钢混梁节点构造优化与抗震性能研究

引言

在钢混结构体系中，梁柱节点是力传递的关键部位，其受力复杂，是结构薄弱环节之一。节点在地震作用下往往首先发生破坏，导致整个结构体系失稳。因此，提升节点的延性、强度及耗能能力，是保障结构抗震安全的重中之重。提出一种抗震性能优良、施工简便的新型节点构造形式，并验证其在地震作用下的实际表现。研究成果可为相关结构体系的抗震设计提供参考依据，具有较强的工程实用价值。

1 钢混梁节点受力特点与破坏机理分析

钢混梁节点通常由钢骨混凝土柱与钢筋混凝土梁或钢梁相交组成，其受力机制复杂，兼具钢结构与混凝土结构特点。在地震作用下，节点区除了承受竖向荷载外，还需抵抗剧烈的剪力与弯矩，导致其应力状态高度非线性。钢骨混凝土柱内部型钢与纵筋通过混凝土协同受力，但在节点区容易产生滑移，使得受力路径模糊，应力集中明显，易成为破坏源。研究表明，该类节点的破坏形式多样，包括剪切破坏、弯曲破坏、混凝土剥落等，震后常伴随钢筋屈服与型钢屈曲，严重影响结构安全。此外，节点连接构造对性能影响尤为显著，锚固长度不足、连接件布置不合理会导致能量耗散不足，从而诱发脆性破坏，降低结构延性。因此，优化节点连接构造是提升钢混梁抗震性能的关键。

2 钢混梁节点构造优化设计方法

2.1 协同工作性能优化

钢与混凝土分别属于弹性模量与极限变形能力差异较大的材料体系，其在组合构件中协同工作，往往受到界面滑移问题的制约。一旦滑移发生，不仅会造成钢与混凝土间应力无法同步传递，还将严重削弱构件整体刚度与承载能力，最终影响结构安全性。针对这一问题，实际工程中多采用增强界面剪切性能的措施，如设置栓钉连接件，有效传递横向剪力；嵌设剪力键，提升摩阻效应；以及粗化界面处理，增强机械咬合作用。这些方法均可显著提高钢与混凝土之间的粘结强度，使两种材料在受力过程中的变形协调性更高。合理控制连接件的布置密度与位置，结合施工工艺的改进，也有助于从源头提升整体协同效应，为节点的力学性能打下坚实基础。

2.2 延性设计

结构的延性，是衡量其在地震等极端荷载作用下能否“不断而不毁”的核心性能指标。特别对于钢混梁节点，其延性直接关系到结构的能量耗散能力和倒塌延缓时间。为此，在设计中应着重增强其变形能力。提高节点核心区的箍筋配筋率，能有效提高局部约束，防止剪切破坏；而对钢筋及钢梁的合理布置与锚固长度控制，可避免在荷载早期发生屈服失稳。除配筋优化外，材料选型也需慎重，推荐使用高延性、高屈服比的钢材如Q460 或 HRB500 钢筋，能显著延缓塑性铰形成，增强节点“滞后破坏”的能力。最终，通过以上手段，结构在地震能量释放过程中，能够展现出“屈而不折”的表现，提升整体抗震韧性，最大限度保障生命财产安全。

2.3 节点核心区加强

在地震荷载下，钢混结构的破坏往往起始于节点核心区域，尤其是存在构造薄弱与应力集中的情况下，更易引发剪切开裂与脆性破坏。因此，强化节点核心区的抗剪承载能力与结构韧性，是提高整体抗震性能的关键环节。常见加强方法包括在节点区增设加劲肋、包裹钢板套筒或埋设钢筋网状骨架，这些手段能显著分散集中应力，提升区域剪切强度。同时，可结合性能化抗震设计理念，在非节点区主动布置塑性铰区，使节点处保持弹性状态，引导破坏发生在可控部位。配合有限元数值分析与实测数据反馈，还可对加强构件的几何形状、布置角度等进行参数化优化，提高构造效率的同时避免过度设计，为节点提供经济而高效的加固方案。

2.4 简化施工构造

钢混节点的优化设计不应仅停留在力学性能层面，施工的可行性与效率同样是结构能否在工程中成功落地的重要条件。节点构造若过于复杂，不仅影响施工质量与速度，更可能在现场操作中因误差积累诱发结构安全隐患。因此，设计人员应在早期就将“施工友好性”纳入考量。一方面，推荐使用预制化构件及装配式工艺，将焊接、绑扎等复杂工序前移至工厂，有效提升成品质量；另一方面，在现场拼装时，需优化螺栓布置与焊缝位置，减少人员交叉作业，提升安全性。同时，节点设计中应合理预留安装调整空间与检修孔位，为施工容错提供缓冲。

3 节点抗震性能分析

3.1 有限元建模与参数设定

为了全面评估钢混梁节点在地震作用下的受力性能与破坏机制，本文采用 ANSYS与 ABAQUS 两种常用有限元分析软件对节点构造进行建模。建模过程中，构件采用三维实体单元划分，混凝土部分使用 Solid65 单元，钢梁和钢筋则采用 Beam 或Link 单元建模，确保几何与力学特征的完整表达。在材料模拟方面，引入双折线本构模型，准确描述钢材的屈服-硬化行为与混凝土的受压软化及开裂特性。界面接触区设定摩擦系数和非线性滑移参数，以反映钢与混凝土之间的真实作用关系。加载条件设置包括单调加载、对称与非对称循环加载，模拟多种地震波形下的受力过程。边界条件参考实际工程中的支座约束形式，确保模拟的工程适应性。该建模方式可较为精准地反映节点在地震作用下的受力响应与损伤演化，为后续构造优化提供理论基础与技术支持。

3.2 滞回性能分析

滞回性能是衡量节点在地震反复荷载下能量耗散能力与结构稳定性的核心指标。对比分析表明，经过构造优化的钢混梁节点在循环加载作用下展现出显著优于传统节点的滞回特征。从滞回曲线形态来看，优化节点的曲线更加饱满、闭合性更好，说明其在荷载卸载过程中具有良好的恢复力特性与残余变形控制能力。滞回环的面积显著增大，表示单位循环内吸收的地震能量更多，延性与韧性水平同步提升。节点的骨架曲线斜率变化更为平缓，表现出持续的刚度衰减能力，避免了刚度突降导致的非协调破坏。在极限承载力方面，优化节点的峰值荷载较未优化节点提高了 10%～15% ，而屈服位移延长，提升了塑性发展空间。

3.3 剪切破坏与塑性发展

剪切破坏是钢混梁节点在强震作用下最常见且危险的破坏模式之一，因此有必要在分析中重点关注其发展过程及优化效果。通过有限元仿真结果可以发现，传统节点模型在加载初期便出现节点核心区应力集中现象明显，随后在反复荷载作用下形成斜裂缝或压溃破坏，最终导致节点丧失承载能力。而优化后的节点则有效避免了该问题，其核心区由于加劲肋与外包钢板的布置，剪切应力得到了重新分配，应力分布更加均匀，有效延缓了裂缝产生与扩展时间。同时，塑性区主要集中于梁端预设区域，塑性铰的发展沿预定路径展开，说明破坏模式得到了良好控制。塑性铰形成位置明确、范围稳定，便于结构在发生损伤后快速判断受损部位并进行修复。

结束语

本文从钢混梁节点在地震中的受力特点出发，提出了一种结构合理、性能优良的新型节点构造形式。通过有限元模拟和实体试验验证，其在提高节点强度、延性与耗能能力方面具有显著优势。研究表明，节点构造的细节优化对提升钢混结构整体抗震性能具有决定性意义。未来可进一步结合施工工艺与成本控制，推动此类优化构造在工程实践中的广泛应用。

参考文献

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