钢管混凝土具有优于纯钢和纯混凝土结构的承载力和抗震性能。其中, 核心混凝土提供很好的抗压强度和轴向刚度, 同时降低钢管的局部屈曲程度;钢管具有模板作用, 降低工程造价, 同时对混凝土产生约束作用, 提高混凝土的抗拉、抗弯、抗剪强度, 从而提高结构延性和塑性^[1,2,3,4]。此外, 研究表明高层建筑中采用钢管混凝土柱体系相比普通钢筋混凝土结构, 自重减少1/3~1/2, 地震作用可减少将近一半^[5]。支撑的屈曲后变形或防屈曲支撑的变形则可以保证结构在大震作用下的能量消散, 延缓结构屈曲和倒塌^[6]。因此, 有支撑的钢管混凝土柱框架结构是一种有效、经济的抗震结构, 能适应抗震设计对强度、刚度和延性的要求。

　　 在有支撑的钢管混凝土柱框架结构中, 节点性能是一个至关重要的因素, 也是结构整体性能的一个重要指标。支撑力的水平分力传递给钢梁、垂直分力传递给钢管混凝土柱。因此, 对于有支撑的钢管混凝土柱节点, 钢梁和钢管混凝土柱的轴向刚度和承载力是主要的考虑因素。此外, 钢管与混凝土之间的粘结力和摩擦力也是传递荷载的途径之一。

　　 近十年来, 美国Roeder C W, Waters C和Macrae G A学者和日本Matsui C, Morino S和Kawano A学者等人以有支撑的钢管混凝土柱节点为研究对象, 对其节点性能等方面进行了广泛研究, 其研究成果对该结构的设计和建造有一定的参考意义, 但目前国内对于该方面的研究相对滞后。本文主要对国外有支撑钢管混凝土柱节点的研究进展进行分析和总结, 得出该节点设计的关键问题以及目前研究存在的问题, 有助于有支撑钢管混凝土柱框架结构得到更深入的研究和应用。

　　 美国是最早使用钢管混凝土结构的国家之一, 美国设计规程《混凝土结构设计规范》 (ACI 318-11) ^[7]和《建筑钢结构设计规范》 (AISC 360-05) ^[8]均给出了钢管混凝土结构设计方面的规定。自1979年美国和日本合作研究钢-混凝土组合结构和混合结构以来, 有支撑的钢管混凝土柱框架结构也开始引起研究者的关注^[9,10]。在美国的有支撑钢管混凝土框架结构中, 钢管直径一般较大, 常用直径超过1m, 有些达到3m, 该结构常用于对轴向刚度有较大要求的情况, 并且常常与高强混凝土结合使用, 使轴向刚度有进一步提高^[11]。美国首个应用有支撑钢管混凝土柱框架结构的高层建筑是位于旧金山第一大街广场的某27层建筑, 该支撑框架带有抗弯连接节点, 支撑核心的四个角柱采用钢管混凝土柱^[12]。之后, 钢管混凝土柱开始广泛应用于其他的支撑框架结构中。

　　 钢管混凝土在日本的抗震设计中应用更加广泛^[13,14,15], 目前在钢管混凝土房屋建筑方面的设计规程有《钢管混凝土构造设计施工指针》 (AIJ-97) ^[16]等。在1923年日本发生的关东大地震中, 钢管混凝土结构在地震中表现良好, 从而推动了钢管混凝土在日本的大规模使用^[5]。圆钢管和方钢管在有支撑的钢管混凝土框架的抗弯中都有广泛的应用。日本采用的钢管混凝土柱常用直径一般小于0.7m, 通常在节点处设置横向加强环^[11]。

　　 我国也是较早使用钢管混凝土结构的国家之一, 先后颁布的《钢管混凝土结构设计与施工规程》 (CECS28∶90) ^[17]、《矩形钢管混凝土结构技术规程》 (CECS159∶2004) ^[18]等给出了钢管混凝土结构设计的规定。从1959年开始, 钢管混凝土结构首先应用在北京的地铁工程, 并成功用于“北京站”和“前门站”站台柱的建造;进入70年代, 钢管混凝土结构开始应用于单层和多层工业厂房以及各种支架结构中, 采用的钢管直径也越来越大^[19]。近年来, 钢-混凝土组合结构已被列入国家科技成果重点推广项目, 但由于经济和技术等原因, 目前对有支撑的钢管混凝土框架结构的研究相对滞后, 其大大制约了钢管混凝土结构在国内的进一步发展。

　　 当钢管混凝土柱开始广泛应用于有支撑的钢框架结构中, 有支撑的钢管混凝土柱框架节点也开始得到广泛应用^[20]。该节点的连接形式, 部分采用节点板穿透式, 如图1 (a) 和 (c) 。在图1 (a) 中, 节点板上焊接许多抗剪连接件, 用以促进支撑和钢梁的内力、弯矩在钢管和混凝土之间的传递和分配。图1 (b) 中的无穿透节点板形式在设计中偶有采用, 钢管内壁安装有抗剪连接件, 有助于钢管和混凝土之间的内力传递, 但是支撑、钢梁和钢管之间的连接是纯钢结构连接, 内力传递效果一般。图1 (d) 则为日本常用的带加强环穿透钢管的节点形式, 加强环穿透钢管, 与混凝土产生咬合作用, 从而大大促进支撑和钢梁的内力传递给钢管混凝土柱。

　　 我国目前采用的抗震设计理念是基于承载力的设计, 抗震设计规范采用“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设防水准^[21]。抗震设计要求结构在地震发生瞬间保持弹性和有效性, 在大震作用下允许结构出现塑性变形消耗能量。钢管混凝土的组合作用能保证有支撑的钢管混凝土柱框架结构在地震作用下结构稳定, 保持基本的完整性, 不发生坍塌。其中, 支撑通过屈曲和塑性变形吸收能量;柱承担重力作用, 防止结构坍塌, 同时承担一定的水平荷载;节点传递内力和弯矩。柱或节点的过早开裂和失效都会导致结构无法达到抗震设计目标, 故抗震设计要求支撑先破坏, 柱和节点要有足够的承载力以承担支撑传递的全部的受压和受拉屈服荷载^[22,23]。

　　 对于有支撑的钢管混凝土柱框架节点而言, 抗震设计的关键问题如下:1) 当主体结构和支撑构件出现较大塑性变形时, 节点必须保证必要的承载力, 传递支撑和钢梁的内力和弯矩;2) 在地震作用下, 柱的拉压状态会反转, 荷载的重分布必须连续, 节点必须满足将剪力和弯矩传递和分配给钢管混凝土柱的钢管和混凝土的要求;3) 在地震作用下, 剪切应力的传递和分配是其中的关键问题, 而钢管混凝土柱的自然剪切能力与粘结力有关。

　　 粘结力是钢管和混凝土达到内力重分布的主要方式。粘结力是指钢管混凝土接触界面的水泥浆结晶硬化过程产生的化学胶结力、化学胶结力破坏后混凝土界面晶体颗粒被挤压咬合产生的机械咬合力以及混凝土晶体被剪切压碎产生相对滑动的摩擦阻力, 粘结力主要由摩擦阻力和机械咬合力组成^[24,25,26]。

　　 1996年, 美国学者Emoto J^[27]通过对某6层抗弯框架和某12层中心支撑框架的节点原型进行了大量的静力和动力荷载计算分析。分析结果表明, 结构的不同位置对内力和变形的要求不同, 其中支撑节点处和基础节点处对粘结力的承载要求最大。当采用无穿透式节点连接时, 节点对粘结力的承载要求更大;当节点板为穿透式连接时, 内力可通过节点板的直接承压作用进行传递, 故该连接方式的节点承载力更大, 此外, 节点板还可以限制钢管与混凝土之间的相对滑移。

　　 1997年, 美国学者Roeder C W, Macrae G A和Gunderson C A^[28]对钢管混凝土柱的粘结力进行了研究, 研究了20个推力试件的钢管直径、管壁厚度、混凝土收缩对粘结力的影响。研究结果表明, 粘结力大小与钢管直径、钢管直径和厚度的比值 (d/t) 以及混凝土的收缩量成反比, 与钢管内表面粗糙度成正比。

　　 在设计中, 基于安全性、适用性和经济性对剪应力传递能力的标准有:在自然剪切传递能力超过设计内力要求的情况下, 不需增设抗剪连接件;当负载超过承载能力时, 需要采用额外的机械剪力传递机制, 以满足全部内力传递的要求。

　　 设计粘结应力在计算中采用平均粘结应力^[9]:在极限承载力作用下, 内力传递沿钢管周长平均分布, 粘结应力沿钢管方向的分布长度不超过钢管长度或3.5倍钢管直径;正常使用极限状态时, 要求在荷载循环作用下, 粘结应力是连续的, 同样采用平均应力, 但应力按三角形分布, 沿钢管方向的分布长度为钢管直径的1/2, 见图2。剪力传递能力和管径d、管径和厚度之比d/t有关, 学者Roeder C W给出了粘结应力的经验修正公式, 见式 (1) :

　　 当管径d或径厚比d/t很大时, 粘结应力趋于0, 钢管和混凝土之间的接触界面分离。

　　 支撑框架对每个有支撑的钢管混凝土柱节点的承载力要求很高。美国使用的多为大直径钢管混凝土柱, 钢管直径与管壁厚度的比值d/t通常很大, 自然剪应力传递能力通常不足以满足有支撑的钢管混凝土柱钢梁节点的设计要求。因此通常需要增强钢管混凝土柱的剪应力传递能量, 其中采用节点板穿透式的节点连接是常用的方式之一。节点板穿透式增加了节点板与混凝土的直接承压面积, 从而促进内力从钢板传递给混凝土。节点板形式可以采用开孔、加栓钉、加肋条等形式^[11], 见图3。这种节点板穿透的连接方式, 提高了有支撑的钢管混凝土柱节点的承载力和抗震性能。

　　 节点板穿透式连接是有支撑的钢管混凝土柱框架节点常用的连接方式, 这种连接方式有助于弯矩和内力在钢管和混凝土柱之间的传递和分配, 具有代表性。

　　 2000年, 美国学者Roeder C W, Waters C和Macraea G A等人运用ABAQUS有限元分析软件对有支撑的钢管混凝土柱框架节点进行了非线性分析, 研究了不同形式的节点板与节点内力传递和分配之间的关系^[9]。节点模型如图4所示, 其中节点板厚度、混凝土强度、节点板形式、钢管厚度和直径均为变量。

　　 分析结果表明:有支撑的钢管混凝土柱节点的支撑内力主要是通过节点板与混凝土之间的承压作用传递;节点板穿透式边缘下的混凝土有最大应力, 见图5, 但混凝土的实际破碎程度并不明确;在钢管和节点板底部连接位置处, 也出现了应力集中和局部屈曲。支撑内力除了通过节点板的直接承压作用传递给混凝土以外, 部分内力通过接触面之间的摩擦力传递。当摩擦系数为0.4时, 内力有32%通过摩擦力传递, 随着摩擦力传递的内力增大, 节点板通过承压作用传递的内力相对降低, 即节点板下方的混凝土应力相对降低, 减少局部应力需求和潜在破碎可能。其中, 钢管内表面和混凝土之间接触界面的表面状态和混凝土的收缩量都会影响摩擦力的大小, 这些因素不易控制, 因此摩擦力的传力水平不确定。节点板上的抗剪螺栓是提高剪力传递的有效方式, 但分析发现节点板和混凝土的相对滑移值很小, 不足以激发螺栓的全部抗剪能力, 而采用加肋条等其他机械传力机制对节点性能的提高更加明显。

　　 为了更充分了解节点板穿透式的连接方式对有支撑钢管混凝土柱框架节点性能的影响, 2003年, 美国学者Mocenny M和Gunderson C A等^[29,30]对15个简化的节点试件进行了试验研究, 分析了混凝土局部应力、钢-混凝土接触面的相对滑移、钢-混凝土组合作用程度以及节点形式等对该种组合节点性能的影响。

　　 在15个简化试件中, 节点板形式是唯一变量, 通过在节点板顶部加载, 使荷载通过焊缝传递给钢管, 通过粘结应力和承压作用传递给混凝土。试验节点原型和简化试件如图6和图7所示。

　　 根据试件加载时底座的区别分成两组:第一组加载时底座钢管和混凝土均固定约束, 第二组加载时只固定钢管。第一组试件共6个, 分别是试件1-1:节点板为平板 (0.5in) , 试件1-2:节点板为平板 (试件无填充混凝土) , 试件1-3:节点板为平板 (0.75in) , 试件1-4:节点板为平板 (抹油) , 试件1-5:节点板为平板焊接4根肋条, 试件1-6:节点板为平板开单孔;第二组共9个试件, 分别是试件2-1:节点板为平板 (0.5in) , 试件2-2:节点板为平板 (喷砂) , 试件2-3:节点板为平板 (0.75in) , 试件2-4:节点板为平板焊接22个栓钉, 试件2-5:节点板为平板焊接10个栓钉, 试件2-6:节点板为平板焊接6根肋条, 试件2-7:节点板为平板开5个小孔, 试件2-8:节点板为平板开5单孔且焊接短钢筋, 试件2-9:节点板为平板 (在混凝土上进行加载) 。

　　 每个试件均进行11次荷载循环, 其中第10次荷载循环时, 节点的性能等级处于最高值。研究结果如表1所示, 带肋条的试件节点性能最好, 钢-混凝土组合作用水平最高, 相对滑移值最小, 混凝土内部无损伤。带孔的节点板性能较好。节点板为平板的节点在支撑荷载较小时表现好, 但随后滑移持续增加, 混凝土内部持续破坏, 钢-混凝土组合作用水平低, 节点板下的混凝土出现明显的断裂破坏。加剪力栓钉的节点板效果不明显, 因为滑移变形小于0.02in时, 不足以使螺栓抗剪件的发挥全部力学性能。试验表明, 内力传递的主要机制是节点板和混凝土的直接承压作用。

　　 分析可知, 节点板穿透式所连接的组合节点能有效传递支撑内力给钢管混凝土柱, 确保有支撑的钢管混凝土柱框架结构满足承载力和延性的要求。

　　 关于有支撑的钢管混凝土柱框架结构的研究已经取得很多成果, 但还存在以下不足影响其推广:

　　 (1) 现有节点理论研究的不完善和试验研究方法的不统一, 使得难以对不同节点的性能做出全面合理的评价;已有研究中所推荐的粘结力计算公式偏保守, 与真实值有较大差异。

　　 (2) 目前对有支撑的钢管混凝土柱框架节点的研究主要集中在粘结应力水平、组合作用水平、相对滑移程度、应力分布等方面, 而缺少对于节点的约束转动刚度、各影响因素之间的相关性等问题的研究。

　　 (3) 对于有支撑的钢管混凝土柱框架结构体系的整体性能的研究较少。

　　 (4) 国外对节点板穿透式连接的有支撑钢管混凝土柱节点的研究多集中于圆钢管混凝土柱的研究, 对于方钢管混凝土柱的研究相对较少。

　　 (5) 国内目前对有支撑钢管混凝土结构的研究较少, 大大制约了该结构在中国的应用和推广。

　　 目前各项研究表明, 有支撑的钢管混凝土柱框架结构是一种经济、有效的抗震结构, 有客观的应用前景。其中节点板穿透式的连接方式能有效传递内力给钢管混凝土柱, 确保有支撑钢管混凝土柱框架结构满足设计对承载力和延性的要求。

　　 但由于有支撑的钢管混凝土柱框架节点的多样性及其受力状态的复杂性, 国内对采用这类节点的框架结构的研究显得相对滞后, 在一定程度上制约了这类组合结构体系的推广。

　　 为使有支撑的钢管混凝土柱框架结构在我国得到很好的推广, 我国学者应在国外学者研究的基础上, 综合考虑我国建筑结构的应用实情, 对有支撑的钢管混凝土柱框架结构展开试验研究, 建立有支撑的钢管混凝土柱节点受力性能的精细模型, 对节点的转动约束刚度进行研究, 完善该结构体系的抗震设计和分析方法。然后依据相关的研究结果, 对目前已有规范中对钢管混凝土框架结构的条文进行修订和补充, 推动该结构在实际工程中的应用。

　　 我国是较早研究钢管混凝土结构的国家之一, 但由于经济和技术条件, 大部分钢管混凝土结构用于费用较高的超高层, 而对于普通住宅或普通高层, 我国常用钢筋混凝土结构, 很少用到有支撑的钢管混凝土结构。目前国家规定要大大推动钢结构和组合结构的发展, 有支撑的钢管混凝土柱框架结构在结构抗震性能、经济效益、节能环保等方面存在巨大优势, 具有广阔的发展前景。