钢筋混凝土板柱节点抗冲切性能研究综述

第50卷增刊建筑结构Vol.50 S2
2020年12月 Building
Structure Dec.
2020 钢筋混凝土板柱节点抗冲切性能研究综述
韦锋，任子华，张俊华
（华南理工大学土木与交通学院，广州 510640）
［摘要］钢筋混凝土板柱结构具有节约净空、平面布置灵活及施工方便等优点，是常见的建筑结构体系。

但板柱
结构节点区受力复杂，目前对其传力机制和破坏机理尚未有统一的认识，板柱节点的冲切破坏问题尤其突出。

根据
文献对钢筋混凝土板柱节点的破坏形态进行了总结，并根据相关研究成果归纳了板柱节点破坏形态的判别公式及应
用条件；梳理了影响板柱节点抗冲切性能的主要因素，并对相关研究现状进行了综述，指出了进一步研究的方向。

［关键词］钢筋混凝土板柱节点；抗冲切性能；抗冲切承载力；抗冲切延性
中图分类号：TU395 文献标识码：A 文章编号：1002-848X(2020)S2-0499-07
State of the art of research on punching shear behavior of reinforced concrete slab-column connections
WEI Feng, REN Zihua, ZHANG Junhua
(School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)
Abstract: Reinforced concrete slab-column structure has the advantages of saving headroom, flexible floor layouts and
convenient construction. It is a commonly used building structure system. However, the slab-column joint area is subject
to complex forces. At present, there is no unified understanding of its force transfer mechanism and failure mechanism.
Punching failure of slab-column joints is a particularly prominent problem. The failure patterns of slab-column joints are
reviewed according to related literatures. The discriminant formulas of failure modes of slab-column joints and the
application ranges are summarized based on existing studies. The main factors influencing the punching resistance of
slab-column joints are sorted out, and the related research status is reviewed. The directions for further research are
pointed out.
Keywords: reinforced concrete slab-column connections; punching behaviors; punching capacity; punching ductility
0 引言
由水平构件为板和竖向构件为柱所组成的结构称为板柱结构。

其室内楼板下没有梁，空间通畅简洁，平面布置灵活，能有效降低建筑物层高。

适用于多层厂房、仓库、地下车库、公共建筑等，也可用于办公楼和住宅等。

由于没有纵横交错的肋梁，结合定型模板等技术后可以加快施工速度，在其适用范围的工程中应用时具有明显的特点和优势。

但板柱结构在节点区受力复杂，同时受到弯矩、剪力和扭矩的共同作用，节点区域应力集中，容易发生脆性的冲切破坏。

一旦个别节点处发生冲切破坏，其原来承受的荷载将重新分布到相邻的节点处，容易发生连续的坍塌事故[1-3]。

因此，国内外学者对钢筋混凝土板柱节点的抗冲切性能开展了大量的研究，试图研究其传力机制和破坏机理，但目前仍未得到统一的认识。

本文从钢筋混凝土板柱节点的破坏形态及判别公式、影响其抗冲切性能的因素两方面出发，梳理总结钢筋混凝土板柱节点抗冲切的研究进展，对其未来的研究方向初步提出一些建议。

1 板柱节点破坏形态及判别公式
1.1 板柱节点的破坏形态
根据已有的研究[5-8]，大致可以将钢筋混凝土板柱节点的破坏形态分为：弯曲破坏，弯冲破坏（屈服后冲切破坏），冲剪破坏。

其中后2种属于冲切破坏。

（1）弯曲破坏[4]
当荷载加载到约15%V u左右（V u为板柱节点抗冲切承载力），板受拉面逐渐出现环向裂缝和径向裂缝，该阶段挠度变化均匀，刚度稳定；随着荷载不断增加，径向裂缝向四周延伸，裂缝的宽度也在慢慢扩展；当荷载继续加载到约65% V u左右，柱周附近的环向裂缝数量基本稳定，并和向板边延伸的径向裂缝形成明显的主裂缝，该阶段挠度
作者简介：韦锋，博士，副教授，硕士生导师，Email: ctfwei@ 。

500 建筑结构 2020年
加速变大，刚度下降明显；最后受拉钢筋屈服，主裂缝发展成塑性铰线，并由于裂缝宽度和变形过大形成机构而不能继续加载（破坏形态见图1(a)）。

（2）弯冲破坏[4]
与弯曲破坏的过程相似，不同的是受拉钢筋进入屈服后，由于裂缝的发展使得剪压区的混凝土减少到一定程度从而产生冲切破坏，形成一个带柱头的冲切破坏椎体，破坏呈脆性，其最终破坏形态见图1(b)。

（3）冲剪破坏[4]
在荷载加载至15%V u左右之前，试件裂缝及变形与前2种破坏模式类似；随着荷载不断增加，径向裂缝向四周延伸，但是裂缝宽度变化较小，板中的腹剪斜裂缝向板受拉面和板受压面斜向发展；当斜裂缝发展至板受拉面并沿受拉面逐渐环通时，板突然冲坏，该过程纵向钢筋没有进入屈服，破坏没有明显预兆，呈脆性（破坏形态见图1(b)）。

(a) 弯曲破坏(b) 弯冲破坏[7](c) 冲剪破坏[7]
图1 钢筋混凝土板柱节点的破坏形态
在冲切破坏过程中，冲切椎体在极限荷载作用之下突然脱出，节点原来承担的荷载将重新分布到周边的节点，容易导致板柱结构连续坍塌。

实际工程中应尽量避免冲切破坏的发生。

若能在结构设计时利用破坏形态的判别公式来判别出节点的破坏形式，并采取措施改善节点的受力性能，则可避免或减少冲切破坏的发生。

1.2 板柱节点破坏形态的判别公式
早在1970年，Gesund和Kaushik[9]根据屈服线理论推导出了板柱节点破坏形态的判别公式，该公式主要与板柱节点的几何参数、混凝土强度、纵筋配筋率及屈服强度有关。

但屈服线理论与纵筋未进入屈服就发生节点破坏的情况相违背。

Ramdane[10]通过对已有试验数据分析，提出了一个形式简洁的判别公式，但该公式只有在知道试验冲切承载力后才能进行判别，并不能预测节点的破坏形态。

曹明等[11]推导出板柱节点发生弯冲界限破坏时的配筋率bρ，并根据临界配筋率与实际配筋率的比值来判别破坏形态。

王安宝等[12]等结合屈服线理论和刚塑性破坏模型推导出了破坏形态的判别公式。

R.Y.Xiao和C.S.Chin[13]提出了一个预测破坏形态的判别公式，该公式与纵筋面积以及配筋率、混凝土强度、板柱节点的几何参数、抗弯承载能力以及抗冲切承载能力有关，考虑的因素更全面。

各学者提出的板柱节点破坏形态判别公式见表1。

板柱节点破坏形态的判别公式表1 作者计算公式
Gesund和
Kaushik[9]
22
y4
c
2,
10[2,4],
4,
f d
f bB
ρ
⎧<
⎪
∅=⨯=⎨
⎪>
⎩
弯曲破坏
弯冲破坏
冲剪破坏
Ramdane[10]1
1
1,
1,
1,
P
P
⎧<
⎪
∅==≈⎨
⎪>
⎩
试验
弯曲
冲剪破坏
弯冲破坏
弯曲破坏
曹明等[11]()
y
c12
1,
2
1,
0.1230.0880.888
1,
f
f
ρ
∅
ηη
⎧<
⎪
==≈⎨
-+⎪
>⎩
冲剪破坏
弯冲破坏
弯曲破坏
王安宝等[12]2
2
1,
1,
1,
P
P
∅
⎧<
⎪
==≈⎨
⎪>
⎩
弯曲
冲切
冲剪破坏
弯冲破坏
弯曲破坏
R.Y.Xiao和
C.S.Chin[13]
2
2
s y1
1.25
m t1
115,
[115,185],
80
185,
A f d P
P
cu f
∅
⎧<
⎡⎤⎡⎤⎪
==
⎢⎥⎢⎥⎨
⎢⎥⎢⎥⎪
⎣⎦
⎣⎦>
⎩
弯曲
冲切
弯曲破坏
弯冲破坏
冲剪破坏
注：
u
1
P kM
=
弯曲
，对于方板，8322
a
k
a r
⎡⎤
⎛⎫
=-+
⎢⎥
⎪
-
⎝⎭
⎣⎦
；对于圆板，2π
a
k
a r
⎡⎤
=⎢⎥
-
⎣⎦
；w
u c w
0.85
2
x
M f x d
⎛⎫
=-
⎪
⎝⎭
，y
w
c
0.536
0.85
f d
x d
f
ρ
⎛⎫
= ⎪
⎪
⎝⎭
≤；
()
0.235
1/3
t m
1
400
0.242100
P f u d
d
ργ
⎛⎫
= ⎪
⎝⎭
冲切
；()
1
3
220.2042a d
l
λ
ηπ
=-+，2
π3
0.0682
2
d
a
l
λ
η⎛⎫
=+
⎪
⎝⎭
，
()
3/3
2
l a
l
λ
-
=；u u
22
M M
P
l
α
'
+
=
弯曲
，
2
t
22
2
4
1
c
f bd K
d
P
c
l K
l
λ
⎛⎫
'+
⎪
⎝⎭
=
⎡⎤
⎛⎫
⎢-+⎥
⎪
⎝⎭
⎢⎥
⎣⎦
冲切
；其中b，B、m u、a、r、d、c分别为
柱周长、板周长、临界截面周长、冲跨、冲切锥体的边长、板有
效高度和柱宽；
s
A，ρ分别为板纵筋配筋面积和配筋率；
u
M，u
M'为单位宽度板能抵抗的弯矩；α为弯曲破坏机构的承载力系
数；K为与材料性能有关的系数；
y
f为钢筋屈服强度设计值，t
f、
c
f混凝土抗拉强度和抗压强度的设计值。

第50卷 增 刊
建筑结构 501
以上5种判别板柱节点破坏形态的方法基于不同的理论，在不同条件下其判别准确程度各不相同。

Gesund 和Kaushik 公式对于冲剪破坏并不能给出很好的解释；Ramdane 公式和曹明公式需通过确定试件承载力才能判别，且对边柱和角柱节点尚未得到验证；王安宝公式物理意义清晰，但对于发生弯冲破坏的节点较难判别；R.Y.Xiao 和C.S.Chin 公式则可以相对准确地预测各类节点的破坏形态。

2 影响板柱节点抗冲切性能的因素
对于工程设计来说，根据以上判别公式并采取合理的构造措施来提高板柱节点抗冲切性能显得更为重要。

板柱节点抗冲切性能包括抗冲切承载能力和延性两部分，各国规范板柱节点抗冲切计算公式见表2。

其中我国规范[14]中板柱节点抗冲切承载力计算公式仅反映了混凝土强度、抗冲切元件、冲跨比以及板厚对抗冲切承载能力的影响。

而相关试验表明[15]，影响板柱节点抗冲切承载能力的主要因素还有纵向钢筋等。

以下对影响板柱节点抗冲切性能的主要因素进行总结分析。

不同规范抗冲切计算公式比较
表2
规范 计算公式
中国规范
[14]
GB50010-2010 t m 0s 0.5V f u h V η=+ 美国规范[20]
ACI318-14 c s V V V =+
英国规范[21]
BS8110-97 ()
1
1
1
3
4cu 3
m m
0.79
40010025s f V u d V d ργ⎛⎫⎛⎫=
+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭
欧洲规范[22]
EC2-2004
()1
123ck m s 2000.091100V f u d V d ρ⎡⎤⎛⎫⎢⎥=++ ⎪⎢⎥⎝⎭⎢⎥⎣⎦
注：s 012s m 1.2 min 0.4,0.54h u αηηηβ⎧⎫⎪
⎪==+
=+⎨⎬⎪⎪⎩
⎭，1η为考虑局部荷载或集中反力作用面积形状的影响系数，2η为计算截面周长与板截面有效高度之比的影响系数；c V 取c1V ，c2V 和c3V 中最小者，其中c1c m c 40.0832V f u d λβ⎛⎫
'=+ ⎪ ⎪⎝⎭，c2s c m 00.0832d V f u d b αλ⎛⎫'=+ ⎪ ⎪⎝⎭
，c3c m 0.33V f u d λ'=；s V 为抗冲切钢筋提供的承载力。

2.1 混凝土强度
从各国规范的抗冲切承载力公式看，中国规
范[14]规定V 与t f 成正比关系，美国规范ACI318-19[20]则规定V 与
c f '成正比关系；而英
国规范BS8110-97[21]以及欧洲规范EC2-2004[22]则规定V 与3cu f 成正比关系。

Hognestad [23]在Richart [24]的试验数据基础上进行深入研究分析，结果表明V 与c f '基本成正比关系，当c f '较小时，计算结果可能会偏不安全。

而Regan [15]利用Elstner 和Hognestad [25]的试验结果证实了英国规范所采用的3cu f 是合适的，这也影响了后面CEB 模式规范的修订工作。

周朝阳等[26]对国内外已有混凝土板冲切试验数据进行了收集和分析，结果表明3cu f 能较准确地表达混凝土强度与抗冲切承载力的关系。

Ying Tian 等[27]通过9组混凝土板冲切试验数据发现
4
cu f 能更准确地
表达混凝土强度与抗冲切承载力的关系。

易伟建等[28]等对收集到的数百个钢筋混凝土双向板受冲切试验数据进行受冲切承载力可靠度分析，结果表明，4cu f 偏低估计了混凝土强度对受冲切承载力的影响，而3cu f 较好地估计了混凝土强度对受冲切承载力的影响。

综上，混凝土强度对混凝土板柱节点抗冲切承载力影响显著，但在选择
c f '、3cu f 、4cu f 作
为混凝土强度影响因子上存在分歧。

现有研究成果均表明板柱节点的受冲切承载力随混凝土强度增加的增长速率低于混凝土强度的增长速率[29]。

2.2 纵向钢筋
纵向钢筋除了参与抗弯，也通过抑制受拉区混凝土裂缝的开展以及钢筋本身对混凝土的销栓作用参与到抗剪当中，因此纵筋也是影响板柱节点抗冲切承载能力的重要因素。

英国规范BS8110-97[21]和欧洲规范EC2-2004[22]
规定纵筋配筋率与抗冲切承载力呈指数关系。

而美国规范ACI 318-14[20]和中国规范[14]等均未在计算公式中体现纵筋配筋率与抗冲切承载力之间的联系。

试验数据表明[7]，由于中美规范没有考虑纵筋配筋率及屈服强度，其计算结果随配筋率增加而降低。

欧洲规范和英国规范考虑了纵筋配筋率，其计算结果随配筋率变化表现得更稳定，其
502 建筑结构 2020年
离散程度也较低。

Regan[15-16]根据大量钢筋混凝土板冲切试验数据提出了考虑纵筋配筋率的经验公式，发现板的抗冲切承载力随配筋率的增大而提高，但其相关性是非线性的。

韩菊红等[18]通过45块钢筋砼四边支承矩形板的冲切试验研究，发现当纵筋配筋率小于2.0%时，板的抗冲切承载力随配筋率增大而提高，但提高幅度不大；当纵筋配筋率大于2.0%后，其抗冲切承载力不再有明显的提高。

黄小坤等[19]对收集到的国内外冲切试验数据进行分析，认为2.5%的纵筋配筋率是提高钢筋混凝土板受冲切承载力的上限值。

Hawins等[17]完成了纵筋只布置在距柱边1.5倍板有效厚度范围内的板冲切试验，结果表明，这种纵筋布置方式提高了板的抗冲切性能，特别是对配筋率较低的板的影响尤为明显。

综上可见，在一定范围里增大纵筋配筋率可提高板柱节点的抗冲切承载能力，改变纵筋的布置方式也可改善板柱节点的受力性能。

由于柱上板带宽度范围内的弯矩沿横向变化较大，因此中国规范[14]第11.9.5条规定“无柱帽平板宜在柱上板带中设置构造暗梁，暗梁宽度可取柱宽加柱两侧各不大于1.5倍板厚。

暗梁支座上部纵向钢筋应不少于柱上板带纵向钢筋截面面积的1/2”。

该措施将纵向钢筋集中放在暗梁内，实质上提高了暗梁内亦即节点区域内的纵向钢筋配筋率，从而也在一定程度上提高了节点抗冲切承载能力。

然而，中国规范只给出了暗梁内纵向钢筋的最小比例1/2，并没有给出一个上限，也没有定量研究过该比例的变化对抗冲切承载能力的影响。

2.3 抗冲切元件
对于钢筋混凝土无腹筋板柱节点而言，在一定范围内，通过提高纵筋配筋率可以提高节点的抗冲切承载力，但是板的变形能力却有所降低，破坏显得更加脆性[30]。

而配置抗冲切元件后，钢筋混凝土板柱节点的抗冲切承载力和节点延性均有改善。

抗冲切元件有多种形式，不同形式的抗冲切元件对抗冲切性能影响的效果亦不相同。

常用的抗冲切元件有弯起钢筋、箍筋、锚栓以及型钢剪力架。

（1）箍筋以及弯起钢筋
Franz最早提出使用箍筋和弯起钢筋作为抗冲切元件参与到板柱节点的抗冲切当中，这2种构造措施于1962年编入美国规范ACI318-62。

鉴于当时试验数据不足，美国规范ACI318-62对此做出了严格的限制，工程应用不方便。

随后，其他学者[31-33]将箍筋或者弯起钢筋用于板柱节点的抗冲切试验当中，试验结果表明，只要这2种抗冲切钢筋锚固得当也能有效提高抗冲切承载能力。

国内舒兆发和李定国[34]也通过对比试验确定箍筋能提高板柱节点的抗冲切承载力和改善节点的延性。

（2）锚栓
板柱节点中的箍筋会随纵筋的弯曲而产生“拨出效应”[35]，箍筋难以进入屈服状态，从而不能有效地抑制斜裂缝的发展，并且在楼板里安装箍筋的施工过程较为困难。

为了克服这些缺点，Ghali[36]发明了锚栓，并以锚栓数量、截面形式及分布方式为变量进行了一批试验，结果表明锚栓能显著提高板柱节点的抗冲切承载能力；并对锚栓的构造要求给出了建议。

田杰[37]对配置锚栓的中柱节点进行了抗冲切试验研究，认为Ⅰ级钢锚栓的合理配箍率宜控制在0.3%-0.6%，大于0.6%配箍率的板柱节点容易产生延性很差的锚栓圈外冲切破坏。

刘文珽[38]将配置锚栓与配置箍筋的板柱节点进行抗冲切对比试验，结果表明锚栓比箍筋更能提高板的抗冲切承载力，此外锚栓改善抗冲切延性的效果更显著。

配置锚栓的板柱节点除了在抗冲切试验中表现出优良的抗冲切承载能力和良好的延性外，在水平低周反复加载试验当中也表现出很好的的水平变形能力[39]。

（3）型钢剪力架
在节点区域配置型钢剪力架可以增大节点刚度以及临界截面周长，进而提高板柱节点的抗冲切承载能力。

型钢剪力架影响板柱节点的抗冲切承载能力的主要因素是其截面尺寸、形状以及布置方式。

张奕群[40]通过实际工程现场试验和有限元模拟分析内置型钢剪力架板柱节点的抗冲切性
第50卷增刊建筑结构 503
能，结果表明型钢剪力架能有效提高板柱节点的抗冲切承载力，并给出了型钢剪力架臂长的建议值。

樊周正等[41]对75组配置型钢剪力架的方钢管中柱节点进行非线性有限元分析，给出了型钢剪力架长度、腹板厚度的建议值，并拟合出了计算公式。

但目前国内关于型钢剪力架的研究大都是基于有限元的数值模拟分析，试验研究较少。

2.4 冲跨比及板厚
柱边到支座位置的水平距离为冲跨，其与有效板厚的比值为冲跨比。

Hawins[42]的试验研究表明，冲跨比越小，冲切破坏锥体斜截面的倾角越大，抗冲切承载能力就越大，但破坏越呈脆性。

李定国和舒兆发[43]等用多元回归方法分析了国内外现有无腹筋钢筋混凝土板柱节点的试验数据，结果表明冲跨比对抗冲切承载能力的影响并不显著。

随后舒兆发[44]对配置锚栓的钢筋混凝土板柱节点进行试验研究，结果表明，配置锚栓的板柱节点抗冲切承载力随冲跨比的减小而增大。

Lovrovich[45]则通过试验发现，当冲跨比低于6时，抗冲切承载能力随着冲跨比的减小而提高，当冲跨比大于6时，此时斜裂缝较早出现，若配置抗冲切钢筋则可抑制裂缝开展从而显著提高其抗冲切承载力。

金玉[46]等在配置锚栓的钢筋混凝土单向板柱节点受剪性能试验研究中也有类似结论，并给出了不同钢筋混凝土单向板剪跨比的锚栓间距建议。

另外，板柱节点的抗冲切承载力还与板厚的尺寸效应有关。

Birkle[47]等对9个钢筋混凝土板柱中柱节点进行了抗冲切试验，试验结果表明，板柱节点抗冲切承载能力随着板厚增大而减小；但配置锚栓后，随着板厚的增加，板柱节点的抗冲切承载力减小的幅度变小了。

为此，中国规范[14]规定，对于厚度大于2000mm的板，在计算抗冲切承载力时要乘一个小于1的截面高度系数进行折减。

2.5 其他
柱截面形状也会对钢筋混凝土板柱节点抗冲切承载力产生影响。

主要影响因素包括受冲切截面计算周长与板截面有效高度的比值以及柱截面长宽比，前者数值增大时容易导致应力集中从而对抗冲切承载力产生不利影响。

易伟建等[48]对5种柱截面形状10个板柱节点进行冲切试验，结果表明，当受冲切截面计算周长与板截面有效高度的比值起控制作用时，中国规范中的修正系数2 的取值可能偏于不安全。

除此之外，目前国内外绝大部分钢筋混凝土板柱节点的抗冲切试验集中在中柱节点上，关于边柱节点以及角柱节点的抗冲切试验研究[49]很少。

由于边柱节点和角柱节点在重力荷载作用下存在不平衡弯矩，因此其受力状态变得更加复杂，其破坏形态也与一般中柱节点的破坏形态有所不同。

虽然也有学者对边柱节点进行了水平低周反复加载试验[53-55]，但是该试验状态下边柱节点的受力情况与重力荷载下的受力情况是不同的，主要体现在重剪比上。

相关试验证明重剪比会显著影响板柱节点的延性[56]。

因此，鉴于目前国内外对边柱节点和角柱节点的抗冲切试验较少，重力荷载作用下边柱节点和角柱节点抗冲切性能有待进一步研究。

3 结语
（1）不同学者提出了板柱节点破坏形态的判别公式，通过判别公式可一定程度上预测板柱节点的破坏形态。

同时应采取合理的构造措施，减少或避免板柱节点产生脆性的冲切破坏。

（2）配置不同形式抗冲切元件可有效提高板柱节点的抗冲切承载力。

但不同抗冲切元件对抗冲切机制的影响尚不明确，其破坏机理尚需进一步研究。

（3）在一定范围内提高纵筋配筋率可提高板柱节点的抗冲切承载力，纵筋布置方式也会影响板柱节点的抗冲切承载力。

但纵筋配筋率和暗梁纵筋比例的综合影响尚需更多的试验研究及定量分析。

（4）目前国内外学者对边柱节点以及角柱节点的抗冲切试验研究较少，由于边柱节点和角柱节点在重力荷载作用下存在不平衡弯矩，其受力状态以及破坏形态会更加复杂，有待进一步深入研究。

504 建筑结构 2020年
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