。图 1.1 和图 1.2 是我国近年来建成的比较出名的型钢混凝土组合结构超高层建筑。
1.1 型钢混凝土组合结构简介
型钢混凝土（简称 SRC）结构是一种在构件内部配置型钢并在周围绑上钢筋浇筑混凝土的组合结构体系[1]。外包混凝土的存在对内部钢骨起到较好的约束作用，提高了钢骨的局部稳定性；同时钢骨的存在使构件的强度和刚度大大增加，两种材料相辅相成，共同工作，与钢筋混凝土结构相比，很大程度上改善了结构的承载能力和抗震能力。英国和美国等欧洲国家称这种结构为混凝土包钢结构；前苏联称之为劲性混凝土；日本称之为钢骨混凝土；我国建设部经过一系列的整改，于 2001 年发布《型钢混凝土组合结构技术规程》(JGJ138-2001）,正式把这种结构命名为型钢混凝土组合结构。按照配钢形式的不同，型钢混凝土组合结构可划分为实腹式和空腹式[2]。实腹式采用的钢骨主要为 H 型钢、工字钢和槽钢等，而空腹式采用角钢装配成一种空间桁架结构。型钢混凝土组合结构经过一系列的发展，空腹式这种配钢形式逐渐被淘汰，现在大多采用实腹配钢。实腹式和空腹式的配钢截面如图 1.3 和图 1.4 所示。SRC 组合结构有多种连接方式[3]，包括 SRC 柱-钢梁组合结构、SRC 柱-SRC梁组合结构、SRC 柱-钢筋混凝土梁组合结构、钢筋混凝土柱-SRC 梁组合结构等连接方式。本课题研究的对象是 SRC 柱-钢梁组合结构节点，是组合结构中一种比较常见的连接形式。
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1.2 型钢混凝土结构的研究与应用
日本是一个多地震的国家，对型钢混凝土结构的研究应用比较早。1921 年建成的兴业银行是日本早期具有代表性的型钢混凝土建筑，该建筑在 1923 年的关东大地震中屹立不倒，几乎没有遭受损伤，引起日本工程界的高度关注。在随后的十冲胜地震和阪神地震中，许多基于型钢混凝土结构体系的建筑几乎未遭受破坏，少量受到轻微破坏，加快了日本研究型钢混凝土结构的步伐，使日本成为研究型钢混凝土最多、最深入的国家之一。1950 年，日本制定了建筑基本法，明确规定 6 层以上的建筑需使用型钢混凝土结构。随后基于累加强度为基本体系，于 1958 年颁布《钢骨混凝土规范》。1981 年形成了比较完整的钢骨混凝土抗震设计规程。经过多次修订，日本现在把设计规程 AIJ-SRC(1987)作为统一的行业标准。欧美国家早期引进型钢混凝土结构主要是为了提高钢结构的耐久性和防火性，设计理论主要基于钢结构理论，忽略外包混凝土对结构强度和刚度的影响[6]，为此进行了大量型钢混凝土结构试验。1908 年，Burr 完成了空腹式型钢混凝土柱的加载试验，得到外包混凝土能让柱强度和刚度显着改善的结论。1923 年加拿大科研人员 Mackay 进行了混凝土内设型钢的空腹式型钢梁的试验，认为型钢和外包混凝土能够很好地在一起共同作用。然而经过很长一段时间，设计人员还是忽略混凝土对结构强度和刚度的有利作用，依然按照普通钢结构规范进行设计。直至 20 世纪 40 年代，欧美工程界开始重视型钢和混凝土之间的组合作用，在原有钢结构设计原则的基础上，引进折算刚度的计算方法。自此，欧美国家对型钢混凝土的研究进入到一个新的阶段。欧洲组合结构委员会于 1981 年第一次颁布了比较完整的组合结构规范。至 20 世纪 40 年代，欧美国家对 SRC结构的研究达到一个比较成熟的阶段，经过一系列的修订整改，各部规范趋于完整。前苏联同样在建筑中很早使用了 SRC 结构，在上世纪 30 年代，就展开了对SRC 结构的研究，尤其是二战结束后，在工业厂房和桥梁设计中广泛涉及到型钢混凝土，1951 年建设部颁布了相应的《型钢混凝土结构设计指南》。我国对型钢混凝土的研究与应用开始比较晚，在 50 年代才初引进型钢混凝土结构，但主要应用在工业厂房的建设。至 60 年代后，为了达到节省钢材的目的，设计人员基本很少使用这种结构。80 年代以后，随着我国经济地快速发展，SRC 结构才被逐渐应用于高层和超高层民用建筑中。期间东南大学、西安建筑科技大学等传统着名建筑高校和相关科研部门系统地进行了一系列型钢混凝土梁、柱、节点、框架等试件的拟静力试验和模拟地震振动台试验，取得可观的研究成果，一定程度上加快了 SRC 结构在我国土木工程领域的应用。经过科研人员的不懈努力及经验积累，我国接连颁布了《钢骨混凝土结构设计规程》（YB9082-97)和《型钢混凝土组合结构技术规程》（JGJ138-2001）两种常用的行业标准。表 1.1 和表 1.2 列举了 SRC 结构在国内和国外的应用情况。
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2 节点试验设计和试验方案
型钢混凝土节点在地震作用下，核心区处在压弯剪复合应力状态，受力复杂。弄清楚节点核心区的传力机理和破坏形态，研究出合理可靠的计算方法和构造措施是非常重要的。在有限元的基础上，试验是行之有效的途径[26]。本章主要通过介绍 4 个 SRC 柱-钢梁中节点试件的设计制作、应变片的粘帖、加载方案、加载装置等方面进行论述。
2.1 试验目的
通过对 4 个 SRC 柱-钢梁节点进行低周反复荷载试验，研究不同轴压比（n=0.1,0.4,0.7）下节点核心区的破坏规律、强度和刚度的退化、滞回曲线和延性耗能能力等受力性能。在此基础上提出一种构造措施，沿着节点核心区对角线方向配置 X 筋，验证其能否有效地延缓混凝土的开裂和裂缝的扩展，从而提高节点核心区的抗裂度，为组合结构在土木工程上的应用提供理论基础和试验依据。
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2.2 试验方法
节点试验施加低周反复荷载的方式有两种：柱端加载和梁端加载。由于柱端加载千斤顶安装复杂，成本高，且不容易控制，而梁端千斤顶安装简便，易于操作，综合考虑最终采用梁端加载，如图 2.1 所示。2 节点试验设计和试验方案型钢混凝土节点在地震作用下，核心区处在压弯剪复合应力状态，受力复杂。弄清楚节点核心区的传力机理和破坏形态，研究出合理可靠的计算方法和构造措施是非常重要的。在有限元的基础上，试验是行之有效的途径[26]。本章主要通过介绍 4 个 SRC 柱-钢梁中节点试件的设计制作、应变片的粘帖、加载方案、加载装置等方面进行论述。2.1 试验目的通过对 4 个 SRC 柱-钢梁节点进行低周反复荷载试验，研究不同轴压比（n=0.1,0.4,0.7）下节点核心区的破坏规律、强度和刚度的退化、滞回曲线和延性耗能能力等受力性能。在此基础上提出一种构造措施，沿着节点核心区对角线方向配置 X 筋，验证其能否有效地延缓混凝土的开裂和裂缝的扩展，从而提高节点核心区的抗裂度，为组合结构在土木工程上的应用提供理论基础和试验依据。2.2 试验方法节点试验施加低周反复荷载的方式有两种：柱端加载和梁端加载。由于柱端加载千斤顶安装复杂，成本高，且不容易控制，而梁端千斤顶安装简便，易于操作，综合考虑最终采用梁端加载，如图 2.1 所示。
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3 节点试验过程和结果分析.........22
3.1 材料性能试验......22
3.2 试验过程和破坏状态........25
3.3 试验结果分析......33
3.4 节点抗剪承载力分析........47
3.5 本章小结..........49
4 试验模型的ABAQUS有限元分析..........51
4.1 ABAQUS 有限元程序简介...........51
4.2 材料本构模型......51
4.3 有限元模型的建立..........55
4.4 数值模拟结果分析..........56
4.5 滞回曲线及骨架曲线对比分析........61
4.6 参数分析..........63
4.7 本章小结..........68
5 结论与展望.....69
5.1 结论......69
5.2 展望......70
4 试验模型的 ABAQUS 有限元分析
4.1 ABAQUS 有限元程序简介
理论和试验相结合是工程研究的主要方法。良好的数值模拟结果能够为试验提供可靠的数据参考，有效地缩短试验边界范围。随着计算机数值计算功能的增强，越来越多的有限元分析程序被研发使用，但各有利弊。经过科研人员的使用比较，大型通用有限元软件 ABAQUS 能够解决很多行业内的数值模拟，尤其在模拟接触、几何非线性和材料非线性等复杂问题上的功能是其它有限元程序无法比拟的，可以说 ABAQUS 已成为国际公认的最优秀、最强大的非线性有限元软件[39]，受到业界人士的大力青睐，被广泛地应用到机械、土木、热工等领域。隐式分析模块主要是求解静力、动力等一系列复杂的非线性问题，而显式分析模块主要运用在模拟短暂、瞬时的动态问题上（比如爆炸、冲击）。同时隐式提供了广泛的单元库，显式的单元库只是隐式的子集。ABAQUS/CAE 处理模块是 ABAQUS 的交互式图形环境，利用它可以创建编辑模型和监控诊断模型的分析过程以及处理分析结果。综合考虑，本文模型的数值分析采用分析模块ABAQUS/Standard 和处理模块 ABAQUS/CAE。
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结论
本文通过进行 4 个 1/2 比例尺寸的 SRC 柱-钢梁混合框架节点在低周反复荷载作用下的拟静力试验，主要研究不同轴压比对型钢混凝土节点抗震性能的影响，重点分析了试件节点破坏规律、强度和刚度的退化、滞回曲线和延性耗能能力等受力性能；同时探讨了 X 筋能否提高节点区混凝土的抗裂度。在试验过程中，详细描绘记录混凝土初裂位置、裂缝发展延伸及最终的开裂形态和钢梁屈曲变形及试件整体破坏形态。后期根据试验现象和试验数据，对比分析 4 个试件的各项受力性能。在完成试验研究的基础上采用大型有限元软件 ABAQUS进行 SRC 柱-钢梁混合框架节点拟静力试验的数值模拟和有限元分析验证。主要结论如下：
（1）四个试件在低周反复荷载作用下节点区混凝土开裂严重，钢梁翼缘均发生屈曲变形，尤其是试件 SRC-3 钢梁翼缘和腹板屈曲特别严重，破坏形态为梁弯曲破坏和节点剪切破坏，其余试件均为节点剪切破坏。随着轴压比的增大，试件的开裂荷载有所提高，但较大的轴压比使试件 SRC-3 发生了梁弯曲破坏，降低了节点的整体稳定性和型钢的承载力。
（2）试件在加载的过程中都经历了弹性-塑性-极限承载力-破坏 4 个阶段。滞回曲线由最初的纺锤形转变为梭形，整体比较饱满，试件 SRC-3 的曲线最为饱满，说明型钢混凝土节点具有良好的耗能能力。随着轴压比的增大，试件的位移延性随之下降；强度退化不是很大， 主要集中在 0.8-1 之间；环线刚度都是呈下降趋势，说明节点抵抗变形的能力越来越差；在达到峰值荷载后，SRC-2的承载力保持较好，SRC-1 和 SRC-3 的弯矩-转角曲线下降速率高于 SRC-2，表明适当的轴压比能提高节点抵抗弯曲变形的能力。
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参考文献（略）
