预制钢筋混凝土柱-钢梁混合框架结构的工程应用

预制钢筋混凝土柱 -钢梁混合框架结构
的工程应用
摘要：筋混凝土柱－钢梁混合框架（RCS框架）是一种新型的混合结构体系，其结构构件选型充分发挥了钢筋混凝土结构和钢结构各自的优点，是一种经济高
效值得推广的结构形式。

该体系与钢结构相比，采用钢筋混凝土柱充分利用了其
受压性能的优势，同时兼具刚度大、耐火性能和耐久性能好的优点，既节省了钢
材降低工程造价又提高了结构的整体稳定性。

与钢筋混凝土结构相比，采用钢梁
减轻了结构自重，减小了构件截面尺寸，进而增加有效使用空间，又可节省支模
工序和模板，缩短了施工工期。

关键词：预制钢筋；混凝土柱-钢梁；混合框架结构
引言
钢筋混凝土柱-钢梁(reinforcementcolumn-steelbeam，ＲCS)混合框架结构
体系是竖向承重构件采用钢筋混凝土柱、水平承重构件采用钢梁的抗弯框架结构
体系，其设计理念充分体现混合结构以下特点:一方面，框架柱主要承受竖向和
水平荷载，可视为压弯构件，采用受压性能良好的钢筋混凝土，与钢柱相比更经济;混凝土构件厚实截面可显著增加结构抗侧刚度、减小层间侧移，且能有效避
免钢构件薄柔截面存在的失稳缺陷;钢筋混凝土柱具有优良的防火耐腐性能，与
钢柱相比可进一步降低防火耐腐涂层用料和人工成本。

另一方面，框架梁主要承
受楼面和墙体荷载，可视为受弯构件，采用抗拉性能优异的钢材，实现了在增大
构件空间跨度的情况下尽量减小截面尺寸，从而增加房屋的有效使用空间，提高
工程建设速度，缩短工期，直接节约了楼盖混凝土模板与临时支撑费用;自重较小，可减小整体结构地震作用，增加结构抗震安全性能和延性，降低基础造价。

ＲCS混合框架结构体系兼具钢筋混凝土和钢材的优点，能够最大限度地发挥材料
性能优势，是经济高效的结构形式。

1 RCS梁柱节点设计
结构设计中钢梁以200mm为主要截面宽度，钢梁居中或偏心跨越框架柱，以保证钢梁两侧距离柱面宽度均不小于200mm控制钢梁定位，此项构造措施既利于RCS梁柱节点区域混凝土的浇筑，又易于梁侧建筑隔墙的砌筑。

由此可知框架柱单侧宽度不小于600mm，通常能够满足常规柱跨体系下框架结构柱的基本截面要求。

通过模数化调整柱截面尺寸，使混凝土柱截面模数统一，易于对应组合模具的制作和预制构件的生产。

在此基础上设计满足抗震要求的节点区构造措施，符合“强柱弱梁、强节点弱构件”的抗震概念设计要求。

以标准层一中柱为例，柱截面为600mm×600mm，钢梁双向梁高500mm，验算节点核心区的受剪水平截面符合式（1）的要求：
式中：γRE为承载力抗震调整系数；ηj为梁对节点的约束影响系数；bj为节点有效截面宽度；hj为受剪方向节点截面宽度。

在主梁上下翼缘均沿柱面设置封闭箍板，箍板高度不小于主梁截面高度的1/4，板厚取16mm。

上下箍板在每侧柱面处均设置加劲肋，加劲肋高度同箍板高，板厚取16mm。

主梁在每侧出柱面位置设置承压板，宽度同梁翼缘宽，板厚取16mm。

柱面四角设置6厚钢板兼作预制构件模板。

混凝土浇筑面开矩形孔，孔宽150@200mm、孔长同柱角钢板宽度。

双向钢梁腹板开圆孔用于混凝土浇筑及各向贯通，开孔直径150mm，距离柱面不小于50mm。

翼缘对接焊切角R25半圆孔兼作混凝土浇筑排气孔。

框架柱的纵筋设计应用钢筋大直径、大间距、少根数的创新设计技术，柱纵筋在节点区域四个角部上下贯通。

在钢梁分隔成的四个节点核心区分别设置16附加构造纵筋。

本工程节点核心区按12@150配置箍筋，并复核柱体积配箍率满足规范要求。

节点核心区箍筋绑扎避让腹板开孔处，利于混凝土的浇筑与振捣质量。

钢梁腹板开孔削弱了框架节点的受剪承载力，需验算开孔后各节点的受剪承载力满足设计要求。

2研究历程
对于抗弯框架而言，提供抗侧力的核心部位为柱脚与梁柱节点，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，梁柱节点刚接不仅能够显著改善
柱受力状态，使整个结构弯矩分布更均衡，进而充分发挥各构件力学性能，且可有效增加框架抗侧刚度，减小自身整体侧移。

而ＲCS混合框架结构体系中的梁柱连接是为了实现性能完全不同2种材料(钢筋混凝土和钢材)的融合，其合理设计与构造是确保抗侧能力发挥的关键因素。

因此，ＲCS混合框架结构体系的早期研究主要聚焦于梁柱节点，美国、日本、中国均在这方面进行了大量工作，具有代表性的研究成果介绍如下。

3加载制度
试验过程中采用对柱顶施加竖向位移的方式进行加载，以考察下部柱失效后节点子结构在持续竖向位移下的抗连续倒塌性能。

试验中通过位移加载方式，对柱顶施加竖向静力荷载。

在弹性阶段，位移增量为10mm，加载速率为4mm/min;当竖向位移为30mm、竖向荷载为40kN时开始表现出较明显的非线性受力特征(塑性阶段)，该阶段加载速率不超过3mm/min。

每两级加载之间持荷5min。

当加载至DoD规范中规定的最大塑性转角时，加载结束。

试验过程中观测试件的破坏过程、破坏形态、柱顶竖向荷载F与位移Δ的关系曲线。

4试验现象与破坏模式
试件CJ-0柱顶竖向荷载F-位移Δ关系曲线如图7所示，其中梁弦转角
θ=Δ/Lr，右梁跨度Lr=2250mm。

各阶段试件的变形和破坏形态如图8所示，试件最终破坏形态与预期一致，试验中未发现焊接失效，表明试件具有良好的焊接质量。

当柱竖向位移Δ小于15mm(OA段)时，试件两端基本没有变形，荷载-位移曲线保持直线增长，这表明试件在初始阶段弹性弯曲。

在AB段，柱顶荷载保持稳定增长，试件开始出现明显的非线性受力特征。

当Δ达到
61mm95θ=0．027rad)时，可观察到梁的上部翼缘处(截面Ⅰ和截面Ⅱ附近)产生明显局部屈曲，下翼缘变形较小，如图8a、8b所示。

随着竖向位移的增大，竖向荷载基本保持为一条水平线，期间达到峰值荷载FMAX=155kN，此时两侧腹板变形不明显。

由于左侧梁线刚度大于右梁，梁右端上翼缘局部屈曲逐渐变大，结构抗力不断增加，在Δ=162mm(C点，θ=0．063rad)时，竖向荷载出现陡降，此时可观察到梁的右侧腹板处发生明显局部屈曲，腹板上部及中部向内凹，下部向外凸(图8e)，右梁上部翼缘出现了严重变形，塑性铰完全形成，同时下翼缘最外排
螺栓处出现明显变形(图8f)。

随着竖向位移的不断增加，腹板变形逐渐扩大，当
Δ达到290mm时，右侧上翼缘及腹板变形达到最大，试件最终破坏，加载终止。

结束语
目前RCS框架结构抗震设计理论和方法仍处于不断研究的阶段，完善的计算
原理及计算公式需要继续不断地研究，结合预制装配式设计RCS框架节点的原理
适用性和计算拟合度是下一步研究的方向，需要更多数值模拟及实验数据的支撑。

本文结合工程实践提出了适于预制构件生产的RCS框架节点结构构造，并参照相
关规范和研究验证其符合结构抗震要求，为预制RCS框架体系的工程推广起到了
一定的示范作用
参考文献
[1]王瑞强.钢筋混凝土柱—折线形型钢梁体系节点的受力研究[D].延边大
学,2019.
[2]李翊.钢筋混凝土柱-钢梁（RCS）边节点抗震性能研究[D].华南理工大
学,2019.
[3]母薇.钢筋混凝土柱—钢梁（RCS）组合框架结构抗连续倒塌性能研究[D].西华大学,2017.
[4]门进杰,周婷婷,张雅融,史庆轩.钢筋混凝土柱-钢梁组合框架结构基于性
能的抗震设计方法和量化指标[J].建筑结构学报,2015,36(S2):28-34.
[5]郭智峰.钢筋混凝土柱—钢梁混合框架抗震性能及设计方法研究[D].西安
建筑科技大学,2014.。