收录于话题 专家解读 为进一步推广刊登在《建筑结构学报》的优秀科研成果，反映相关研究发展动态和趋势，推动学术交流，《建筑结构学报》微信公众平台开设“专家解读”专栏。在新刊中遴选部分研究方向具有前瞻性和引领性，研究成果具有创新性和实用性，研究方法具有可借鉴意义的优秀成果，由作者介绍研究背景，深入解读其创新成果及研究过程。
专家解读
为进一步推广刊登在《建筑结构学报》的优秀科研成果，反映相关研究发展动态和趋势，推动学术交流，《建筑结构学报》微信公众平台开设“专家解读”专栏。在新刊中遴选部分研究方向具有前瞻性和引领性，研究成果具有创新性和实用性，研究方法具有可借鉴意义的优秀成果，由作者介绍研究背景，深入解读其创新成果及研究过程。 本期特邀中国建筑科学研究院有限公司薛彦涛研究员，为您解读钢-混凝土预制梁连接区段抗震性能。
钢-混凝土预制梁连接区段抗震性能试验研究
1.
研究背景
预制装配式混凝土框架结构是实现建筑工业化和绿色建筑的重要技术手段。目前，在世界各国的抗震设防区已普遍应用装配整体式混凝土框架结构，该结构体系采用湿式节点，以“等同现浇”为设计目标。而以干式连接为主的预制装配式混凝土框架结构装配效率更高，目前比较成熟的体系是以美国、日本为主研发的预应力拼装框架结构体系，其他非预应力的干式连接方式，主要包括焊接、螺栓连接等。 相比于混凝土结构，钢结构的连接方式更适合现场快速拼装，因此，如果能将混凝土构件通过某种方式转换为钢构件，就能创造性地实现干式连接的预制装配式混凝土框架。 本课题组就提出了一种钢接连式的全装配混凝土框架体系 [1,2] ，见图1。
图1 课题组提出的一种混钢全装配框架
本文就体系中的梁构件部分（构造见图2）展开试验研究。该预制梁由工字钢端头、梁端的外包钢套筒和钢筋混凝土梁体三部分组成。工厂预制时，可先绑扎钢筋混凝土梁体内的钢筋笼，在纵筋两端连接可焊型螺纹套筒，然后将螺纹套筒与两端的端板焊接，再焊接梁端外包钢套筒的其余板件及工字钢端头，最后支模浇筑混凝土。该构造中，考虑到梁端的外包钢套筒具有一定的约束作用及施工便利性，钢套筒内的梁体不再设箍筋；同时，为了加工和应用方便，钢套筒内壁也不焊接栓钉；为节约钢材且避免钢套筒段刚度过大，钢套筒的侧面由多块有均匀间隙的侧板条与顶、底板焊接而成。
图2 带工字钢接头的装配式钢筋混凝土梁构造
本文研究的钢-混凝土预制梁连接区段抗震性能， 主要解答3个问题：1）该预制混合梁在拟静力作用下的破坏模式、承载能力、延性、滞回耗能等表现如何？2）混凝土梁和钢梁截面受弯承载力比值对预制混合梁整体的抗震性能影响如何？3）连接区段受弯和受剪的力学机理是什么？
2.
试验概况
本文中选取预制梁钢接头端至RC 梁近似反弯点的一段为试验对象，在钢接头端固定边界条件下，制作3个1:2的模型试件，试验参数取为混凝土梁纵筋配筋率，分别编号为PBSEC1、PBSEC2、PBSEC3（见图3和表1）。
图3 几何尺寸及构造示例
表1 试件参数表
作为判断钢接头截面与混凝土梁段截面破坏顺序的指标，定义混凝土梁段端部截面与工字钢梁端部截面的弯矩系数比 γ 为
式中， M ic 为混凝土梁端部截面的实际弯矩值， M is 为钢梁端部截面的实际弯矩值， M uc 为混凝土梁端部截面的设计受弯承载力， M us 为钢梁端部截面的设计受弯承载力。由于试件边界条件为一端固定（见图4），有
式中， l c 为 加载水平力作用点距混凝土梁端部截面的长度， l s 为 加 载水 平力作用点距钢梁端部截面的长度。
图4 试件结构简图
当 γ >1时，理论上混凝土梁端部截面先达到设计受弯承载力而破坏；反之，当 γ <1时，理论上钢梁端部截面先达到设计受弯承载力而破坏；当 γ ≈1时，理论上混凝土梁端部截面和钢梁端部截面同时达到极限状态而破坏。
试验加载装置如图5所示，采用荷载与位移混合控制的加载方法。
图5 试验加载装置
3.
试验现象及破坏形态
试件加载过程如图6，对比可知，对应于试件PBSEC2、PBSEC1 和试件PBSEC3，弯矩系数比 γ 的值分别大于1、接近1 和小于1，即随着 γ 值的减小，上部混凝土梁段的破坏逐渐变得轻微，水平裂缝逐渐变短、斜裂缝逐渐占据主导，下部工字钢从无明显现象变为局部屈曲明显。 有趣的试验现象表明预制混合梁可以通过合理设计表现出钢构件的破坏模式，这与传统“等同现浇”的预制框架设计理念大为不同，使得预制装配式框架结构在抗震性能方面可能带来新的突破。
(a) 试件PBSEC1
(b) 试件PBSEC2
(c) 试件PBSEC3
图6 试验 现象及破坏形态
4.
试验结果及其分析
4.1 滞回曲线
如图 7，3 个试件滞回环形态明显不同，随着弯矩系数比的减小，滞回曲线捏拢程度减小，试件PBSEC3能形成饱满的滞回环。
图7 滞回曲线
4.2 承载力
骨架曲线见图 8，试件PBSEC2的峰值荷载最小，这是由于试件PBSEC2的 γ 值大于1，发生了与设计相符的混凝土梁段优先于钢梁段破坏，而试件PBSEC3和试件PBSEC1 的 γ 值分别小于1和接近1，钢梁段均不同程度地进入塑性阶段，承载力较高。
图8 骨架曲线比较
4.3 裂缝宽度及竖向滑移
混凝土梁体裂缝和滑移发展曲线见图 9，说明该类预制梁混凝土配筋率的提高对减小梁体裂缝宽度和交界面滑移作用较大。
图9 梁体裂缝和滑移发展曲线
4.4 耗能能力
如图10，随着 γ 值的减小，试件逐渐由混凝土梁段耗能变为钢梁段耗能，耗能能力逐渐提高，破坏位移时的黏滞阻尼系数 ζ eq 从0.190提高到0.442。
图10 等效黏滞阻尼系数
5.
承载力分析及设计建议
5.1 受弯承载力计算
对于工字钢区段和混凝土区段，控制截面分别为各自的端部截面（见图11），即截面1和截面3，对于钢套筒区段，控制截面取端板右侧截面，即截面2。分别计算3个控制截面在极限状态下的受弯承载力 M u1 、 M u2 和 M u3 ，然后计算对应的加载端水平力 P u1 、 P u2 、 P u3 ，取最小值即为该预制梁在极限受弯承载力下对应的加载端水平力 P u 。其中，混凝土区段可采用纤维模型计算，钢套筒区段可考虑钢管约束钢筋混凝土柱(STCRC)的受力原理，采用混凝土约束本构模型（见图 12）进行计算。
图11 混合 梁弯矩控制截面
图12 截面2有效约束核心区示意图
计算结果见表2，各个试件的计算误差均在可接受范围内。计算表明的破坏区段与试验观察到的结果一致，且钢套筒区段的受弯承载力换算得到的加载端水平力 P u2 均大于混凝土区段的 P u3 ，说明钢套筒可避免破坏先发生在连接节点区域。
表2 预制梁受弯承载力计算结果
5.2 钢套筒区段剪力传递分析
如图13，偏于安全地忽略次要因素的抗剪贡献，可认为水平剪力 P 从混凝土区段主要通过与钢套筒底板相互挤压力 F n 传递到钢套筒上， F n 由侧板的横向联系作用（T 1 ~T 4 ）部分传递到顶板上，则水平剪力 P 主要由顶板、底板与端板间焊缝承担，进而传递到端板和工字钢间焊缝 V h 。在顶板、侧板、底板组成的简化“刚架”模型中，可偏于保守地对侧板与底板、顶板间的焊缝及底板、顶板与端板间的焊缝进行验算。
图13 钢套筒区段剪力传递
6.
工程应用注意事项
以强剪弱弯为原则进行设计，保证剪力传递：1) 适当对钢套筒和混凝土过渡区段的箍筋进行加密，减少剪力对混凝土区段的影响；2)钢套筒各个板件之间应有牢固的焊接，焊缝强度应计算校核。
以强连接弱构件和延性破坏原则，在进行预制梁受弯设计时，应通过弯矩系数比保证破坏优先发生在工字钢区段。
7.
结语
本文提出的外包钢套筒式的带钢接头的装配式钢筋混凝土梁在不同的混凝土梁段端部截面与端部钢梁截面的弯矩系数比下表现出不同的屈服顺序和破坏模式，说明随着混凝土梁段截面承载力与钢梁段截面承载力之比的提高，试件的损伤从集中在混凝土梁段到集中在钢梁段逐渐演变。进一步，课题组还将钢连接的思路应用于柱-柱节点中，详情参考文献[3]。目前，包含预制混合梁的框架结构的整体抗震性能是一个值得探讨的问题。预制混合梁端的钢构件可以与型钢混凝土柱、钢管混凝土柱采用钢梁-组合柱的方式连接，应用前景较广。
参考文献：
[1] 薛彦涛，刘剑，王翠坤. 全预制装配式混凝土框架: CN207998925U[P]. 2018-10-23.
[2] 薛彦涛，刘剑，王翠坤. 一种装配式混凝土框架 CN201821700152.2[P]. 2019-05-09.
[3] Jian Liu, Yantao Xue, Cuikun Wang, Jianguo Nie, Zhenhong Wu. Experimental investigation on seismic performance of mechanical joints with bolted flange plate for precast concrete column[J]. Engineering Structures, 2020, 216: 110729.
